1、 课程设计报告名 称：核反应堆热工分析课程设计题 目：利用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 日热工课程设计报告0一、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。在进行反应堆热工设计之前，首
2、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。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
3、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（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。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
4、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、掌握压降的计算；6、掌握单相及沸腾时的传热计算。热工课程设计报告17、理解单通道模型的编程方法。课程设计的
5、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 ；燃料元件包壳外径 ，包壳内径193tNMw9.5csdm，芯块直径 ；燃料组件采用 17x17 正方形排列，共 145 组燃料组件；每8.36cidm8.udm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 P13mm,组件间水隙。系统工作压力 p15.51MPa，冷却剂平均温度 ，堆芯冷却剂平均温升1w 30.RtC；冷却剂旁流系数 ；冷却剂设计总流量24.3tC6%9194Kg/s， ， ；DNBR=1.23;又设燃料元件内释热份额占总释热量的 97.4%；堆
6、芯.6qF1.5NH高度取 L3.6576 m；并近似认为燃料元件表面最大热流密度、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 。试用0.547(1.832).8/()ccsktWmCA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 ，堆芯冷却剂平均温升 知：30.RtC24.3tC= =300.3t2,fexfint= + =24.3 （1）in,fexf,t求得出口温度为 =312.45，入口温度为 =288.15。exf,t in,f系统工作压力 p15.51MPa，入口比焓为 =12
7、74.49kJ/kg,冷却剂平均温度 条件下，ifh, 30.RtC比容 =0.0013776m /kg,密度 =1/ =725.90kg/m ,动力粘度 ，普朗克数sv3sv3 sm/1*28.026,热导率 。859.0rp )/(w10*927.563-Cm2.计算最大热流密度堆芯燃料棒数目：N=145*(17*17-20-1)=38280 （2）热工课程设计报告2平均热流密度为 （3）236 /45.08257.10.9%49q mWLNdFcsut max /245mMq2a /4.3.DBRNB一般取临界热流密度上限为 ,显然满足要求。2/80.W3.求堆芯等效直径 ef= (5)
8、efD4/152T式中：T 为正方形组件每边长 m。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+1=14mm,故得T2=（17x13x10 +2x0.5x10 ） =0.053322m将T2代入式中得 efD=3.016mefD4.求热管半高处水的焓值)2(Lh查表并计算得 kJ/kg，则得到半高度处的焓值为49.17,inf(6)kgJWFNhLhefHEtinf78.143%6194208.530292.7)(max,）（ 由工作压力的焓温转换关系得=323.36)2(tLf5.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
9、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，则热工课程设计报告3(7)tfeAWV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 ， 为冷却剂平均温度下的密度，tA 2mf单位为 。 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积；另一部3mkgt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 1742PndPNAcst 式中组件的水隙宽度0.001m。+ =3.884m2 (8)0
10、95.(4)103(2641522tA 01.3于是=tfeAWVsm06.31.7284.3%）（6.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 eeVDLR)2(其中 为当量直径eD(9)mdPcse 15.3105.9.413443222 ）（）（系统工作压力p15.51MPa， =323.36，动力粘度 ，普朗克数)2(tLf s/78.26,热导率 。9728.0r )/(w106847.533-Cm所以(10)eeVDLR)2( 563104.1078.53(11)7.69282.0.)( 4.08.54.0r8u ）（PNe在所给的条件下，水的热导 ，则CmW57.热工
11、课程设计报告4(12)(1074.2315.306847.0)2( 23CmWDNuLhe 7.计算燃料元件表面的最高温度 max,cst= （ ）+ (13)ax,cstft2L)(f(14)CLhf 2839.4107.236.45)(q23)2(.6exp(1025)(25.6ma, LtPqt fsJf ）（， C6108.3517.84.325.6）（15）由此知得 )2()(, Lfjf故=323.36+23.6108=346.97max,tcs C8.求燃料元件包壳内表面最大温度 ax,cit= max,cit)2(a,Lcs（16） )2()2(1ciscEqNcdFL（17）
12、式中 c包壳厚度 （m）,mdcisc 31057.236.89为包壳材料热导率， =0.00547（1.8 +32）+13.8W/(m ) ccst热工课程设计报告5（18）式中 ，因 cit尚未求出，股暂取 ct为375，则可得2tcisct=0.00547（1.8 +32）+13.8=0.00547（1.8 375+32）+13.8=17.66W/(m )cs 因而 CdFqLciscENc 17.401236.8596.17.043)2()2(1 ）（故得 tci 4.38.409.3max, Cisc 05.6721.7.62t, tc5误差比较大，需要继续迭代，多次迭代后，结果为，
13、 ， ， 。Cc13.67t )/(589.7kCmWcC30.4cCtci30.87max,所以燃料包壳内表面的最高温度为 。tci.387ax,9.燃料芯块表面最高温度 max,ut )2(tmax,ax, Ltgciu（19）)()2(1ucsgEqNgdhFL式中是包壳与芯块间的气隙等效传热系数，取 /56782CW)2()2(1ucsgEqNgdhFL 61.3)1029.3(4.Ctu 9.63.30.78max,10.计算燃料芯块的中心最高温度热工课程设计报告6由于在芯块中温度变化较大，热导率变化较大，需采用积分热导率方法进行求解，即 41t0t0max,max, EqNuuFd
14、= 6.203.91.6230tu35.88+27.79=63.7W/cm （20）故查表3-7得 C2016tmax0,四、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。本次设计最大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
15、行编程求解大大缩短了求解的时间。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 P 15.51MPa2 堆芯输出功率 Nt 1933Mw3 冷却剂总流量 W 9194kg/s4 堆芯高度 L 3.6576m5 燃料组件数 1456 燃料组件形式 17*177 每个组件燃料棒数 2688 燃料包壳外径 csd 9.5mm热工课程设计报告79 燃料包壳内径 cid 8.36mm10 燃料芯块直径 u 8.19mm11 燃料棒栅距 p 13mm12 两个组件间的水隙 1mm13 旁系流量 6.5%14 燃料元件发热占总发热的份额 97.4%15 堆芯入口温度 288.1516
16、 堆芯出口温度 312.4517 燃料元件表面的最高温度 346.9718 燃料元件包壳内表面最大温度 387.303019 燃料芯块表面最高温度 623.9120 燃料芯块的中心最高温度 1621五、参考文献1.核反应堆热工分析（第三版），于平安朱瑞安，上海交通大学出版社，2002附录本程序包含了本次课程设计的所有题型的求解，包括：已知平均热流密度，未知燃料组件数；已知燃料组件数；未知燃料组件数以及平均热流密度的求解。程序内所有的题中未知的量，如果说明中给出了应该怎么取值，则按照说明取值，若说明未给出取值，则取 0，不可输入空集，否则会出现计算错误。本程序基于 matlab 编写，程序中需要
17、调用水蒸气计算插件，所以在运行程序之前请先安装水蒸气计算程序，并且按照提示接入 matlab，然后再运行该程序。该程序由主程序和 13 个子程序组成，注意理解每个程序所计算的对象。主函数：%本程序中，除了温度以外的所有计算量，其单位均取国际标准单位，温度单位取摄氏度。%输入部分，若数据是未知的，则输入为 0，不可以输入为空！cleardisp(请输入相关参数：);P=input(系统压力：);热工课程设计报告8Nt=input(堆芯功率 Nt:);W=input(质量流量：); %如果没有给出质量流量，则用反应堆功率*4.72*10(-6)计算出再输入，这里的单位是 t/h；L=input(堆
18、芯高度:); %未知则取 2.9m=input(燃料组件数：);if m=0q=input(请输入平均热流密度：);elseq=0;endn0=input(燃料组件形式 n0*n0,n0=);n=input(每个组件的燃料棒数：);Dcs=input(燃料包壳外径：);Dci=input(燃料包壳内径：);Du=input(芯块直径：);s=input(燃料棒间距（栅距）：);delta=input(两个组件间水隙：); %未知则取 0.8mmcasi=input(旁流系数：);deltaB=input(请输入下腔室不均匀系数：);Fa=input(请输入 Fa：);DNBR=input(请输
19、入 DNBR:); %未知，则取 2Fq=input(请输入热流密度热点因子 Fq:);Fh=input(请输入焓升热管因子 Fh:);qMAX=2.8*1000000;%快速烧毁的上限热流密度Tin=input(请输入入口冷却剂温度（若未知则输入 0）：);if Tin=0Tp=input(请输入冷却剂平均温度：);Tdelta=input(请输入冷却剂平均温升：);Endif Tin=0热工课程设计报告9Tin,Tout=T1(Tp,Tdelta);elseTout=input(请输入出口冷却剂温度：);%Tout=T2(Tin,P,Fa,Nt,W,casi);endTp=(Tin+Tou
20、t)/2;if m=0if q=0q,qmax,ql,qlmax,m=T32(qMAX,DNBR,Fq,Dcs,L,Fa,Nt,n);elsem,q,qmax,ql,qlmax=T31(q,Fq,Dcs,Fa,L,n,Nt);endelseq,qmax,ql,qlmax=T3(m,n,Dcs,L,Fa,Nt,Fq);Endif qmax*DNBRqMAXdisp(警报：qmax 过高，可能会发生快速烧毁)EndDef=T5(s,n0,delta,m);Tf2=T6(W,casi,Tin,P,Nt,Fh,deltaB);Vf2=T41(P,Tp,W,casi,m,n,s,Dcs,delta,n0
21、,deltaB);%Vf2 为半高度处的冷却剂流速h2l=T7(s,Dcs,P,Tp,Vf2);tcsmax=T8(P,qmax,h2l,Tf2);tcimax=T9(tcsmax);tumax=T10(qlmax,Dci,Du,tcimax);tomax=T11(qlmax,tumax);if tomax2200热工课程设计报告10disp(堆芯温度过高，最高温度为);disp(tomax);elsedisp(堆芯最高温度为：);disp(tomax);End函数 T1：function Tin,Tout=T1(Tp,delta)Tin=Tp-delta/2;Tout=Tp+delta/2;
22、%已知平均温度和温度上升值，求入口出口值函数 T2：function Tout=T2(Tin,P,Fa,Nt,W,casi)Tout(10)=0;Tf(10)=0;Tout(1)=Tin+45;for i=1:10Tf(i)=0.5*(Tout(i)+Tin);Cp= WASPCHS(pt2Cp,P,Tf(i)*1000;Tout(i+1)=Tin+(Fa*Nt*1000000)/(W/3.6)*(1-casi)*Cp);e=abs(Tout(i+1)-Tout(i)/Tout(i);if e0.001continueelseTout=Tout(i+1);breakend热工课程设计报告11e
23、nd%已知入口温度，出口温度求解函数 T3function q,qmax,ql,qlmax=T3(m,n,Dcs,L,Fa,Nt,Fq)F=m*n*pi*Dcs*L;q=Fa*Nt*1000000/F;qmax=q*Fq;ql=q*pi*Dcs;qlmax=ql*Fq;%两个系数，求热流密度函数 T31function m,q,qmax,ql,qlmax=T31(q,Fq,Dcs,Fa,L,n,Nt)q=q*1000000;ql=q*pi*Dcs;qlmax=ql*Fq;qmax=q*Fq;N=Nt*1000000*Fa/(pi*Dcs*L*q);m=ceil(N/n);m=ceil(m-1)
24、/4)*4+1;%在不知道燃料组数 m，却知道平均热流密度时候，求解 m,qlmax,qmax,等函数 T32function q,qmax,ql,qlmax,m=T32(qMAX,DNBR,Fq,Dcs,L,Fa,Nt,n)qmax=qMAX/DNBR;q=qmax/Fq;ql=q*pi*Dcs;热工课程设计报告12qlmax=ql*Fq;N=Nt*1000000*Fa/(pi*Dcs*L*q);m=ceil(N/n);m=ceil(m-1)/4)*4+1;%不知道燃料组件数不知道热流密度情况下求解 m,qlmax,qmax;函数 T42function Vf2=T41(P,Tp,W,cas
25、i,m,n,s,Dcs,delta,n0,deltaB)rou= 1/WASPCHS(pt2V,P,Tp);Cp=WASPCHS(pt2Cp,P,Tp)*1000;At=m*n*(s*s-(pi/4)*(Dcs*Dcs)+m*4*n0*s*delta/2;Vf2=(W/3.6)*(1-casi)*(1-deltaB)/(At*rou);%求热管半高度处冷却剂流速函数 T5function Def=T5(s,n0,delta,m)T=(n0*s+delta)2;Def=sqrt(m*T/(pi/4);%求等效直径函数 T6function Tf2=T6(W,casi,Tin,P,Nt,Fh,de
26、ltaB)V= WASPCHS(pt2V,P,Tin);H= WASPCHS(pt2H,P,Tin);Wef=(1-casi)*(1-deltaB)*W/(3.6*V);H2=H+(Nt*1000000*Fh)/(2*Wef);Tf2=WASPCHS(pH2T,P,H2);热工课程设计报告13%求取热管半高处水的焓值，求出半高处温度。1.67 为因子函数 T7function h2l=T7(s,Dcs,P,Tp,Vf2)De=4*(s*s-pi*Dcs*Dcs/4)/(pi*Dcs);U= WASPCHS(pt2U,15,305);RAMD= WASPCHS(pt2RAMD,15,305);P
27、RN= WASPCHS(pt2PRN,15,305);rou=1/WASPCHS(pt2v,15,305);Re=Vf2*De/U;Nu=0.023*(Re0.8)*(PRN0.4);h2l=Nu*RAMD/De;%求半高度处的比焓函数 T8function tcsmax=T8(P,qmax,h2l,Tf2)deltaf=qmax*1000000/h2l;ts= WASPCHS(p2T,P);deltaj=ts+25*(qmax)0.25*(exp(-P/6.2)-Tf2;if deltafdeltajtcsmax=Tf2+deltaj;elsetcsmax=Tf2+deltaf;end%计算
28、燃料元件表面最高温度 tcsmax函数 T9function tcimax=T9(tcsmax)热工课程设计报告14tc1=tcsmax+25;tc=tcsmax+35;while abs(tc-tc1)=0.001tc=tc1;k=0.00547*(1.8*tc+32)+13.8;tcimax=tcsmax+0.0168*106*2.32*1.03*0.57/(k*pi*(9.5+8.36)/2);tc1=(tcimax+tcsmax)/2;endtcimax;%求取燃料元件内表面最高温度 tcimax函数 T10function tumax=T10(qlmax,Dci,Du,tcimax)
29、hg=5678; %间隙导热的等效传热系数deltag=qlmax/(hg*pi*(Dci+Du)/2);tumax=tcimax+deltag;%求燃料芯块表面最高温度函数 T11function tomax=T11(qlmax,tumax)deltaq=qlmax/(4*pi*100); %这里的单位是 W/cm%先建立积分热导率表用于插值运算T1=50,100:100:1200,1298,1405,1560,1738,1876;T2=1990,2155,2343,2432,2805;T=T1,T2; %积分热导率表温度项Ks1=4.48,8.49,15.44,21.32,26.42,30.93,34.97,38.65;Ks2=42.02,45.14,48.06,50.61,53.41,55.84,58.40;Ks3=61.95,66.87,68.86,71.31,74.88,79.16,81.07,90;Ks=Ks1,Ks2,Ks3; %积分热导率数值项热工课程设计报告15Ks00=interp1(T,Ks,tumax);Ks01=Ks00+deltaq;tomax=interp1(Ks,T,Ks01);%求解燃料芯块的中心温度
