课程设计报告名 称：核反应堆热工分析课程设计题 冃：利川单通道模型进行反应堆稳态热工设计 院 系: 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成 绩： 日期：2014年6月25日一、课程设计的目的与要求反应堆热工设计的任务就是要设计一个既安全可靠又经济的堆芯输热系统对于反应堆热工设计，尤 其是对动力堆，最基本的要求是安全要求在整个寿期内能够长期稳定运行，并能适应启动、功率调节和 停堆等功率变化，要保证在一般事故工况卞堆芯不会遭到破坏，甚至在最严重的工况下，也要保证堆芯的 放射性物质不扩散到周闱环境中去在进行反应堆热工设计之前，首先要了解并确定的前提为：（1） 根据所设计堆的用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）选定堆型，确定所用的核燃料、冷 却剂、慢化剂和结构材料等的种类；（2） 反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许的变化范围；（3） 燃料元件的形状、它在堆芯内的分布方式以及栅距允许变化的范怡I;（4） 二回路对一回路冷却剂热工参数的要求；（5） 冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进I I处冷却剂流量的分配情况在设计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可靠，针对不同的堆型，预先规定了热工设计必 须遵守的要求，这些要求通常就称为堆的热工设计准则。
目前压水动力堆设计中所规定的稳态热工设计准 则，一般有以下几点：（1） 燃料元件芯块内最高应低于其他相应燃耗下的熔化温度：（2） 燃料元件外表面不允许发生沸腾临界；（3） 必须保证正常运行工况下燃料元件和堆内构件得到充分冷却：在爭故工况下能提供足够的冷却 剂以排除堆芯余热；（4） 在稳态额定工况和可预计的瞬态运行工况中，不发生流动不稳定性在热工设计中，通常是通过平均通道（平均管）可以估算堆芯的总功率，而热通道（热管）则是堆芯 中轴向功率最高的通道，通过它确定堆芯功率的上限，热点是堆芯中温度最高的点，代表堆芯热量密度最 人的点，通过这个点来确定DNBRo热工课程设计主要是为了培养学生综合运用反应堆热工分析课程和其它先修课程的理论和实际知识， 树立正确的设计思想，培养分析和解决实际问题的能力通过本课程设计，达到以下目的：1、 深入理解压水堆热工设计准则：2、 深入理解单通道模型的基本概念、基本原理包括了平均通道（平均管）、热通道（热管）、热点 等在反应堆设计中的应用；3、 掌握堆芯熔场的计算并求出体现在反应堆安全性的主要参数：烧毁比DNBR,最小烧毁比MDNBR, 燃料元件中心温度及其最高温度，包壳表面温度及其最高温度等；4、 求出体现反应堆先进性的主要参数：堆芯流量功率比，堆芯功率密度，燃料元件平均热流密度（热 通量），最人热流密度，冷却剂平均流速，冷却剂出丨1温度等；5、 掌握压降的计算；6、 掌握单相及沸腾时的传热计算。
7、理解单通道模型的编程方法课程设计的考核方式：1、报告一份；2、计算程序及说明一份：3、答辩二、设计任务（设计题目）已知压水反应堆的热功率N,=1933Mw；燃料元件包壳外径dcs = 95mm ,包壳内径 < • = 8.36m，芯块直径d“ = 8.19/77/77 ；燃料组件采用17x17正方形排列，共145组燃料组件；每 个组件内有24个控制棒套管和一个中子通量测量管;燃料棒中心间栅距P = 13mm,组件间水隙戈,=1加加 系统工作压力p=i5.5iMPa,冷却剂平均温度L = 300.3°C，堆芯冷却剂平均温升厶t = 24.3°C :冷 却剂旁流系数$ = 6%；冷却剂设计总流量9194Kg/s, Fq =2.6,码 =1.65; DNBR二1.23;又设燃料 元件内释热份额占总释热量的97. 4%；堆芯高度取L=3. 6576 m；并近似认为燃料元件表面最犬热流密度、 元件表面最高温度和元件中心最高温度都发生在元件半高度处；已知元件包壳的热导率 kc = 0.00547（1.8： + 32） + 13.8[W /（加・°C）]试用单通道模型求燃料元件中心温度三、设计正文（详细的计算过程、计算结果及分析）1.基本参数的确定：根据冷却剂的平均温度^=300.3°C，堆芯冷却剂平均温升A/ = 24.3°C知:tf, in + tf, ex"= 2 =300・3°C△t = tf，+ tMx=24 (1)求得出丨I温度为m=312.45，C,入I I温度为Z” =288.15°C。
系统工作压力p=15.51MPa,入I I比焰为/“"=1274.49kJ,/kg,冷却剂平均温度加=3OO.3°C条件下, 比容 “ =0.0013776m •计算最大热流密度 堆芯燃料棒数目：N=145*（17*17-20.1）=382801933x106x97.4%^x9.5x!0'3x3.6576x38280 /kg,密度1/ V、=725.90kg/m 3 ,动力粘度17 = /$ ,普朗克数q=平均热流密度为(2)= 0.45W/〃Fpr = 0.8598 热与率 k = 561.9127 *10'3w/(//?• °C)qmax = c[Fq = 0.45 x 2.6 = 1.17MW / nrGm = dgQNBR = 1 ・ 17 x 1.23 = 1 ・44M W/ nV一般取临界热流密度上限为2・80MW/〃7‘，显然满足要求3 •求堆芯等效直径Q”“45x7^(5)= q 龙/4式中：T为正方形组件每边长设燃料组件无盒壁，考虑到装卸料的要求，组件间的水隙取为1.0mm,即相邻组件的燃料棒中心距为13+l=14nun,故得T2= (17x13x!0'3+2x0.5x10"3 ) ‘=0・05〃厂将T2代入式中得°”D"=3・016m4 •求热管半高处水的焙值h r = 1274 49查表并计算得 kJ/kg,则得到半高度处的焰值为=1274.49 xlO3 +1933 xlO6xl.65xl.O82x9194x(1-6%)(6)= 1473 .IS kJ/kg由工作压力的焰温转换关系得4)2 =323・36°C5 •热管半高度处的冷却剂流速热管内冷却剂流速(或质量流速)的精确计算可按教科书中介绍的方法求解，也可按热管与平均管压降相等的原则进行迭代求解。
作为例子，为简化计算，取热管半高处冷却剂流速近似等于平均管半高处的 流速，则V =——PZ式中：£为堆芯燃料元件周围的冷却剂总有效流通面积，单位为卅,/为冷却剂平均温度下的密度, 单位为kghn'人应由两部分组成：一部分是组件内燃料元件棒之间冷却剂的流通面枳；另一部分是组件间水隙的横截面积，因为流过这个水隙的冷却剂是冷却燃料组件最外面 一排燃料元件的，所以它也属于有效冷却剂的流通面积因此有A = N[P2 ~^d;s] + /?[4X1 IPS]式中组件的水隙宽度O.OOlnioA =145x264x[(13x10~3)2 --x(0.0095)2]+145 x[4x17 x13x 10 3 x0 001 ]错误味指定书签4=3.884ni2 (8)于是W” 9194x(1-6%)Ph = 3・884x 726.11=3.06ni/s6 •计算热管半高处燃料元件表面与冷却剂间的对流放热系数h其中2为当量直径rr jr4[P2 --d；s] 4[(1 3x10"3)2--x(9.5x10"3)2]De = = ； = 13.15ni/?7龙 x9・5xl(r(9)系统工作压力 p=15.51MPa, 7 2 =323.36°C，动力粘度 v = 0.1178x10^^/5 ,普朗克数 2=0.9728, 热导率 K = 513.6847 x 10 *3 w /(〃? • °C)所以3.06x13.15xl0"30.1178 xlO'6= 3.416x1()5=0.023/?£os^°4=0.023x (3.146xl05)°8 x O.972804 = 607.77(10)(11)在所给的条件下,水的热导20.547W/加则Nuk607.77x513.6847xW3lTB= 23.74xl03VV/(,w2e°C)(12)7 •计算燃料元件表面的最高温度o.maxL亍错误!未指定书签。
13）错误沬指定书签0.45x106x2,623.74x10’=49.2839 C(14)沟占）"25筹）fp（若）一占= 344.84 + 25x(晋尸珂(守)「2W6K)8 °(15)由此知得故J,m^=323・36+23.6108=346.97 °C8 •求燃料元件包壳内表面最人温度c/.max—心+现(16)(17)£ =0.00547 (1.8x5+32) +13.8=0.00547( 1・8><错误!未指定书签375+32) +13.8=17.66W/(m • *C)因而卫(£ =矗巧迟乜=13.43xl(rx0.57xl0-3x2.6 =酣 口乙"2 . d £ + d • 1 q “ / 9.5 + &36、KM———) 17.66 x zrx ( )r v 2 7 2x1000故得=346.97+40.17 = 387.14 C346.97 + 387" = 367.05°匚-T >5°C误差比较人，需要继续迭代，多次迭代后，结果为r=367.13°C k =17.5899 [IV/(w?-°C)] A <9 =40.3330 °C ^max = 387.3030°CC 9 9 ，‘所以燃料包壳内表面的最高温度为= 387.3030°C9 •燃料芯块表面最高温度Sex(19)式中是包壳与芯块间的气隙等效传热系数，取h严678[W/叶©]△&4可尸； 13.43x103 x 2.6 —’°/ "d 八=—,8.36 + 8.19、= 23661 C忙兀( -))678x 龙x( )A 2 2x1000f" = 378.3030 + 236.61 = 623.91 °C10 •计算燃料芯块的中心最高温度由于在芯块中温度变化较人，热导率变化较人，需采用积分热导率方法进行求解，即=错误!未指定书签。
35.88+27.79=63.7W/cm (20)故查表3-7得错误!未指定书签四、课程设计总结或结论根据单通道模型计算堆芯最高温度为1621 远低于熔点，且按W-3公式计算结果不发生沸腾临界此时鉴于参数的裕度很大，可以考虑提高堆芯功率按照上述两个准则，计算表明堆芯功率可以提高本次设计最人的收获除了对反应堆热工的具体任务有了根深一步的了解，还有就是对第一次用公式 编辑器编辑这么多公式啊，终于知道教科书上的那些东西是怎么搞出来的了，也终于知道了编书人们的辛 苦了掌握了这项技能后，以后的学习中就更加得心应手了还有就是利用matlab程序进行编程求解人 人缩短了求解的时间附录(设计流程图、程序、表格、数据等)序号参数名称结果1系统压力P15.51MPa2堆芯输出功率Nt1933Mw3冷却剂总流量w9194kg/s4堆芯高度L3. 6576m5燃料组件数1456燃料组件形式17*177每个组件燃料。