核反应堆热工分析专业课程设计方案报告书详细过程版本.doc

课程设计报告( 20 13 - 年度第 二 学期)名 称： 核反映堆热工分析课程设计 题 目：运用单通道模型进行反映堆稳态热工设计院 系：核科学与工程学院 班 级： 实践核1101班 学 号： 学生姓名：蒋佳 指引教师：王胜飞 设计周数：1周 成 绩： 日期： 年 6 月 19 日一、课程设计目与规定反映堆热工设计任务就是要设计一种既安全可靠又经济堆芯输热系统。对于反映堆热工设计，特别是对动力堆，最基本规定是安全。规定在整个寿期内可以长期稳定运营，并能适应启动、功率调节和停堆等功率变化，要保证在普通事故工况下堆芯不会遭到破坏，甚至在最严重工况下，也要保证堆芯放射性物质不扩散到周边环境中去。在进行反映堆热工设计之前，一方面要理解并拟定前提为：（1）依照所设计堆用途和特殊规定（如尺寸、重量等限制）选定堆型，拟定所用核燃料、冷却剂、慢化剂和构造材料等种类；（2）反映堆热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比容许变化范畴；（3）燃料元件形状、它在堆芯内分布方式以及栅距容许变化范畴；（4）二回路对一回路冷却剂热工参数规定；（5）冷却剂流过堆芯流程以及堆芯进口处冷却剂流量分派状况。在设计反映堆冷却系统时，为了保证反映堆运营安全可靠，针对不同堆型，预先规定了热工设计必要遵守规定，这些规定普通就称为堆热工设计准则。当前压水动力堆设计中所规定稳态热工设计准则，普通有如下几点：（1）燃料元件芯块内最高应低于其她相应燃耗下熔化温度；（2）燃料元件外表面不容许发生沸腾临界；（3）必要保证正常运营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冷却剂以排除堆芯余热；（4）在稳态额定工况和可预测瞬态运营工况中，不发生流动不稳定性。在热工设计中，普通是通过平均通道（平均管）可以估算堆芯总功率，而热通道（热管）则是堆芯中轴向功率最高通道，通过它拟定堆芯功率上限，热点是堆芯中温度最高点，代表堆芯热量密度最大点，通过这个点来拟定DNBR。热工课程设计重要是为了培养学生综合运用反映堆热工分析课程和其他先修课程理论和实际知识，树立对的设计思想，培养分析和解决实际问题能力。通过本课程设计，达到如下目：1、进一步理解压水堆热工设计准则；2、进一步理解单通道模型基本概念、基本原理。涉及了平均通道（平均管）、热通道（热管）、热点等在反映堆设计中应用；3、掌握堆芯焓场计算并求出体当前反映堆安全性重要参数：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、求出体现反映堆先进性重要参数：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），最大热流密度，冷却剂平均流速，冷却剂出口温度等；5、掌握压降计算；6、掌握单相及沸腾时传热计算。7、理解单通道模型编程办法。课程设计规定：1设计时间为一周；2独立编制程序计算；3迭代误差为0.1%；4计算机绘图；5设计报告写作认真，条理清晰，页面整洁；6设计报告中要附源程序。课程设计考核方式：1、 报告一份；2、计算程序及阐明一份；3、答辩。二、设计任务（设计题目）探求某状况下压水堆核电站相应热工参数。某压水反映堆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，已知参数如表一所示：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：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表一 某压水反映堆热工参数参数名称参照值参数范畴阐明系统压力P15.5MPa14.5-16堆芯输出热功率Nt2895MW4000进、出口温度、流量、功率耦合，由3个量可推出此外一种冷却剂总流量W32100t/h*3反映堆进口温度fin288265-295反映堆出口温度fout310-330堆芯高度L3.66m3.5-4燃料组件数m121依照功率计算燃料组件形式n0 x n017 x 1782,152,172等需要除去控制棒和中子通量管每个组件燃料棒数n265燃料包壳外径dcs9.5mm9-11mm三者耦合燃料包壳内径dci8.60mm8-9mm燃料包壳厚度c0.57mm0.5-0.9mm燃料芯块直径du8.19mm8-9mm燃料棒间距（栅距）s12.6mm12-14mm两个组件间水隙0.8mm0.5-1mmUO2芯块密度95%理论密度90-99%旁流系数5%4-7%燃料元件发热占总发热份额Fa97.4%96-98%径向热管因子1.351.2-1.6核热点因子由前3者乘积可以推出轴向热管因子1.5281.5-2.0局部峰核热管因子1.11热流量核热点因子2.29热流量工程热点因子1.031.03-1.09焓升工程热管因子（未计入交混因子）1.0851.05-1.16交混因子0.95焓升核热管因子1.351.35-1.8堆芯入口局部阻力系数Kin0.75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. 热管内流体温度（或焓）、包壳表面温度、芯块中心温度随轴向分布；4. 包壳表面最高温度，芯块中心最高温度；5. DNBR 在轴向上变化；6. 计算堆芯压降。三、 设计正文（详细计算过程、计算成果及分析）1.计算过程1.1堆芯流体出口温度（平均管） 按流体平均温度以及压力由表中查得。1.2燃料表面平均热流密度 W/m2 式中为堆芯燃料棒总传热面积 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/m1.3平均管状况 平均管流速V m/s式中，堆芯内总流通面积 n0为燃料组件内正方形排列时每一排（列）燃料元件数由压力以及流体平均温度查表得到：1.4为简化计算起见，假定热管内流体流速Vh和平均管V相似。（事实上，应当按照压降相等来求。热管内流体流速要小某些）。则Vh=V同样，热管四根燃料元件构成单元通道内流量 1.5热管中计算（按一种单元通道计算）（1）热管中流体温度 （2） 第一种控制体出口处包壳外壁温度 式中：h(z)可以用来求。因此， 式中： 流体k(z)、（z）和Pr数依照流体压力好温度由表查得。（k= 传热系数）如果流体已经达到过冷沸腾，用Jens-Lottes公式： 当时，用前面式子当时，用（3） 第一种控制体出口处包壳内壁温度 式中：Zr-4 W/m. (4) 第一种控制体出口处UO2芯块外表面温度 （5） 第一种控制体出口处UO2芯块中心温度用积分热导求解办法，即其她2个控制体计算办法相似，重复上述过程即可。1.6热管中用w-3公式计算，同样对3个控制体都算1.7DNBR计算 1.8计算热管中压降1.9单相流体摩擦压降 式中： 单相流体加速压降：单相流体提高压降：局部压降，出口： 进口：定位格架出口压降：其中，比容v按相应流体压力和温度，由表查得。2.计算成果1) 流体堆芯出口温度= 344.0019；2) 燃料棒表面平均热流密度=8.0505e+005w；3) 燃料棒表面最大热流密度= 1.7105e+006w；4) 燃料棒平均线功率= 2.4027e+004w/m；5) 燃料棒最大线功率= 5.1049e+004w/m；6) 热管平均温度=316.0009；7) 第一控制体出口流体温度（L1）=299.9305；8) 第一控制体出口处包壳外壁温（L1）=330.1578 ；9) 第一控制体出口处包壳内壁温(L1)= 338.8008；10) 第一控制体出口处芯块外表面温度（L1）= 517.2810；11) 第一控制体出口处芯块中心温度(L1)= 1.0629e+003；12) 热管中(L1)=5.5524e+006w；13) DNBR(L1)= 6.14) 第二控制体出口流体温度（L2）=320.6601；15) 第二控制体出口处包壳外壁温（L2）=348.6468；16) 第二控制体出口处包壳内壁温(L2)=364.3162；17) 第二控制体出口处芯块外表面温度（L2）=698.9667；18) 第二控制体出口处芯块中心温度(L2)=2.0864e+003；19) 热管中(L2)=5.0732e+006w；20) DNBR(L2)=3.021321) 第三控制体出口流体温度（L3）=329.4185；22) 第三控制体出口处包壳外壁温（L3）=349.2588；23) 第三控制体出口处包壳内壁温(L3)=356.6231；24) 第三控制体出口处芯块外表面温度（L3）=512.7934；25) 第三控制体出口处芯块中心温度(L3)=1.0407e+003 ；26) 热管中(L3)=4.3073e+006w；27) DNBR(L3)=5.496928) 单相流体摩擦压降=2.3180e+004Pa29) 单相流体加速压降=0Pa30) 单相流体提高压降=2.4742e+004Pa31) 堆芯出口局部压降=6.9301e+003Pa32) 堆芯进口局部压降=4.2641e+003Pa33) 定位格架出口压降=6.6232e+003 Pa34) 总压降=6.5739e+004Pa3.计算成果分析计算成果误差分析：由于采用是W-3公式，并且基本没引入相应修正因子。并且在计算物性时粗糙地采用了线性插值办法，会带来了较大误差。但是算出成果还是能客观反映出热管中各量变化趋势。表2 临界热流与烧毁比汇总表项目临界热流106w/m2DNBR1L5.55246.2L5.07323.02133L4.30735.4969表3 各温度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1L 299.9305 330.1578 338.8008 517.2810 1.0629e+0032L320.6601 348.6468 364.3162 698.9667 2.0864e+0033L329.4185 349.2588 356.6231 512.7934 1.0407e+003单从表内数据看，DNBR都不大于1，芯块中心温度不大于二氧化铀熔点，因此理论上可以保证安全性。四、 课程设计总结或结论本次课程设计笔者选取了一组随机数据进行了计算，验证了该组数据在各个控制体内安全性。其中，参数选用基本参照了大亚湾核电站基本数据，但是做了某些修改。一回路：绝对压力：15.5MPa压力容器进口温度（满功率）：292.7；压力容器出口温度（满功率）：327.3；平均温度（满功率）：310.0， 平均温度随负荷在291.4到310之间稳压器水位：20%到64%二回路（满功率）：蒸汽发生器入口给水：6.88MPa，226度；蒸汽发生器产生主蒸汽：6.71MPa，283度；高压缸排气：0.783MPa，169.5度；汽水分离再热器出口蒸汽（低压缸进汽）：0.747MPa，265度；低压缸排气：7.5kPa，40.3度。例如设计压力容器进口温度为288度，比真实值略低，但实际计算出来后平均温度更高。但堆内功率比大亚湾正常运营核电站功率更低。由此可以看出，维持更低堆功率和进口温度不代表冷却剂平均温度和堆芯温度就一定更低。甚至相反也许会获得更高值。因此，通过本次参数计算，咱们应当意识到反映堆热工分析是个复杂而持续过程，每个参数都受到大量常数参数影响也具备诸多修正因子。咱们不应当依照自己常识来判断数据变化状况，相反地咱们应当随时坚持以数据计算为引导，以实验作为验证。仔细客观认真地分析堆内数据变化，并且对堆内数据进行全程监控，防止堆内数据随时变化，对反映堆危害性。下面咱们再对比性展示一组数据。而这组数据和咱们之前计算得到数据差别，在于如下数据不同。系统压力P 是15.8MPa ，而咱们计算获得系统压力为15.5MPa。堆芯输出功率Nt 1820MW，而咱们计算获得输出功率为2895MW。反映堆进口温度fin 287，而咱们计算获得进口温度为288。在该组数据下可以得到下表4。表4 临界热流与烧毁比汇总表项目临界热流106w/m2DNBR1L5.60459.95472L5.11884.84913L4.34278.8156而在咱们之前数据下，有如下表 表5 临界热流与烧毁比汇总表项目临界热流106w/m2DNBR1L5.55246.2L5.07323.02133L4.30735.4969咱们可以看出在系统压力更低和进口温度和功率更高状况下，浮现了临界热流密度都更低。DNBR也更低现象。这些都是在做完之后整顿发现，但是详细存在什么规律，在什么样状况下参数变化会引起其他参数怎么样变化，我还没有时间仔细去调研和分析，但是这次课程设计给我留下更多感受还是诸多事情只要敢于去调研去分析就一定会有收获，咱们很容易发现一片森林，但是要懂得这里为什么会有一片森林就很难。虽然在这次课设中，我也遇到了程序上诸多地方不会，调试时候频繁出错等等现象。诸多概念理解也不是很透彻。这些对于我来说都是当头棒喝，考试结束了从来就不意味着某一门学科学习就结束了。其实诸多问题特别是实际问题，远比课本内容来复杂和有趣。穷天下之奥秘，上下求其索。我但愿用更努力态度来努力学习，弥补自己局限性，天行健，人无穷，摸索无穷，学习无涯。附录（设计流程图、程序、表格、数据等）开始1、程序设计框图读输入参数计算关于堆参数估算控制体出口温度tf计算控制体出口温度|0.001 t0_=0.5*(tfout+tfin); Cp_=1000*(0.04006*(t0_-310)+5.7437); xi=tfin+Fa*Nt/(Wt*(1-b)*Cp_); e0=(tfout-xi)/tfout; tfout=xi %堆芯出口处温度end%热流密度计算m=121;n=265;dcs=9.5e-3;L=3.66;q_=Fa*Nt/(m*n*pi*dcs*L) %燃料元件表面平均热流量FRN=1.35;FZN=1.528;FqN=FRN*FZN;FqE=1.03;FDHE=1.085;FDHmE=0.95;qmax=q_*FqN*FqE %最大热流量ql_=q_*pi*dcs %平均线功率qlmax=ql_*FqN*FqE %最大线功率%平均管状况B=17;S=12.6e-3;dx=0.8e-3;Af=m*n*(S2-pi/4*dcs2)+m*4*B*S*dx； %总流通截面积tf_=0.5*(tfout+tfin) %热管平均温度vf_=5.13e-6*(tf_-310)+0.0014189； pf_=1/vf_； %平均密度v=Wt*(1-b)/(Af*pf_)； %平均流速Ab=S2-pi/4*dcs2； %单元流通截面积Wu=Wt*(1-b)*Ab/Af； %单元截面流量%第一控制体温度计算e11=0.01;tf1=300;L1=3.66/6;fai1=0.80;while e110.001 t11_=0.5*(tf1+tfin); Cp1_=1000*(0.02155*(t11_-290)+5.2428); x1i=tfin+q_*FRN*FDHE*FDHmE*pi*dcs*L1*fai1/(Wu*Cp1_); e11=(x1i-tf1)/tf1; tf1=x1i %求出该控制体出口处温度endDe=4*(S2-pi/4*dcs2)/(pi*dcs)； %单元通道当量直径u1=944e-7;Pr1=0.85;k1=575.5e-3； %查得该温度下热物性Re1=Wu*De/(Ab*u1);h1=0.023*Re10.8*Pr10.4*k1/De； %该处对流换热系数dtf11=q_*FRN*fai1*FqE/h1； %单相逼迫对流放热公式算得温压ts=346.310791;P=15.5;dtf12=25*(q_*FRN*fai1*FqE/106)0.25*exp(-P/6.2)+ts-tf1； %采用詹斯-洛特斯传热方程算得过冷沸腾膜温压if dtf110.001 t12_=0.5*(tci1+tcs1); kc1=0.0547*(1.8*t12_+32)+13.8; yi=tcs1+ql_*FRN*fai1*FqE/(2*pi*kc1)*log(dcs/dci); e12=(yi-tci1)/yi; tci1=yi %采用迭代算法求得包壳内表面温度endhg=5678;du=8.19e-3;tu1=tci1+ql_*FRN*FqE*fai1*2/(pi*(dci+du)*hg) %燃料芯块表面温度d1_ku=ql_*FRN*FqE*fai1/(4*pi*100);tu1_ku=(26.42-21.32)/(400-300)*(tu1-300)+21.32;to1_ku=tu1_ku+d1_ku;to1=(600-500)/(34.97-30.93)*(to1_ku-30.93)+500 %依照积分热导率图表查得芯块中心温度p=15.8e+6;hfin=1273.59e+3;hfs=1650.54e+3;hgs=2584.84e+3;G=pf_*v*3600;h1=1296.4746e+3;x1=(h1-hfs)/(hgs-hfs)； %该点含汽量qDNB1=3.154e6*(2.022-6.238e-8*p)+. %依照W-3公式计算出临界热流量 (0.1722-1.43e-8*p)*exp(18.177- 5.987e-7*p)*x1)*. (0.1484-1.596*x1+0.1729*x1*abs(x1)*0.2049*G/106+1.037)*. (1.157-0.869*x1)*. (0.2664+0.8357*exp(-124*De)*(0.8258+0.341e-6*(hfs-hfin)DNBR1=qDNB1/(q_*FRN*FqE*fai1) %计算烧毁比%第二控制体温度计算fai2=1.50;L2=3.66/6;e21=0.01;tf2=310;while e210.001 t21_=0.5*(tf1+tf2); Cp2_=1000*(0.027625*(t21_-300)+5.4583); x2i=tf1+q_*FRN*FDHE*FDHmE*pi*dcs*L2*fai2/(Wu*Cp2_); e21=(x2i-tf2)/tf2; tf2=x2i %求出该控制体出口处温度endDe=4*(S2-pi/4*dcs2)/(pi*dcs);u2=919e-7;Pr2=0.91;k2=562e-3； %查得该温度下热物性Re2=Wu*De/(Ab*u2);h2=0.023*Re20.8*Pr20.4*k2/De； %该处对流换热系数dtf21=q_*FRN*fai2*FqE/h2；%单相逼迫对流放热公式算得温压ts=346.310791;P=15.5;dtf22=25*(q_*FRN*fai2*FqE/106)0.25*exp(-P/6.2)+ts-tf2；%采用詹斯-洛特斯传热方程算得过冷沸腾膜温压if dtf210.001 t22_=0.5*(tci2+tcs2); kc2=0.0547*(1.8*t22_+32)+13.8; zi=tcs2+ql_*FRN*fai2*FqE/(2*pi*kc2)*log(dcs/dci); e22=(zi-tci2)/zi; tci2=zi %采用迭代算法求得包壳内表面温度endhg=5678;du=8.19e-3;tu2=tci2+ql_*FRN*FqE*fai2*2/(pi*(dci+du)*hg) %燃料芯块表面温度d2_ku=ql_*FRN*FqE*fai2/(4*pi*100);tu2_ku=(30.93-26.42)/(500-400)*(tu2-400)+26.42;to2_ku=tu2_ku+d2_ku;to2=(1000-900)/(48.06-45.14)*(to2_ku-45.14)+900 %依照积分热导率图表查得芯块中心温度p=15.8e+6;hfin=1273.59e+3;hfs=1650.54e+3;hgs=2584.84e+3;G=pf_*v*3600;h2=1341.5988e+3;x2=(h2-hfs)/(hgs-hfs)；%该点含汽量qDNB2=3.154e6*(2.022-6.238e-8*p)+. %依照W-3公式计算出临界热流量 (0.1722-1.43e-8*p)*exp(18.177- 5.987e-7*p)*x2)*. (0.1484-1.596*x2+0.1729*x2*abs(x2)*0.2049*G/106+1.037)*. (1.157-0.869*x2)*. (0.2664+0.8357*exp(-124*De)*(0.8258+0.341e-6*(hfs-hfin) DNBR2=qDNB2/(q_*FRN*FqE*fai2) %计算烧毁比%第三控制体温度计算fai3=0.70;L3=3.66/6;e31=0.01；tf3=320;while e310.001 t31_=0.5*(tf3+tf2); Cp3_=1000*(0.04006*(t31_-310)+5.7437); x3i=tf2+q_*FRN*FDHE*FDHmE*pi*dcs*L3*fai3/(Wu*Cp3_); e31=(x3i-tf3)/tf3; tf3=x3i %求出该控制体出口处温度endDe=4*(S2-pi/4*dcs2)/(pi*dcs);u3=869e-7;Pr3=1.01;k3=533e-3； %查得该温度下热物性Re3=Wu*De/(Ab*u3);h3=0.023*Re30.8*Pr30.4*k3/De； %该处对流换热系数dtf31=q_*FRN*fai3*FqE/h3； %单相逼迫对流放热公式算得温压ts=347.328;P=15.5;dtf32=25*(q_*FRN*fai3*FqE/106)0.25*exp(-P/6.2)+ts-tf3； %采用詹斯-洛特斯传热方程算得过冷沸腾膜温压if dtf310.001 t32_=0.5*(tci3+tcs3); kc3=0.0547*(1.8*t32_+32)+13.8; ai=tcs3+ql_*FRN*fai3*FqE/(2*pi*kc3)*log(dcs/dci); e32=(ai-tci3)/ai; tci3=ai %采用迭代算法求得包壳内表面温度endhg=5678;du=8.19e-3;tu3=tci3+ql_*FRN*FqE*fai3*2/(pi*(dci+du)*hg) %燃料芯块表面温度d3_ku=ql_*FRN*FqE*fai3/(4*pi*100);tu3_ku=(34.97-30.93)/(600-500)*(tu3-500)+30.93;to3_ku=tu3_ku+d3_ku;to3=(1560-1405)/(61.95-58.4)*(to3_ku-58.4)+1405 %依照积分热导率图表查得芯块中心温度p=15.8e+6;hfin=1273.59e+3;hfs=1650.54e+3;hgs=2584.84e+3;G=pf_*v*3600;h3=1416.5e+3;x3=(h3-hfs)/(hgs-hfs)；%该点含汽量qDNB3=3.154e6*(2.022-6.238e-8*p)+. %依照W-3公式计算出临界热流量 (0.1722-1.43e-8*p)*exp(18.177- 5.987e-7*p)*x3)*. (0.1484-1.596*x3+0.1729*x3*abs(x3)*0.2049*G/106+1.037)*. (1.157-0.869*x3)*. (0.2664+0.8357*exp(-124*De)*(0.8258+0.341e-6*(hfs-hfin)DNBR3=qDNB3/(q_*FRN*FqE*fai3) %计算烧毁比%热管中压降uf=889e-7;L=3.66;uw=825.7e-7； % uf为按主流平均温度取值流体粘性系数.uw为按照壁面温度取值流体粘性系数。Re_=pf_*v*De/uf;f=0.3146/Re_0.25*(uw/uf)0.6;%摩擦压降 dPf=f*L*(G/3600)2*vf_/(2*De)%单相流体提高压降计算g=9.8;Kout=1.0;Kin=0.75;Kgr=1.05;vfin=0.0013334;vfout=0.0016253;dPel=pf_*g*L%进口局部压降计算dPin=Kin*(G/3600)2*vfin/2%出口局部压降计算dPout=Kout*(G/3600)2*vfout/2%定位搁架出口压降计算dPgr=Kgr*(G/3600)2*(vfin+vfout)/2/2%总压降计算dP=dPf+dPel+dPin+dPout+dPgr五MATLAB程序运营成果截取tfout = 344.0019q_ = 8.0505e+005qmax = 1.7105e+006ql_ = 2.4027e+004qlmax = 5.1049e+004tf_