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1、热工水力课程设计学号：专业：核工程与核技术 指导老师：1、热工水力设计概述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 在一般事故工况下堆芯不会遭到破坏，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围环境中去。要使反应堆 安全，对于堆芯设计的要求有：1 堆芯功率分布应尽量均匀，以便 使堆芯铀最大的功率输出 2 尽量减少堆内不必要的中子吸收材 料，以提高中子经济性 3 有最佳的冷却剂流量分配和最小的流 动 阻力。反应堆热
2、工设计的涉及面很广，它不但与反应堆本体的其 他方面诸如堆物理、堆结构、堆材料和堆控制等的设计有关，而 且还和一、二回路系统的设计有着密切的联系。反应堆热工设计所 要解决的具体问题，就是要在堆型和进行热工所必须的条件已定 的前提下，通过一系列的热工水力计算和一、二回路热工参数最优选择，确定在额定功率下为满足反 应堆安全要求所必须的堆芯燃料元件的总传热面积、燃料元件的 几何尺寸以及冷却剂的流速（流量）、温度和压力等，使堆芯在 热工方面具有较高的技术经济指标。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
3、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 围；（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口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，反应堆在整个运行寿期内，不论是处于 稳态工况，还是处于预期的事故工况，它的热工参数都必须满足 这个热工设计准则。堆的热工设计准则，不但是堆的热工设计依 据，而且也是安
4、全保护系统设计的原始条件；除此之外，它还是 制定安全运行规程的出发点。热工设计准则的内容，不但随堆型 而不同，而且随着科学技术的发展、堆设计与运行经验的积累以 及堆用材料性能和加工工艺的改进而变化。以压水动力堆为例， 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；在事故 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（
5、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大的点，通过这个点来确定 DNBR2、设计目的通过本课程设计，达到以下目的：1、深入理解压水堆热工设计准则；2、深入理解単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、掌握堆芯焓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
6、度,燃料元件平均热流密度（热通量）,最大热流密 度,冷却剂平均流速,冷却剂出口温度等；5、通过本课程设计,掌握压水堆热工校核的具体工具；6、掌握压降的计算；7、掌握单相及沸腾时的传热计算。3、设计任务某压水反应堆的冷却剂和慢化剂都是水，用二 氧化铀作燃料，Zr-4作燃料包壳材料。燃料组件无盒壁，燃料元 件为棒状，正方形排列，已知以下参数：系统压力P15、8MPa堆芯输出个功率Nt 1820MW冷却剂总流量W32100t/h 反应堆进口温度fin287C堆芯髙度L3、66m燃料组件数m121燃料 组件形式nO x n017 x17每个组件燃料棒数n265燃料包壳外径 dcs9、5mm燃料包壳内径
7、dci8、60mm燃料包壳厚度8 c 0、57mm 燃料芯块直径du8、19mm燃料棒间距（栅距）s12、6mm两个组件间的水隙8 0、8mmUO2芯块密度95%理论 密度旁流系数5%燃料元件发热占总发热的份额Fa97、4%径向热管因子1、35轴向热管因子1、528局部峰核热 管因子1、11热流量核热点因子2、29流量工程热点因子1、03 焓升工程热管因子（未计入交混因子）1、085交混因子 0、95焓 升核热管因子1、35堆芯入口局部阻力系数Kin 0、75堆芯出口 局部阻力系数Kout1、0堆芯定位隔架局部阻力系数Kgr1、05将 堆芯自下而上分为3个控制体，其轴向归一化功率分布见下表：
8、表一 堆芯归一化功率分布（轴向等分3个控制体）自下而上控制 体123归一化功率分布0、801、500、70通过计算，得出：1、堆芯流体出口温度；2、燃料棒表面平均热量密度以及最大热量密度，平均线功 率，最大线功率；3、管内的流体温度（或焓）、包壳表面温度、芯块中心温度 随轴向的分布；4、包壳表面最高温度，芯块中心最高温度；5、DNBR在轴向上的变化；6、计算芯块压降。四、热工设计的作用 热工设计在整个反应堆设计过程中，起 主导作用和桥梁作用5、热工设计的方法 单通道模型：是热工水力设计中所采用 的一种比较简单的模型。用单通道模型编制的计算机程序在设计 时通常采用二根通道：一根为名义通道，它的所
9、有参数均为名义 值，另一根为热通道，将所有不利因子均加在热通道上，它是堆 芯的极限通道。通道之间不考虑质量、能量和动量交换，最多只 能考虑热通道中因阻力增大而使其流量再分配和因交混效应而使 热通道中冷却剂焓值下降两种机理。6、计算过程、计算结果及分析（一）计算过程1、堆芯流体出口温度（平均管）C按流体平均温度以及压 力由表中查得。2、燃料表面平均热流密度 W/m2 式中为堆芯燃料棒的总传热 面积m2燃料棒表面最大热流密度qmax w/m2燃料棒平均线功率 W/m燃料棒最大线功率w/m3、平均管的情况 平均管的流速V m/s式中，堆芯内总流通 面积nO为燃料组件内正方形排列时的每一排(列)的燃料
10、元件数 由压力以及流体的平均温度查表得到：4、为简化计算起见，假定热管内的流体流速Vh和平均管的 V相同。(实际上，应该按照压降相等来求。热管内的流体流速要 小一些)。则Vh二V同样，热管四根燃料元件组成的单元通道内的 流量5、热管中的计算(按一个单元通道计算)(1)热管中的流 体温度 (2)第一个控制体出口处的包壳外壁温度 式中：h(z)可以用来 求。所以， 式中：流体的k(z)、u(z)和Pr数根据流体的压力好温度由表查 得。(k二入传热系数)如果流体已经达到过冷沸腾，用Jens- Lottes 公式：当时，用前面的式子当时，用(3)第一个控制体出口处的包壳内壁温度 式中：Zr-4的W/m
11、、C (4)第一个控制体出口处的U02芯块外表面温度(5)第一个控制体出口处的U02芯块中心温度用积分热导求解的 方法，即其他2个控制体的计算方法相同，重复上述过程即可。6、热管中的用w-3公式计算，同样对3个控制体都算7、DNBR的计算8、计算热管中的压降9、单相流体的摩擦压降 式中： 单相流体加速压降：单相流体提升压降：局部压降，出口：进口：定位格架出口压降：其中，比容v按相应的流体压力 和温度，由表查得。（2） 计算结果1、流体堆芯出口温度=322、8410； 2、堆芯内燃料棒的总传热面积=3、m2 ； 3、 燃料棒表面平均热流密度=5、0611e+005w/； 4、燃料棒表面最大 热流
12、密度=1、0753e+006w/； 5、燃料棒平均线功率=1、5105e+004 w/m； 6、燃料棒最大线功率=3、2093e+004 w/m； 7、热管平均温 度=304、92057、堆芯内总流通面积=2、m2； 8、平均管流速V=4、 2984m/s； 9、单元通道内流量=0、Kg/s；10、单元通道面积=0、m211、第一控制体出口流体温度（L1） =294、2464C；12、第一控制体出口处的包壳外壁温（L1） =313、0159C；13、第一控制体出口处的包壳内壁温（L1）=318、5447C；14、第一控制体出口处的芯块外表面温度（L1） =430、7499C；15、第一控制体出
13、口处的芯块中心温度（L1）=758、1536C；16、热管中的（L1）=5、6045e+006w/；17、DNBR（L1）=9、954718、第二控制体出口流体温度（L2） =307、2239C；19、第二控制体出口处的包壳外壁温（L2） =341、5471C；20、第二控制体出口处的包壳内壁温（L2）=351、6197C；21、第二控制体出口处的芯块外表面温度（L2） =561、9783C；22、第二控制体出口处的芯块中心温度（L2）=1367、7C；23、热管中的（L2）=5、1188e+006 w/；24、DNBR（L2）=4、849125、第三控制体出口流体温度（L3） =313、03
14、65C；26、第三控制体出口处的包壳外壁温（L3） =328、5267C；27、第三控制体出口处的包壳内壁温（L3）=333、2888C；28、第三控制体出口处的芯块外表面温度（L3） =431、4684C；29、第三控制体出口处的芯块中心温度(L3)=595、5546C；30、热管中的(L3)=4、3427e+006w/；31、DNBR(L3)=8、815632、单相流体的摩擦压降=2、1877e+004 Pa33、单相流体加速压降=0 Pa34、单相流体提升压降=2、5718e+004 Pa35、堆芯出口局部压降=6、9616e+003 Pa36、堆芯进口局部压降=4、3900e+003
15、Pa37、定位格架出口压降=6、7279e+003 Pa38、总的压降=6、5674e+004 Pa(三)计算结果分析 计算结果误差分析：由于采用的是W-3 公式，且该设计中的给出参数与该公式的适用范围有些偏差，且 在计算物性时粗糙地采用了线性插值的方法，更是带来了较大误 差。但是其算出的结果还是能客观反映出热管中各量的变化趋势 的。表2临界热流与烧毁比的汇总表项目临界热流10飞w/m2DNBRlL5、 60459、95472L5、11884、84913L4、34278、8156表2 各温度的汇总表项目控制体出口温度包壳外表 面温度包壳内表面温度芯块表面温度芯块中心温度1L294、2464313、0159318、5447430、7499758、15362L307、2239341、5471351、6197561、97831367、73L313、0365328、5267333、2888431、4684595、5546热管的焓、包壳表面温度、芯块中心温度隋轴向的 分布如下计算得到 包壳外表面壳最高温度346、C x=l、83m包壳内表面最髙温度349C x=l、83m燃 料中心最高温度1491、1C x=1、83m 最小
