第五章 反应堆稳态热工设计原理

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第五章 反应堆稳态热工设计原理
5.1 引言
反应堆热工设计前初步确定的前提 （与各有关专业共同讨论初步确定）：5点； 1) 用途+特殊要求（尺寸、重量等限制）堆型+燃料+慢化剂 +冷却剂+结构材料； 2) 热功率和功率分布的不均匀系数、H/U比；（CPR: 1080MW / 36% =3000 MW=Nt；水铀比H/U原子比~3.9H2O/UO2体 积比~1.9） 3) 燃料元件形状、布置方式、栅距及变化范围； 4) 二回路热工参数(PWB(大亚湾I期): ps=15.5MPa(Tsat=344.7C), Tin=296.4C, Tout=327.6, Taverage=310C.)；CPR: ps=15.5 MPa, Tin=292.4 C, Tout=329.8 C; 5) 冷却剂流过堆芯流程及入口流量分配情况
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第五章 反应堆稳态热工设计原理
主要内容 5.1 引言 5.2 反应堆热工设计准则 5.3 热管因子和热点因子 5.4 临界热流密度和最小DNBR 5.5 单通道模型反应堆热工设计的一般步骤 5.6 子通道模型概述
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 在实际计算中，要考虑堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周围反 射层的影响，还要考虑堆芯设计中应用R-Z座标计算时方位角的 影响，以及核计算不准确性引起的误差 FqN=FRNFLNFNFZNFUN FLN控制棒局等部因素造成的局部峰核热点因子，与堆的具体结构 （控制棒、燃料元件等的形式及其布置情况）有关； FN:方位角修正因子； FUN：核计算误差修正系数； 由于：qv,max/qv,a=qw,max/qw,a=ql,max/ql,a=FqN 可得 qv,max=qv,aFqN ql,max=ql,aFqN 堆芯燃料元件平均线功率：ql,a=NtFu/(nL) Fu: 燃料中释热份额
Fq
N
2.405 3.64 2 J1 (2.405) 2
上面的假设和计算方法对其他形状的堆芯也同样适用
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义
不同堆芯的FqN
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 确定堆芯平均参数容易，但堆芯功率受最恶劣的局部热工参数 值限制； 为了衡量有关热工参数的最大值偏离平均值（名义值）的程 度，引入一个修正因子热管因子/热点因子 用热工/物理上 的最大值与平均值之比表示； Toarneau and Grmble 最先提出热管热点概念，虽然应用有所 不同，但概念仍是动力堆设计的基础； 堆芯中子通量分布不均匀热功率分布不均匀；
q
q
R
Z
其中
FqN也可表示为 FLN：局部峰核热点因子
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义
圆柱形堆芯 + 燃料均匀装载 热流量与中子通道成正比
Fq
N
堆芯最大热中子通量 0 堆芯平均热中子通量
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5.1 引言
反应堆热工设计任务： 设计一个既安全可靠又经济的堆芯输热系统； 输热系统：中间枢纽核能其它形式的能量反应堆热工设计在 整个反应堆设计中极重要 反应堆热工设计涉及面很广： 堆物理、结构学、材料学、控制、－二回路设计 反应堆热工设计要解决的具体问题: 在堆型和进行热工设计所必需的条件已定的前提下，通过一系列的 热工水力计算和一、二回路热工热参数最优选择，确定在额定功率 下为满足反应堆安全要求所必需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、压力等，使堆 芯在热工方面有较高的技术经济指标
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5.2 反应堆热工设计准则
目前压水堆稳态工况设计准则: 1) 燃料元件外表面不充许发生沸腾临界；DNBR(Departure from Nucleate Boiling Ratio)定义=计算CHF/实际qw； MDNBR/最小临界沸腾热流密度比: 堆芯内DNBR的最小值，不 应低于某一规定值； 2) 燃料元件芯块内最高温度(中心温度)To,max < 相应燃耗下熔化 温度；To,max=2200~2450C无辐照：2800，通常的燃耗深入下 小于2650）; 3) 稳态额定工况下，要求在计算的最大热功率下不发生流动不稳 定； 压水堆最热通道出口附近x低于一定值保证稳定； 4) 正常运行燃料元件和堆内结构具有充分冷却能力； 事故工况有足够的冷却能力以排出堆内余热
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 工程上误差热流、流量、焓升、tcs等偏离名义值定量分析焓 升工程热管因子、热流量工程热点因子； 热流量工程热点因子FqE=堆芯热点最大qw/名义最大 焓升工程热管因子FΔHE=堆芯热管最大焓升/名义最大焓升 =hh,max/hn,max; 定量分析由工程因素引起的热工参数偏离名义值的程度； 综合考虑核和工程的影响： 热流量热点因子： Fq=FqNFqE=qn,max/qw,a qh,max/qn,max=qh,max/qw,a 焓升热管因子FΔH: FH= FH N FHE=hn,max/ha hh,max/hn,max=hh,max/h,a
堆芯平均热中子可表示为
1
R 2 LR

0
R

LR 2 LR 2
(r , z )(2r )drdz
带入得到 积分得到

r z cos (2r ))drdz Re LRe LR 2.405 R 2RRe J1 ( ) 2 LRe sin( ) Re 2 LRe 20 R LR 2.405 1
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 热管和热点的定义及应用是随反应堆的设计、制造、运行经验 积累和计算模型及计算工具的发展而发展； 早期设计的反应堆，燃料富集度相同，通道入口流量、温度相 同堆芯中积分功率输出最大的燃料元件冷却剂通道必然就是 热管； 为了保证安全，物理和热工设计中保守地将热点也位于热管内 ，即热管包含了热点，同时认为FRN沿轴向不变，以及轴向归一 化功率分布(Z)与堆芯冷却剂轴向功率分布相同，与径向无关； 根据前面的定义：热管和热点肯定是堆内最热的；不同再对 其它通道和元件计算计算就可以保证安全； 为了定量地表征热管和热点的工作条件：热管因子和热点因子
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 不考虑其它因素的影响（堆芯进口冷却剂流量分配不均匀，燃 料元件的尺寸、性能等在加工、安装、运行中的工程因素造成 的偏差），单纯从核的原因来看，堆芯内就存在着某一积分功 率(对线功率积分)输出最大的燃料元件冷却剂通道热管/热通 道； 堆芯内还存在着某一燃料元件表面qw最大的点，这种点通常就 称为热点热点； 热管和热点对确定堆芯功率的输出量起着决定性的作用。 反应堆早期单从核方面考虑的定义
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5.2 反应堆热工设计准则
反应堆冷却系统包括两方面：安全+可靠； 安全可靠的划分： 影响运行人员和周围居民生命、健康安全范畴； 不影响……较小的事故可靠范畴， 如存在少量放射性物质 进入到冷却系统中，但在净化能力范围内。 堆内个别/少量元件包壳缺陷(微小裂隙)少量放射性泄入冷却 剂中在净化能力内可靠
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5.1 引言
从热工方面考虑： 对燃料元件的要求： H2O/U=const相同堆芯体积布置更多元件传热面积 堆芯功率密度 qv，或在qv=const时ql tcs + MDNBR 。 栅距P：流速选择问题； 热工P vf hcool H2O/U + 定位性能 + 振动、锓蚀； 元件尺寸： 热工d A qv + 元件最高温度； 物理A 对中子的吸收； 结构 d 加工困难，成本增加，稳定、变形、振动； 选择尺寸 尽量使芯块中心温度裕量和MDNBR匹配。 最后，热工和物理设计方面有关参数需要调试达到即能实现又经济 的方案 热工设计本身：以热工水力实验为依据，验证和数据、公式以及模型 的正确性，据此修正结果； 充分利用新材料、新工艺、新技术堆芯设计先进
5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义
于是有：
Fq
N
0 LR 2.405R 2 R J ( 2.405R ) 2 L sin( LR ) e 1 Re 2 LRe Re
对于裸堆，R/Re和LR/LRe均取为1。对于大型动力堆，作为粗略的近似可 取R≈Re， LR ≈ LRe ，则上式可以改写成：
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义 随着堆设计、建造、运行验验积累、计算模型发展、实验技术提高 、测量仪表改进实际计算得到较精确的热管、热点位置和参数； 目前：子通道分析模型，对大量冷却剂通道进行计算由核计算提 供堆芯三维功率分布； 计算得到真正的热管位置及热工参数，to(z), tcs(z)，它们不一定 位于热管内； 保证安全+提高技术经济性核动力经济性；但工作量大，初步 计算仍用单通道模型； 为了与工程因子区分，把由核方面单独确定的热流密度核热点因子 和焓升核热管因子改写为： FqN=堆芯名义堆芯最大热流密度/堆芯平均热流密度=qn,max/qa; FΔHN=堆芯名义最大焓升/堆芯平均管焓升＝hn,max/ha； 所考虑到的参数与工程因素无关
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5.3 热管因子和热点因子
5.3.1热管因子和热点因子的定义
不考虑堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周围反射层的影响，堆芯功率 分布不均匀程度用热流量（热流密度）核热点因子FqN表示（早期，人为 把热点位于热管内，也称热流量核热管因子）。 q 即： F N max F N F N
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5.2 反应堆热工设计准则
反应堆冷却系统设计保证安全可靠不同堆不同预先规定热工设 计要求即热工设计准则保证堆在寿期内稳态/预期的事故工况下 热工参数满足设计准则； 设计准则内容=f(堆型、科学技术、运行以经验、材料、加工工艺); 早期压水动力堆不允许过冷沸腾； 近期压水动力堆设计允许，且在最热通道内可发生饱和沸腾提 高冷却剂出口温度提高电厂热效率
R 2 LR

0
R

LR 2 LR 2
0 J 0 (2.405R
整理得
0 LR 2.405R 2 2 RR J ( 2.405R ) 2 L sin( LR ) Re e 1 2 LRe Re
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