第6章-核反应堆热工水力设计-核工程原理.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第6章核反应堆热工水力设计,6.1 概述6.1.1 热工水力设计基本内容,（1）核反应堆设计要达到的目标,要保证核燃料在堆芯内安全、可靠、经济地产生核裂变，并将核裂变产生的热量有效地输出,。,（2）反应堆设计涉及的范围包括,反应堆物理、反应堆热工水力、反应堆控制、反应堆结构和材料,等。,6.1 概述6.1.1 热工水力设计基本内容,（3）反应堆热工水力设计的主要任务,保证反应堆堆芯在各种运行工况下都能得到足够的冷却，以保证反应堆安全,。,通过热工水力设计计算来确定堆芯燃料元件的,总传热面积、元件几何尺寸、冷却剂流速、温度和压力,等。,6.1.2,反应堆设计的两个重要指标,（1）安全性,所确定的参数大多数是一些很重要的限量，如燃料表面热流密度、反应堆冷却剂流量和燃料温度等。准确地计算这些量，就会保证设计出的反应堆运行安全。,（2）经济性,经济性的指标要通过反应堆各方面的设计共同来完成，其中反应堆热工设计起到很重要的作用。,6.1.3,相关专业共同商定的内容,由于反应堆热工水力设计与其他几个专业关系密切，共同商定以下内容：,（2）,确定主要热工参数,；要考虑什么？,考虑与一回路、二回路装置设计协调平衡，确定反应堆运行压力、进出口温度和总流量等主要热工参数；,6.1.3,相关专业共同商定的内容,由于反应堆热工水力设计与其他几个专业关系密切，共同商定以下内容：,（3）,确定堆芯水铀比、堆芯结构、燃料元件尺寸和栅格布置等,；要考虑什么？,与堆物理、结构和燃料元件设计协调平衡，确定堆芯水铀比、堆芯结构、燃料元件尺寸和栅格布置等；,6.1.3,相关专业共同商定的内容,由于反应堆热工水力设计与其他几个专业关系密切，共同商定以下内容：,（4）,确定冷却剂流程和流量分配方案。根据什么？,根据初步确定的堆芯结构、燃料元件尺寸等主要热工参数，以及堆物理设计提供的堆芯相对功率分布，确定冷却剂流程和流量分配方案。,6.1.4,对反应堆设计的限制,（3）反应堆设计的总目标,对堆芯功率密度、燃料比功率、冷却剂出口温度，有怎样的要求？,一般希望堆芯功率密度高一些；此外，为了减少所需的燃料装载量，也希望燃料比功率高一些。同时还希望冷却剂出口温度尽量高。,但是，实现这些目标，将受到堆芯热工性能的许多限制。,6.1.4,对反应堆设计的限制,（4）具体限制,对堆芯热工性能主要的限制包括：,避免发生明显的燃料中心熔化；,使热流密度低于允许的最大值；,限制由于裂变气体释放、燃料肿胀和温度梯度对包壳造成过高的应力。,这些条件限制了如下指标：,燃料元件的表面热流密度,线功率密度,体积释热率,6.1.6 反应堆热工设计准则（1）概述,什么是反应堆热工设计准则？,在反应堆及冷却剂系统的设计时，应预先规定热工设计中必须遵守的一些基本要求，这些基本要求就称为,反应堆热工设计准则,，也就是反应堆热工设计中必须遵守的一些基本原则。,（2）一般准则内容,在正常工况和允许超功率工况下，燃料元件外表面不允许产生,沸腾临界,；,燃料元件芯块内最高温度应低于相应燃耗下燃料的,熔化温度,；,在稳态运行和预期的动态运行过程中，堆芯内不允许发生,流动不稳定性,；,保证在正常运行工况下，燃料元件和堆内构件能得到,充分冷却,；并保证在允许事故工况下，,有足够的冷却剂冷却堆芯,。,（3）热工设计准则,气冷堆的热工设计准则,燃料元件表面最高温度、中心最高温度，以及燃料元件和结构部件的最大热应力不超过允许值。,水冷生产堆的热工设计准则,把燃料元件包壳与水发生加速腐蚀时的包壳表面温度作为其设计限值之一。,冷却剂的运行压力,根据水的热力学性质，提高压水堆出口的冷却剂工作温度，可提高电站效率，则必须提高冷却剂的运行压力。然而，这方面的潜力是有限的。,对压水堆，如将冷却剂的工作压力提高，饱和温度却提高很小。且大幅度提高压力，对反应堆及其辅助系统有关设备的设计与制造都将带来许多困难和经济损失，而电站效率方面的收益却并不太大。,反应堆出口冷却剂温度,电站的热效率与冷却剂的平均温度密切相关。,只有反应堆出口冷却剂的温度高，才能得到较高的冷却剂平均温度，从而使电站的热效率提高,。,出口温度值的选取应考虑的因素有：,a.,燃料包壳材料要受抗高温腐蚀性能的限制；,b.元件壁面与冷却剂间要有足够大的膜温压；,c.堆芯冷却剂出口温度还受到堆芯径向功率分布不均匀性的限制,。,反应堆进口冷却剂温度,反应堆出口冷却剂温度一经确定之后，由载热方程可知：,对于已知的反应堆热功率N,t,来说，冷却剂的进口温度与流量之间有单值关系,。,入口温度取值愈高，堆内温升愈低，平均温度就愈高，从而得到的循环效率及电站效率也较高。而另一方面，降低温升意味着在输出同样功率的条件下需要提高冷却剂的流量，这就增加了主循环泵的唧送功率。,反应堆进口冷却剂温度,热工计算时，可根据已确定的冷却剂总流量，再由载热方程算出入口温度。其中总流通面积A视冷却剂的总流量M,t,和流速W的大小而定。,堆芯冷却剂流量,堆芯冷却剂流量的确定对于核电站的经济性和安全性影响较大。,冷却剂的流量越大，主泵的唧送功率也会相应的增加。反之，在其他条件相同的情况下，如减小流量，则进口温度降低，堆内温升加大，平均温度下降，从而导致电站效率降低,。,冷却剂最佳流量的选择，,应使得主循环泵的唧送功率较小，净电功率输出较大，并使反应堆及其主回路系统与设备具有适中的尺寸和容量,。,6.2 热管和热点,在反应堆内，即使燃料元件的形状、尺寸，及燃料的密度和裂变物质浓缩度都相同，堆芯内中子通量的分布也还是,不均匀,的；再加上堆芯内存在控制棒、水隙、空泡以及堆芯周围存在反射层，就更加重了堆芯内中子通量,整体分布,和,局部分布的不均匀性,。,6.2 热管和热点,在早期堆设计中，把堆芯内各冷却剂通道看成是,独立,的。当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配不均匀性，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等，,单从核方面来看，在堆芯内各并行的通道中就存在着某一积分功率输出最大的冷却剂通道（,热管,）；同时，堆芯内还存在着某一燃料元件表面热流密度最大的点（,热点,）,。,6.2 热管和热点,热管和热点的定义及其应用，是随着反应堆设计、制造和运行经验的积累而不断发展，完善的。在早期设计的反应堆中，整个堆芯内所装载的裂变物质的富集度是相同的，燃料元件组件的形状、尺寸也是相同的，堆芯进口处流入各燃料元件冷却剂通道内的流体温度和流量的设计值也认为相同。,在这种情况下，整个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。,为了保证反应堆安全，在反应堆的物理和热工设计中，常常保守地将堆芯内的中子通量局部峰值也人为地都集中到热管内，这样一来，热点自然也就位于热管内了,。,