《核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)》第5部分(堆芯穩(wěn)態(tài)熱工水力設(shè)計(jì))6

第6章堆芯穩(wěn)態(tài)熱工水力設(shè)計(jì)壓水堆操縱員基礎(chǔ)理論培訓(xùn)——《核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)》5)主要內(nèi)容要點(diǎn)5)4)1)2)3)6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述6.2堆芯熱工設(shè)計(jì)參量的分析6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)6.5子通道分析模型6.6核反應(yīng)堆熱工參量的選擇6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)的范圍和任務(wù)：（1）確定反應(yīng)堆所應(yīng)發(fā)出的總熱功率；（2）確定反應(yīng)堆的主要熱工流體力學(xué)參量；（3）確定堆芯慢化劑和燃料的比例、堆芯結(jié)構(gòu)、燃料元件的尺寸和柵格布置等；（4）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱工流體力學(xué)計(jì)算，計(jì)算出堆芯在整個(gè)壽期內(nèi)是否能夠達(dá)到額定功率，確定旁通流量，提出是否要進(jìn)行堆芯入口處安裝節(jié)流裝置；（5）對(duì)已經(jīng)確定了的反應(yīng)堆和一回路系統(tǒng)在運(yùn)行中可預(yù)期的瞬態(tài)和事故工況進(jìn)行分析計(jì)算，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提出各種動(dòng)作的整定值。6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述堆芯穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)基本性能要求確定設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想；（2）確定熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；（3）提出對(duì)一回路冷卻劑的溫度要求；（4）確定整個(gè)核動(dòng)力裝置的凈熱效率，反應(yīng)堆輸出的熱功率；（5）確定基本的燃料柵格。（6）選擇壓力、流量和進(jìn)出口溫度等熱工參量；（7）計(jì)算出工程熱通道因子和冷卻劑的旁通流量；（8）進(jìn)行熱工穩(wěn)態(tài)計(jì)算，給出冷卻劑焓場(chǎng)（溫度場(chǎng)）和燃料及包殼的溫度分布等；（9）進(jìn)行熱工瞬態(tài)性能分析。6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工設(shè)計(jì)和其它專(zhuān)業(yè)的關(guān)系：（1）熱工設(shè)計(jì)與堆物理設(shè)計(jì)的關(guān)系；（2）熱工設(shè)計(jì)與回路設(shè)計(jì)的關(guān)系；（3）熱工設(shè)計(jì)與堆內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系；（4）熱工設(shè)計(jì)與燃料元件設(shè)計(jì)的關(guān)系。6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則定義：為確保反應(yīng)堆運(yùn)行安全可靠，預(yù)先規(guī)定了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)在熱工設(shè)計(jì)時(shí)必須遵守的要求熱工設(shè)計(jì)的依據(jù)、反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原始條件之一、運(yùn)行規(guī)程的邊界條件范圍：熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的適用性、發(fā)展性和保守性6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的目的在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)變工況以及可預(yù)期事故工況下，確保反應(yīng)堆的安全性保證可靠連續(xù)堆芯冷卻限制穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)變工況以及可預(yù)期事故工況下燃料包殼破損極限氣密性喪失缺陷<=0.2%燃料與冷卻劑直接接觸<=0.02%6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則燃料元件表面不允許發(fā)生沸騰臨界DNBR=計(jì)算值或?qū)嶒?yàn)值/當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷MDNBR正常運(yùn)行和預(yù)期事故條件下，MDNBR=1.3∈0.95;額定功率運(yùn)行時(shí)，MDNBR=1.9；偏離額定功率運(yùn)行，MDNBR=1.3；反應(yīng)堆運(yùn)行功率超過(guò)35%，MDNBR=1.18；6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則燃料芯塊最高溫度應(yīng)低于芯塊熔化溫度不同類(lèi)型燃料要求不同UO2陶瓷型燃料熔點(diǎn)2805±15℃UO2陶瓷型燃料熔點(diǎn)受UO比、燃耗以及雜質(zhì)影響反應(yīng)堆燃耗深度條件下，2650℃左右T0介于2200-2450℃之間保守估計(jì)1800℃6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則堆芯流量限制基本原則：保證保守性，安全性冷卻流量不小于設(shè)計(jì)最小值冷卻流量不大于最大設(shè)計(jì)值傳熱分析取其最小值應(yīng)力計(jì)算選擇最大值6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則流動(dòng)不穩(wěn)定性準(zhǔn)則近期反應(yīng)堆設(shè)計(jì)允許堆芯內(nèi)出現(xiàn)沸騰某些通道甚至允許發(fā)生容積沸騰不允許所有通道都發(fā)生容積沸騰限制容積沸騰采用限制堆芯出口平均溫度限制(<15℃)限制流動(dòng)不穩(wěn)定性限制堆芯最熱通道含氣率<5%6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包殼工作溫度限制一般壓水反應(yīng)堆使用Zr-4合金（Sn,Fe,Cr,Ni,Nb）Zr-4或Zr-2合金的吸氫脆化現(xiàn)象限制包殼材料的表面溫度350℃（田灣352℃）限制包殼材料的整體溫度6.1穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的安全要求和可靠性要求安全：影響到運(yùn)行人員和周?chē)用裆徒】档妮^大事故可靠性：不影響運(yùn)行人員和周?chē)用裆徒】档妮^小事故6.2堆芯熱工設(shè)計(jì)參量的分析冷卻劑的工作壓力冷卻劑的出口溫度冷卻劑的進(jìn)口溫度冷卻劑的流量6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題影響堆芯功率分布不均勻的因素核方面工程方面6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題熱管和熱點(diǎn)核因素和工程因素單純以核因素而論，堆芯內(nèi)積分功率輸出最大的冷卻劑通道就稱(chēng)為熱管單純以核因素而論，堆芯內(nèi)某一燃料元件表面熱流量最大的點(diǎn)就稱(chēng)為熱點(diǎn)兼顧考慮核因素和工程因素，堆芯內(nèi)具有最大焓升的冷卻劑通道稱(chēng)為熱管兼顧考慮核因素和工程因素，燃料元件上限制堆芯功率輸出的局部點(diǎn)就是熱點(diǎn)6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題熱管因子和熱點(diǎn)因子熱因子：為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離平均值（或名義值）的程度，而引入的修正因子熱因子=最大值/平均值（名義值）平均值-通常與核因素有關(guān)名義值-工程因素?zé)峁芤蜃?積分特性熱點(diǎn)因子-局部特性均勻反應(yīng)堆的熱因子？6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題熱流密度工程熱點(diǎn)因子焓升工程熱點(diǎn)因子核熱管因子、核熱點(diǎn)因子6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題同時(shí)考慮了核和工程兩方面的因素后，熱流密度熱點(diǎn)因子和焓升熱通道因子的表達(dá)式應(yīng)為

同時(shí)考慮了核和工程兩方面的因素后，對(duì)熱通道和熱點(diǎn)的定義可進(jìn)一步闡述為：熱通道是堆芯內(nèi)具有最大焓升的冷卻劑通道。熱點(diǎn)，則是燃料元件上限制堆芯熱功率輸出的局部點(diǎn)。6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題熱點(diǎn)因子對(duì)堆芯熱工性能的影響：1）當(dāng)為定值時(shí)，熱流密度熱點(diǎn)因子越小，則平均熱流密度就越大。這表明在同樣大小堆芯總傳熱面積的條件下，降低可以提高堆的輸出熱功率；相反，當(dāng)堆功率一定時(shí)，越小，所需要的堆芯總傳熱面積就越小，從而堆芯就越小。2）在堆芯總傳熱面積和堆功率都相同的條件下，如果越小，則最大熱流密度就越低，就越接近平均熱流密度，這種情況表明功率分布較均勻，燃料元件離開(kāi)燒毀的裕度較大，因而堆芯較安全。6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題影響工程熱通道因子的主要因素1）熱流密度工程熱點(diǎn)因子燃料元件芯塊的直徑、密度、裂變物質(zhì)的富集度和包殼外徑等的加工制造誤差2）焓升工程熱通道因子燃料芯塊加工誤差引起的焓升工程熱通道分因子燃料元件冷卻劑通道尺寸誤差引起的焓升工程熱通道分因子堆芯下腔室冷卻劑流量分配不均勻引起的焓升工程熱通道分因子熱通道內(nèi)冷卻劑流量再分配時(shí)引起的焓升工程熱通道分因子相鄰?fù)ǖ览鋮s劑間相互交混的焓升工程熱通道分因子總的焓升工程熱通道因子為：6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題降低熱管因子及熱點(diǎn)因子的途徑降低核熱管因子和核熱點(diǎn)因子方法分區(qū)裝載徑向設(shè)置反射層提高徑向均勻性徑向設(shè)置控制棒和可燃毒物棒(兼顧考慮中子經(jīng)濟(jì)性)軸向設(shè)置反射層提高軸向均勻性設(shè)置長(zhǎng)短控制棒向結(jié)合6.3堆內(nèi)功率分布不均勻性問(wèn)題降低熱管因子及熱點(diǎn)因子的途徑降低工程熱管因子和核熱點(diǎn)因子方法合理確定加工及安裝誤差，減少誤差精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展合適的堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn)，改善流量分配特性加強(qiáng)堆芯內(nèi)相鄰?fù)ǖ篱g的流體交混，以實(shí)現(xiàn)熱管內(nèi)冷卻劑焓升降低6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)單通道方法在熱管分析法的基礎(chǔ)上，在堆芯內(nèi)選出熱工條件最差的冷卻劑通道進(jìn)行的反應(yīng)堆熱工水力計(jì)算和校核。適用于堆芯的初步設(shè)計(jì)基本概念熱通道平均通道熱通道與平均通道的相互關(guān)系6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)反應(yīng)堆釋熱熱工參數(shù)選擇核電廠效率構(gòu)成主要影響項(xiàng)6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)單通道模型反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的一般步驟6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)堆芯有效冷卻劑流量：是指進(jìn)入堆壓力容器的冷卻劑總流量中用來(lái)冷卻燃料元件的那一部分流量。旁通流量：1）從壓力容器進(jìn)口直接漏到出口接管的流量；2）從堆芯下腔室向上流經(jīng)堆芯外面圍板與吊藍(lán)之間的環(huán)形空間，而后進(jìn)入堆芯上腔室，再流到壓力容器出口接管的流量；3）流入控制棒套管內(nèi)用以冷卻控制棒，而后流出套管，再與上腔室的流體混合，隨后再流出壓力容器的流量；4）從壓力容器進(jìn)口處直接流到壓力容器上封頭內(nèi)，供冷卻上封頭的流量。6.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)熱通道內(nèi)燃料元件溫度沿軸向分布堆芯熱工參數(shù)簡(jiǎn)介冷卻劑工作壓力p壓力的提高可以提高出口溫度，因此可以提高動(dòng)力循環(huán)的蒸汽初參數(shù)，從而提高熱效率堆芯出口冷卻劑溫度的提高受限于燃料元件包殼、燃料的工作要求壓力的提高需增加相應(yīng)部件的承壓性能，經(jīng)濟(jì)性反而可能下降；另外二次側(cè)參數(shù)的升高也會(huì)帶來(lái)類(lèi)似的問(wèn)題296.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)冷卻劑出口溫度冷卻劑出口溫度提高有利于整個(gè)熱力循環(huán)效率的提升，可能提高經(jīng)濟(jì)性；冷卻劑溫度的提升的限制條件包殼材料的工作性能要求換熱限制（換熱系數(shù)約束）熱工水力學(xué)性能的限制（低于飽和溫度20度左右）306.4單通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)冷卻劑進(jìn)口溫度入口溫度的約束關(guān)系（載熱方程）入口溫度影響平均溫度主泵唧送功率冷卻劑流量315.5.2MDNBRDNBR概念MDNBR（z）曲線繪制方法326.5子通道分析模型子通道方法子通道模型考慮相鄰?fù)ǖ览鋮s劑之間在流動(dòng)過(guò)程中存在著橫向的質(zhì)量、能量和動(dòng)量的交換。適用于開(kāi)式組件堆芯設(shè)計(jì)基本概念通道通道之間相互關(guān)系6.5子通道分析模型冷卻劑的交混造成如下效果：A.使各子通道內(nèi)冷卻劑的溫度趨于均勻，從而使熱通道內(nèi)冷卻劑的比焓和溫度比無(wú)交混時(shí)有所降低；B.與之相應(yīng)，燃料元件溫度和包殼熱點(diǎn)溫度也會(huì)有所下降；C.在水堆中，提高臨界熱流密度和CHFR。所有這些都有利于提高反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。6.5子通道分析模型相鄰?fù)ǖ篱g冷卻劑橫向交混過(guò)程比較復(fù)雜，影響因素也很多，一般認(rèn)為有以下機(jī)理：（1）橫向混合，徑向壓力梯度引起（2）湍流交混，相鄰?fù)ǖ篱g的自然渦流擴(kuò)散造成（3）流動(dòng)散射，定位格架非導(dǎo)向部分引起（4）流動(dòng)后掠，定位格架導(dǎo)向翼片引起6.5子通道分析模型基本守恒方程質(zhì)量守恒方程能量守恒方程軸向動(dòng)量守恒方程橫向動(dòng)量守恒方程6.5子通道分析模型求解步驟：（1）進(jìn)行全堆分析，通常取整個(gè)堆芯1/4或1/8進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)組件作為一個(gè)子通道。（2）根據(jù)堆芯入口參數(shù)，輪流求解四個(gè)基本守恒方程（3）算出第一步長(zhǎng)出口參數(shù)后，以此作為第二步長(zhǎng)入口參數(shù)，重復(fù)上述迭代，直到最后一個(gè)步長(zhǎng)。（4）為加速收斂，可用逐次逼近法來(lái)選取橫向流速（5）通過(guò)全堆分析找出最熱組件后，把最熱組件按各燃料元件棒劃分子通道，求最熱通道最熱點(diǎn)。6.6核反應(yīng)堆熱工參量的選擇核動(dòng)力反應(yīng)堆熱工參量的選擇核電站單位電能成本包括：燃料費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)和運(yùn)行管理費(fèi)三個(gè)方面。可用下式表示6.6核反應(yīng)堆熱工參量的選擇提高動(dòng)力循環(huán)熱效率提高一回路冷卻劑的工作壓力提高反應(yīng)堆冷卻劑總流量適當(dāng)選定堆