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1、第五章堆芯稳态热工水力设计 2020 4 8 1 核科学与工程系 稳态热工设计概述 热工设计的范围和任务 堆芯热工设计的主要任务 提出反应堆总热功率确定主要热工流体力学参量 工作压力 温度 流量 确定堆芯慢化剂 燃料比例 堆芯结构 燃料元件 和格栅布局进行稳态热工流体力学计算 算出堆芯内部件的压降 确定旁通流量 提出是否需要节流装置对瞬态或事故工况进行分析计算 确定应急保护系统设计及动作整定值 2020 4 8 2 核科学与工程系 稳态热工设计概述 堆芯热工设计步骤 根据业主或部门提出要求 如堆型 电输出率 以确定设计指导思想确定热工设计准则提出对一回路冷却剂的温度要求确定反应堆输出的热功率确
2、定燃料组件的相关参数 如燃料种类 元件型式 燃料富集度 包壳材料等选择压力 流量 进出口温度等热工参量计算热通道因子和冷却剂旁通流量进行热工稳态计算进行热工瞬态性能分析 2020 4 8 3 核科学与工程系 稳态热工设计概述 堆芯热工设计和物理设计的关系 需要物理设计提供 给出合适的慢化剂与燃料比 燃料棒尺寸堆芯稳态瞬态功率分布 以确定核热通道因子需要热工设计提供 沸腾产生的空泡分布燃料平均温度冷却剂平均温度 2020 4 8 4 核科学与工程系 稳态热工设计概述 堆芯热工设计和回路设计的关系 合理选取二回路蒸汽压力和热交换器二次测的进口温度确定反应堆的总功率和反应堆冷却剂的出口温度尽量提高一
3、回路平均温度 提高热效率 减少热交换器换热面积 2020 4 8 5 核科学与工程系 稳态热工设计概述 堆芯热工设计和堆内结构设计的关系 热工水力学设计提出控制棒和其它堆内部件所需要的冷却流量要求入口腔室冷却剂流量的合理分配结构配合处允许冷却剂泄漏提供堆内部件的温度分布以进行应力分析确定总阻力系数 局部阻力系数等 2020 4 8 6 核科学与工程系 稳态热工设计概述 堆芯热工设计和燃料元件设计的关系 二氧化铀 二氧化钚作为燃料棒状或板装元件棒状原件 运行稳定 制造容易燃料元件几何尺寸 考虑传热特性和加工制造两个方面因素流道形状和通流面积 燃料棒排列方式和棒间距大小 直接影响冷却剂的流速分布
4、以及传热特性 临界热流密度定位件的设计影响传热性能和临界热流密度 2020 4 8 7 核科学与工程系 稳态热工设计概述 热工设计准则 在设计反应堆堆芯和冷却剂系统时 需预先设定热工设计准则该准则因堆型而异 包括 1 芯块最高温度低于熔化温度2 燃料元件外表面不发生临界沸腾 即热流密度低于临界热流密度 考虑最小临界热流密度比MCHFR qC qR 其中qC qR分别为临界热流密度和实际热流密度 MCHFR需被设计为 1 3不允许发生流动不稳定性 2020 4 8 8 核科学与工程系 堆芯热工设计参量的分析 冷却剂工作压力 提高冷却剂的出口温度 从而提高电站效率 因此需要提高运行压力冷却剂的出口
5、温度 出口温度越高 电站效率越高 同时需要考虑 1 锆合金工作温度不超过350摄氏度2 冷却机温度与燃料棒表面保证10 15摄氏度温差 以保证传热能力3 冷却剂出口温度应低于饱和温度20摄氏度左右冷却剂的进口温度进口温度越高 对于特定热功率条件和出口温度 平均温度越高 电站效率越高 但需要的流量增大 因而增大了主循环泵功耗 流速增大 传热系数增大 临界热流密度增大 但同时增大腐蚀和侵蚀 2020 4 8 9 核科学与工程系 堆芯热工设计参量的分析 冷却剂流量流量越高 主循环泵功率增大 管道和设备尺寸增大流量减小 冷却剂温升增大 传热系数减小 临界热流密度减小 平均温度下降 效率降低 2020
6、4 8 10 核科学与工程系 堆内功率分布不均匀性问题 影响因素 核方面 燃料分区装载 控制棒 结构材料 水隙和空泡工程方面 燃料元件和堆内构造的加工制造的机械偏差 冷却剂流量与设计值的偏差热通道和热点因子核热通道 积分输出功率最大的通道核热点 表面热流密度最大的点仅从核方面考虑 热通道可包含热点 只要保证热通道安全 则全堆安全均可保证核热通道因子FqN FRN FzN FLN F N FUNFRNFzNFLNF NFUN分别为径向 轴向 局部峰核热通道因子 以及方位角修正因子 核计算误差修正因子 2020 4 8 11 核科学与工程系 堆内功率分布不均匀 2020 4 8 12 核科学与工程
7、系 堆内功率分布不均匀 影响工程热通道因子的主要因素对于热流密度工程热点因子FqE 芯块直径 密度 裂变物质富集度 包壳外径等的加工误差焓升工程热通道因子F hE 1 加工误差2 冷却剂通道尺寸误差3 下腔室冷却剂流量分配不均4 并联热通道内冷却剂流量再分配5 相邻通道冷却剂搅浑 2020 4 8 13 核科学与工程系 堆内功率分布不均匀 热点因子对堆芯热工性能的影响及降低因子的方法1 当堆芯实际最大热流密度为定值时 热流密度热点因子 Fq 越小 平均热流密度就越大 总传热面积一定的情况下 降低Fq可以提高堆的输出热功率 2 Fq越小 功率分布均匀 堆芯较安全降低Fq的方法 1 展平功率分布
8、采用中子反射层 设置控制棒 可燃毒物 分区装载2 改善堆内冷却条件 使冷却剂流量与功率大小相匹配 2020 4 8 14 核科学与工程系 单通道模型的稳态热工设计 步骤和方法 用于热工初步方案的计算主要步骤 计算输出热功率确定燃料元件的形状 尺寸 栅距 排列方式等参数 并进一步确定总传热面积和元件总数目计算堆芯平均通道热工参量计算堆芯热通道热工参量 确定最小热流密度比 燃料中心最高温度 及包壳外表面最高温度等 确保符合热工设计准则 2020 4 8 15 核科学与工程系 单通道模型的稳态热工设计 平均通道内的热工参量计算 平均通道内的冷却剂质量流密度 其中 为旁流系数 等于旁通流量与总流量的比
9、值平均通道内冷却剂的轴向温度分布平均通道的压降 2020 4 8 16 核科学与工程系 单通道模型的稳态热工设计 热通道内的热工参量计算 热通道内冷却剂的轴向温度分布热通道的CHFR沿轴向的分布 如图所示 MCHFR 或DNBR 点出现在最大热流密度点和通道出口之间 2020 4 8 17 核科学与工程系 单通道模型的稳态热工设计 热通道内的热工参量计算 热通道内燃料元件温度沿轴向的分布分单相对流传热 欠热泡核沸腾传热 饱和泡核沸腾传热三种工况T cH z Tf H z Tf H z 其中T cH z Tf H z Tf H z 分别为燃料元件包壳外表面温度 热通道冷却剂温度和包壳外表面与冷却
10、剂之间的膜温差对于单相对流传热 欠热泡核沸腾ONB之前 膜温差对于泡核沸腾传热 ONB之后 Jenss Lottes公式 膜温差 z 为轴向均一化功率分布 2020 4 8 18 核科学与工程系 单通道模型的稳态热工设计 热通道内的热工参量计算 则 包壳内表面温度为 芯块表面温度为 芯块中心温度为 使用积分热导率的情况下 芯块中心温度为 2020 4 8 19 核科学与工程系 子通道分析模型 概述 模型包括多个互相连通 相互作用的平行通道 即子通道 比单通道中使用焓升工程热通道分因子在进行精确设计时更准确 效果更好 因为焓升工程热通道分因子虽然来源于实验测定 但通常较为保守 相邻子通道间存在冷
11、却剂横向的质量 动量和能量的交换或转移 即交混 列出所有通道的质量能量和动量的守恒方程 利用初始条件或边界条件迭代计算 2020 4 8 20 核科学与工程系 子通道分析模型 冷却剂的交混 产生效果 各通道内冷却剂温度趋于均匀相较于单通道模型 热通道内冷却及比焓和温度有所降低燃料元件温度和包壳热点温度下降临界热流密度和CHFR均提高 主要机理 湍流交混 湍流引起横流交混 横向压差存在引起流动扫掠 由于绕丝 肋片等结构间存在造成的定向强迫流动引起流动散射 由于定位格架 绕丝 肋片等部件产生的强迫扰动造成的无定向交混 2020 4 8 21 核科学与工程系 子通道分析模型 子通道流体力学方程 分一
12、维 三维两类 1 质量守恒方程 2 能量守恒方程 2020 4 8 22 核科学与工程系 子通道分析模型 子通道流体力学方程 3 轴向动量守恒方程 4 横向动量守恒方程 上述公式中 Wij为子通道i与相邻通道的横向流量 nj为和子通道i相邻的子通道数量 qL i为子通道i周围燃料棒向i传导的线功率 Lc为相邻子通道中心距离 cg为流体横向导热几何修正因子 h 为横向流携带比焓 W ij为湍流横向流量 u为流体轴向速度 u 为横向流携带轴向速度 为型阻系数 s l 0 5为横流几何参量 Fij为横流引起的压力损失 2020 4 8 23 核科学与工程系 子通道分析模型 核反应堆热工参量的选择 核
13、动力反应堆热工参量的选择 核电站成本包括燃料费 设备折旧费和运行管理费 上式中 Ct为总运行成本 Cf为燃料成本 Cd为设备折旧费 Cm为运行管理费 Pth t 为总热功率 Pe t为总电功率 R为热量利用率 SG为蒸汽发生器热量利用率 l汽轮机理想循环热效率 lT汽轮机内效率 M汽轮机机械效率 e发电机效率 Ppl核电站自耗功率 2020 4 8 24 核科学与工程系 子通道分析模型 降低核电站发电成本方法 提高循环效率 l途径提高一回路冷却剂压力 提高反应堆出口冷却剂温度提高冷却剂总流量 冷却剂进口温度提高 平均温度升高选定适当冷却剂工作温度 综合考虑上述因素 提高堆芯功率密度 减小堆芯体
14、积 减小设备尺寸和设备投资费用 增加燃料燃耗深度 减少燃料费用 减小厂用电 降低主循环泵耗电量 降低设备投资 2020 4 8 25 核科学与工程系 子通道分析模型 蒸汽发生器的工作条件 一次侧流体向一次侧管壁面的对流换热 一次侧管壁面到二次侧管壁面的热传导 二次侧管壁面到二次侧流体的对流换热 2020 4 8 26 核科学与工程系 子通道分析模型 核电站一二回路热工参量的关系 热平衡方程 蒸汽发生器方程 其中ASG为蒸汽发生器总传热面积 T12为一二次侧流体温差 K为总传热系数 冷却剂流量和工质流量间的关系 2020 4 8 27 核科学与工程系 子通道分析模型 核电站一二回路热工参量的关系 冷却剂和工质温度及相应压力间的关系 提高二次侧给水温度 二次侧平均温度升高 效率提高 但同时二次侧出口冷却剂温度需要降低 保持温升不变的情况下 提高一次侧冷却剂热工参量 用来在一次侧温降不变的情况下 提高二次侧温度 合理选择二次侧工质的平均温度 2020 4 8 28 核科学与工程系 感谢大家对本课的支持 预祝大家考试顺利 2020 4 8 29
