Тепловий розрахунок реактора

МЕІ (ТУ)

Кафедра парогенераторобудування

Типовий розрахунок за курсом:

Генератори теплової енергії

Тепловий розрахунок ВВЕР

Студент: Іванов О.О.

Група: З-2-95

Викладач: Двойнішніков В.А.

Москва 2000 рік

Анотація.

У даній роботі вирішувалися наступні завдання:

розрахунок реактора при m = 1 і qv = 100 і визначення його економічності і надійності при обліку накладених обмежень: 1.6 <n <2.2,

2 <Wт <10 м / с, tоб <350 оС, tc <2300 оС.

знаходження області допустимих значень відносної висоти активної зони m і питомої енерговиділення qv (m = 0.8 ... 1.6,

qv = 50 ... 150) при обліку накладених обмежень: 1.6 <n <2.2,

2 <Wт <10 м / с, tоб <350 оС, tc <2300 оС.

для обраного варіанта розрахунок температури сердечника, оболонки і теплоносія по висоті активної зони.

Зміст:

Введення Вихідні дані Тепловий розрахунок реактора при m = 1 і qv = 100 МВт/м3

3.1. Визначення розмірів активної зони реактора і швидкості теплоносія

3.2. Визначення коефіцієнта запасу по критичної теплової навантаженні

3.3. Розрахунок максимальних температур оболонки ТВЕЛу і матеріалу

паливного осердя

3.4. Визначення області допустимих значень m і qv

3.5. Розрахунок розподілу температури теплоносія, оболонки і паливного

сердечника по висоті активної зони реактора

4. Висновки

1. Введення

Призначення і види теплових розрахунків реакторів.

Тепловий розрахунок ядерного реактора є однією з необхідних складових частин процесу обгрунтування і розробки конструкції. Без нього неможливі ні попередні пошукові опрацювання, ні визначення оптимальних проектних рішень.

Теплові розрахунки звичайно виконуються разом з гідравлічним та нейтронно-фізичним розрахунками реактора. У залежності від завдань, що вирішуються на тому чи іншому етапі опрацювання конструкції, розрізняють пошукові та перевірочні розрахунки

Пошукові теплові розрахунки проводяться в період визначення основних конструктивних рішень. Під час їх виконання, як правило, відомі теплова потужність реактора, розподіл щільності енерговиділення, вид теплоносія і його параметри все ці дані отримують в результаті нейтронно-фізичної розрахунку, а також тип і конструкція ТВЕЛів і касет, що визначаються технічним завданням на основі накопиченого досвіду проектування, виготовлення і експлуатації. У результаті визначаються розміри активної зони та інших елементів реактора, знаходяться, а при необхідності уточнюються параметри теплоносія, визначаються характерні температури, вибираються конструкційні матеріали і паливні композиції.

У міру розробки конструкції теплові розрахунки виконуються знову, але більш детально, з урахуванням обраних конструктивних рішень, як для номінального режиму, так і для роботи на часткових навантаженнях. Також обраховуються теплові режими роботи обладнання при перехідних процесах при пуску, зупинці, зміні навантаження, характерних як для штатних ситуацій, так і в аварійних випадках. У всіх цих випадках тепловий розрахунок носить характер повірочного, і його основним завданням є визначення термодинамічних характеристик теплоносія та теплових параметрів характеризують умови функціонування елементів ядерного реактора. Забезпечення надійної роботи реактора в цілому і його окремих елементів, досягнення високої економічності реакторної установки вимагає високої точності визначення теплотехнічних параметрів, що веде до суттєвого ускладнення всіх видів розрахунків, у тому числі і теплового. Необхідність же їх автоматизації призводить до створення складних програмних комплексів, що об'єднують теплові, Гідравлічні, нейтронно-фізичні і розрахунки на міцність.

Цей метод орієнтований на використання кілька спрощеного теплового розрахунку, що базується на одновимірному поданні протікання процесів тепло - і масообміну в одній клітинці активної зони реактора.

2. Вихідні дані.

Для виконання теплового розрахунку водо-водяного енергетичного реактора (ВВЕР) відповідно до спрощеною методикою потрібні вихідні дані, умовно підрозділяються на режимні та конструктивні,

Дані режимного типу:

Теплова потужність ВВЕР N = 1664.87 МВт

Конструктивні дані:

Характеристики касети:

Число ТВЕЛів у касеті nТВЕЛ = 331

Крок грати а ¢ ¢ = 12.75 · 10-3 м

Розмір касети "під ключ" а ¢ = 0.238 м

Товщина оболонки касети δ = 1.5 · 10-3 м

Характеристика ТВЕЛу:

Радіус паливного осердя r1 = 3.8 · 10-3 м

Внутрішній радіус оболонки r2 = 3.9 · 10-3 м

Зовнішній радіус оболонки rq = 4.55 · 10-3 м

Розмір осередку а = 0.242 м Матеріал оболонки ТВЕЛів і касет: 99% цирконію і 1% ніобію Паливна композиція: двоокис урану

3.Тепловой розрахунок реактора при qv = 100 МВт/м3 і m = 1

Визначення розмірів активної зони реактора і швидкості теплоносія. Температура теплоносія на виході з реактора

tвих = 314 ° C

Приймаємо з розрахунку парогенератора

Температура теплоносія на вході в реактор

tвх = 283 ° C

Приймаємо з розрахунку парогенератора

Перепад температур теплоносія між входом і виходом

Δtт = tвих - tвх = 314 - 283 = 31 ° С

Температура води на лінії насичення

Запас до температури кипіння δt = 30 ° C

ts = tвих + δt = 314 + 30 = 344 ° C

Тиск в реакторі

P = 15.2 МПа

Витрата води (теплоносія) на один реактор

середня температура води в реакторі tср = = 298.5 ° C

середня теплоємність води Cp = 5.433 кДж / кг

Gт = = 9885.05 кг / с

Приймаємо з розрахунку парогенератора.

Обсяг активної зони реактора.

Середня щільність тепловиділення АЗ реактора qv = 100 МВт/м3

VАЗ = = 16.648 м3

Діаметр активної зони реактора

Параметр m * = = 1

DАЗ = = 2.767 м

Кількість касет в активній зоні

Площа поперечного перерізу осередки: Sяч = 0.866 · a2 = 5.072 · 10-2 м2

= 178.2 шт.

тому що дробове, то округляємо його до найближчого більшого цілого числа

Nкас = 179 шт. з наступним уточненням величин:

DАЗ = = 3.4 м

m = = 0.993

Висота активної зони реактора

HАЗ = m · DАЗ = 0.993 · 3.4 = 3.376 м

Тепловиділення в ТВЕЛах

Частка теплоти виділяється в ТВЕЛах κ1 = 0.95

Qт = κ1 · N = 0.95 · 3064 = 2910.8 МВт

Сумарна поверхня ТВЕЛ

F = 2 · π · rq · HАЗ · nТВЕЛ · Nкас = 2 · π · 4.55 · 10-3 · 3.376 · 331.179 = 5719 м2

Витрата теплоносія через одну касету

Gтк = = 90.22 кг / с

3.1.14. Швидкість теплоносія в активній зоні реактора

розтин для проходу теплоносія близько одного ТВЕЛу SвТВЕЛ = 0.866 · (a ¢ ¢) 2 -

-Π · rq2 = 0.866 · (12.75 · 10-3) 2 - π · (4.55 · 10-3) 2 = 7.574 · 10-5 м2

розтин для проходу теплоносія в касеті Sвкас = SвТВЕЛ · nТВЕЛ = 7.574 · 10-5 · 331 = 2.507 · 10-2 м2

щільність води при середній температурі і тиску в реакторі ρв = 713.2 кг/м3

Wт = = 5.046 м / с

Визначення коефіцієнта запасу по критичної теплового навантаження.

3.2.1. Коефіцієнти нерівномірності тепловиділення

Ефективна добавка відбивача δ0 = 0.1 м

Ефективна висота активної зони Hеф = HАЗ + 2 · δ0 = 3.376 + 2.0 .1 = 3.576 м

по осі реактора: Kz = = 1.489

по радіусу активної зони: Kr = = 2.078

3.2.2. Коефіцієнт нерівномірності тепловиділення в обсязі АЗ

Kv = Kz · Kr = 1.489 · 2.078 = 3.094

Максимальна величина теплового навантаження на одиницю поверхні ТВЕЛу

Середня теплове навантаження на одиницю поверхні ТВЕЛу qF = = = 0.509 МВт/м2

qmax = qF · Kv = 0.509 · 3.094 = 1.575 МВт/м2

Критичний тепловий потік кризи першого роду для труби d = 8 мм

Теплота пароутворення теплоносія R = 931.2 кДж / кг

Температура води на лінії насичення ts = 347.32 ° C

Величина паросодержания теплоносія в центральній точці реактора xкр = = = -0.2782

q кр (8) =

=

= 1.347 · 3.5990.5549 · е0.4173 = 4.161 МВт/м2

Критичний тепловий потік кризи першого роду для труб діаметром 2rq

q кр (2rq) = = 3.901 МВт/м2

Коефіцієнт запасу по критичному навантаженні.

Nзап = = 2.477

Розрахунок максимальних температур оболонки ТВЕЛу і матеріалу паливного осердя.

3.3.1. Максимальне тепловиділення в центрі реактора припадає на одиницю висоти ТВЕЛу.

ql, 0 = = 4.503 · 10-2 МВт / м

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія.

Коефіцієнт теплопровідності теплоносія λ = 548.3 · 10-3 Вт / (м · К) при температурі tcр

Еквівалентний діаметр перетину для проходу води dекв = = 6.851 · 10-3 м

Кінематична в'язкість води. Для її визначення необхідно знайти динамічну в'язкість. μ = 8.936 · 10-5 Па / с. ν = = 1.253 · 10-7 м2 / с

Критерій Рейнольдса Re = = 2.759 · 105

Число Прандтля Pr = 0.9217

α = = 3.685 · 104 Вт / м 2

Перепад температури між оболонкою ТВЕЛу і теплоносієм в центрі реактора.

Δθа0 = = 40.61 ° С

Координата в якій температура на зовнішній поверхні оболонки ТВЕЛу максимальна.

Z *= = 0.4287м

Максимальна температура зовнішньої поверхні оболонки ТВЕЛу

t = 351.7 ° C

Температурний перепад у циліндричної оболонці ТВЕЛу

Коефіцієнт теплопровідності матеріалу оболонки λоб = 24.1 Вт / (м · К)

Δθоб0 = = 43.55 ° С

Температурний перепад у зазорі ТВЕЛу

Коефіцієнт теплопровідності газу в зазорі λз = 30 Вт / (м · К)

Δθз0 = = 18.52 ° С

Температурний перепад у циліндричному сердечнику

Коефіцієнт теплопровідності в циліндричному сердечнику λс = 2.7 Вт / (м · К)

Δθс0 = = 1261 ° С

Перепад температур між теплоносієм і паливними сердечником

Δθс = Δθа0 + Δθоб0 + Δθз0 + Δθс0 = 42.46 + 43.55 + 18.52 + 1261 = 1366 ° С

Максимальна температура паливного осердя

t = 1674 ° C

3.4 Визначення області допустимих значень m і qv

Вихідні дані для розрахунку за програмою WWERTR

Теплова потужність реактора [МВт] Тиск в реакторі [МПа] Перепад температур води [° C] Радіус паливного осердя ТВЕЛу [м] Внутрішній радіус оболонки ТВЕЛу [м] Зовнішній радіус оболонки ТВЕЛу [м] Крок решітки [м] Розмір касети "під ключ "[м] Розмір осередку [м] Товщина оболонки касети [м] Ефективна добавка відбивача [м] Кількість ТВЕЛів у касеті [шт] Температура води на лінії насичення [° С] Теплота пароутворення [кДж / кг] Теплоємність води [кДж / кг · К] Теплопровідність води [Вт / м · ° С] Кінематична в'язкість води [м2 / с] Число Прандтля Щільність води [кг/м3] Теплопровідність оболонки ТВЕЛу [Вт / м · ° С] Теплопровідність газу в зазорі ТВЕЛу [Вт / м · ° С] Теплопровідність двоокису урану [Вт / м · ° С] Питомий енерговиділення [кВт / л] Відносна висота активної зони розр. швидкість води [м / с] розр. коефіцієнт запасу розр. координата точки з мак. темп. оболонки [м] розр. мак. температура оболонки ТВЕЛу [° С] розр. мак. температура сердечника ТВЕЛу [° С]

N = 1664.84 P = 15.2 Δt = 31 r1 = 3.8 · 10-3 r2 = 3.9 · 10-3 rq = 4.55 · 10-3 а ¢ ¢ = 12.75 · 10-3 а ¢ = 0.238 а = 0.242 δ = 1.5 · 10-3 δ0 = 0.1 nТВЕЛ = 331 ts = 344 R = 1020.9 Cp = 5.433 λ = 556.658 · 10-3 ν = 1.21 · 10-7 Pr = 0.905 ρв = 724.4 λоб = 23.9 λз = 30.5 λс = 2.7 qv = 100 m = 0.995 Wт = 4.345 Nзап = 2.699 Z *= 0.333 t = 343.957 t = 1623.37

Результати розрахунку по програмі WWERTR.

№		m *		DАЗ		Wт		Nзап		Z *		t		t
		-		м		м / с		-		м		° С		° С
	qv = 50.0 кВт / л
1 2 3 4 5	0.800 1.004 1.203 1.409 1.608		4.602 4.267 4.018 3.812 3.647		2.754 3.204 3.614 4.015 4.386		3.433 3.731 3.990 4.234 4.451		0.546 0.699 0.850 1.007 1.160		345.5 342.1 339.7 337.8 336.3		1016.8 1013.4 1010.5 1007.7 1005.2
	qv = 75.0 кВт / л
1 2 3 4 5	0.802 1.006 1.201 1.405 1.611		4.018 3.726 3.512 3.333 3.184		3.614 4.202 4.730 5.253 5.755		2.707 2.941 3.141 3.332 3.510		0.413 0.530 0.645 0.766 0.889		351.4 347.2 344.2 341.9 340.0		1343.5 1339.7 1336.2 1332.7 1329.3
	qv = 100.0 кВт / л
1 2 3 4 5	0.804 1.001 1.209 1.405 1.604		3.647 3.390 3.184 3.028 2.897		4.386 5.076 5.755 6.362 6.950		2.290 2.482 2.662 2.817 2.962		0.339 0.433 0.533 0.630 0.729		356.2 351.5 347.9 345.3 343.2		1662.9 1659.0 1654.7 1650.7 1646.7
	qv = 125.0 кВт / л
1 2 3 4 5	0.801 1.005 1.213 1.411 1.605		3.390 3.143 2.953 2.807 2.689		5.076 5.905 6.692 7.405 8.067		2.009 2.183 2.341 2.479 2.602		0.289 0.372 0.459 0.543 0.627		360.5 355.1 351.1 348.2 346.0		1976.9 1972.6 1967.8 1963.2 1958.7
	qv = 150.0 кВт / л
1 2 3 4 5	0.806 1.010 1.206 1.412 1.609		3.184 2.953 2.784 2.641 2.528		5.755 6.692 7.529 8.365 9.126		1.812 1.969 2.102 2.231 2.345		0.256 0.330 0.402 0.479 0.555		364.0 358.3 354.2 350.9 348.4		2286.2 2281.8 2276.9 2271.4 2266.1

m = 0.8

m = 1.0

m = 1.2

m = 1.4

m = 1.6

Межі можливого діапазону значень qv

для кожного параметра (за графіками).

m параметри	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6
Wт	-	-	-	-	-
	-	-	-	-	-
Nзап	-	-	-	-	-
	108.1	123.6	139.9	-	-
t	68.83	91.04	116.4	141.6	-
	-	-	-	-	-
t	-	-	-	-	-
	-	-	-	-	-
Діапазон допустимих значень	-	-	-	-	-
	-	-	-	-	-

Прочерк у таблиці означає, що максимальне або (і) мінімальне значення величини знаходиться за межами даної області.

Знак "*" означає, що жодне значення не входить в накладаються обмеження.

Аналіз таблиці показує, що при заданих початкових умовах не існує значень m і qv, які задовольняли б накладеним обмеженням.

3.5. Розрахунок розподілу температури теплоносія, оболонки і паливного осердя по висоті активної зони реактора. m = 1.4, qv = 125 кВт / л.

№	Координата, м	Температура теплоносія, ° С	Температура сердечника, ° С	Температура оболонки, ° С
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	-1.981 -1.585 -1.188 -0.792 -0.396 0.000 0.396 0.792 1.188 1.585 1.981	292.0 293.1 295.5 299.0 303.3 308.0 312.7 317.0 320.5 322.9 324.0	416.8 898.6 1328.0 1666.8 1885.0 1963.2 1894.4 1684.9 1353.1 928.5 448.8	294.8 306.6 318.5 329.5 338.5 344.9 348.0 347.5 343.6 336.4 326.8

Висновки за проведену роботу.

При m = 1 і qv = 100 отримано, що даний приклад не задовольняє умові економічності n = 2.477 (1.6 <n <2.2) і незначно умові надійності tоб = 351.7 oC (tоб <350 oC).

При заданих початкових умовах характеристики теплоносія і реактора, і поставлених обмеження на швидкість теплоносія, коефіцієнт запасу, максимальну температуру оболонки і теплоносія; області допустимих значень відносної висоти активної зони m і питомої енерговиділення qv (m = 0.8 ... 1.6, qv = 50 ... 150) не існує. У всіх випадках, крім останнього (m = 1.6 і qv = 150, тут n> 2.2) не проходить по надійності.

При розрахунку температур по висоті активної зони отримано для m = 1.4 і qv = 125: температура сердечника максимальна в середині висоти ТВЕЛу, температура оболонки максимальна на висоті z = 0.5, а температура теплоносія максимальна в верхній частині ТВЕЛу. Максимальний градієнт температури теплоносія в середині висоти ТВЕЛу.