核反应堆热工水力课程设计

一、设计要求

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。

5.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大的点，通过这个点来确定DNBR。

二、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，已知下列参数：系统压力P 15.8M P a 堆芯输出热功率N t1820M W 冷却剂总流量W32500t/h 反应堆进口温度t f i n287℃堆芯高度L 3.60m 燃料组件数m121燃料组件形式n0×n017×17每个组件燃料棒数n265燃料包壳外径d c s9.5m m 燃料包壳内径d c i8.6m m 燃料包壳厚度δc0.57m m 燃料芯块直径d u8.19m m 燃料棒间距（栅距）s12.6m m 两个组件间的水隙δ0.8m m UO2芯块密度ρUO2 95%理论密度旁流系数ζ5%燃料元件发热占总发热份额F a97.4%径向核热管因子F R N 1.33轴向核热管因子F Z N 1.520

热流量核热点因子F q N F R N F Z N 2.022热流量工程热点因子F q E 1.03焓升工程热点因子FΔH E未计入交混因子) 1.142

交混因子FΔH·m

E0.95焓升核热管因子FΔH N F R N 1.085堆芯进口局部阻力系数K i n0.75堆芯出口局部阻力系数K o u t 1.0堆芯定位格架阻力系数K g r 1.05

若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：

通过计算，得出：

1. 堆芯流体出口温度；

2. 燃料棒表面平均热流密度以及最大热流密度，平均线功率，最大线功率；

3. 热管内的流体温度（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. 计算堆芯压降

三、设计正文（详细的计算过程、计算结果及分析）

1.计算过程

1.1堆芯流体出口温度（平均管）

t f,out=t f,in+

F a∙N t

W∙(1−ζ)∙C p̅̅̅

C p̅̅̅按流体平均温度t f̅=12(t f,in+t f,out)以及压力由表中查得。假设t f,out=330℃，查表得C p̅̅̅=5.610kJ/(kg∙℃)

经过输入所查C p̅̅̅程序不断迭代得t f,out=323.9℃误差小于0.5℃。

如需更精确的值，可以继续进行迭代计算。

1.2燃料表面平均热流密度q̅

q̅=F a∙N t/F

总

式中F

总

为堆芯燃料棒的总传热面积

F

总

=m∙n∙π∙d cs∙L

代入数据得

F

总

=121×265×π×9.5×10−3×3.60=3443.40 m2

q̅=97.4%×1820×106

3443.40

=5.29×105 W/m2

燃料棒表面最大热流密度q max

q max=q̅∙F q N∙F q E

代入数据得

q max=5.29×105×2.022×1.03=1.10×106 W/m2

燃料棒平均线功率q l̅

q l̅=q̅π∙d cs∙L

L

=q̅∙π∙d cs

代入数据得

q l̅=5.29×105×π×9.5×10−3=1.57×104 W/m

燃料棒最大线功率q l,max

q l,max=q l̅∙F q N∙F q E

代入数据得

q l,max=q l̅∙F q N∙F q E=1.57×104×2.022×1.03=3.26×104 W/m

1.3平均管的情况

平均管的流速V

V=W(1−ζ)

t f

式中A t堆芯内总流通面积

A t=m∙(n0×n0)[s2−π

d cs2]+m[4(n0∙s×

δ

)]

n0为燃料组件内正方形排列时的每一排（列）的燃料元件数ρf̅̅̅由压力以及流体的平均温度t f̅查表得到:

ρf̅̅̅=1 v f

由1.1知t f̅=323.9+287

2

=305.5℃，查表得v f= 0.001397680614m3/kg

ρf̅̅̅=

1

0.001397680614

=715.471 kg/m3

A t=121×(17×17)×[(12.6×10−3)2−π

4

×(9.5×10−3)2]

+121×(4×17×12.6×10−3×0.8×10−3

2

)=3.11 m2

V =

32500×(1−5%)

3.11×715.471×3.6

=3.85 m/s

1.4为简化计算起见，假定热管内的流体流速V h 和平均管的V 相同。 同样，热管四根燃料元件组成的单元通道内的流量

W b =W(1−ζ)A t

A b

A b =s 2

−π4

d cs 2

代入数据得

A b =(12.6×10−3)2−

π

4

(9.5×10−3)2=0.88×10−4 m 2 W b =32500×（1−5%）3.11

×0.88×10−4=0.87 t/ℎ

1.5热管中的计算（按一个单元通道计算） （1）热管中的流体温度

t f (z)=t f,in +q ̅∙F R N

∙F ΔH E ∙F ΔH∙m E πd cs b p ∫φ(z)dz z

t f (z)=287+5.29×105×1.35×1.142×0.95π×9.5×10−30.87×10003600

∙C p

∫φ(z )dz

z

0=287+9.56×104C p ∫φ(z )dz z

其中C p 取平均温度对应的参数值，需要进行迭代计算， 下面给出第一控制体出口处温度的算法

假设t f (L

6)=300℃,查表得C p =5.3348 kJ/(kg ∙℃),带入上式

t f (L 6)=287+9.56×1045.3348×1000×0.8×3.60

6

=291.6 ℃ 与假设误差较大，进行迭代，查表知C p =5.222 kJ/(kg ∙℃)

t f (L 6)=287+9.56×1045.222×1000×0.8×3.663

=291.69 ℃ 误差|291.60−291.69|<0.5℃，可以不再进行迭代，就取t f (L

6)=291.69 ℃ 同理由程序迭代可求得

第二控制体出口处流体温度t f (2L

6)=301.38 ℃