1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告( 2016 - 2017 年度第 二 學(xué)期)名 稱： 核反應(yīng)堆熱工分析課程設(shè)計(jì) 題 目：利用單通道模型進(jìn)行反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)院 系： 核科學(xué)與工程學(xué)院 班 級： 核電1403班 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 李鋮 指導(dǎo)教師： 王升飛、李向賓 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1周 成 績： 日期：2017年06月23日目 錄一、課程設(shè)計(jì)的目的與要求1二、 設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)題目）2三、設(shè)計(jì)正文（詳細(xì)的計(jì)算過程、計(jì)算結(jié)果及分析）21.基本參數(shù)的確定：22.計(jì)算最大熱流密度33.求堆芯等效直徑34.熱管半高度處水的比焓：（根據(jù)表5-1取)35.熱管半高度處冷卻劑流速46.計(jì)算熱管半高度處燃料元件表面與冷卻劑間的對流

2、換熱系數(shù)47.計(jì)算燃料元件表面的最高溫度58.燃料元件包殼內(nèi)表面最高溫度69.燃料芯塊表面最高溫度610.計(jì)算燃料芯塊的中心最高溫度711.數(shù)據(jù)檢驗(yàn)過程7四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論8附錄（設(shè)計(jì)流程圖、程序、表格、數(shù)據(jù)等）9設(shè)計(jì)流程圖9程序設(shè)計(jì)10一、課程設(shè)計(jì)的目的與要求反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要設(shè)計(jì)一個既安全可靠又經(jīng)濟(jì)的堆芯輸熱系統(tǒng)。對于反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)，尤其是對動力堆，最基本的要求是安全。要求在整個壽期內(nèi)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，并能適應(yīng)啟動、功率調(diào)節(jié)和停堆等功率變化，要保證在一般事故工況下堆芯不會遭到破壞，甚至在最嚴(yán)重的工況下，也要保證堆芯的放射性物質(zhì)不擴(kuò)散到周圍環(huán)境中去。在進(jìn)行反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)之前，首先

3、要了解并確定的前提為：（1）根據(jù)所設(shè)計(jì)堆的用途和特殊要求（如尺寸、重量等的限制）選定堆型，確定所用的核燃料、冷卻劑、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料等的種類；（2）反應(yīng)堆的熱功率、堆芯功率分布不均勻系數(shù)和水鈾比允許的變化范圍；（3）燃料元件的形狀、它在堆芯內(nèi)的分布方式以及柵距允許變化的范圍；（4）二回路對一回路冷卻劑熱工參數(shù)的要求；（5）冷卻劑流過堆芯的流程以及堆芯進(jìn)口處冷卻劑流量的分配情況。在設(shè)計(jì)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)時，為了保證反應(yīng)堆運(yùn)行安全可靠，針對不同的堆型，預(yù)先規(guī)定了熱工設(shè)計(jì)必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。目前壓水動力堆設(shè)計(jì)中所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，一般有以下幾點(diǎn)：（1）燃料元件芯塊內(nèi)

4、最高應(yīng)低于其他相應(yīng)燃耗下的熔化溫度；（2）燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界；（3）必須保證正常運(yùn)行工況下燃料元件和堆內(nèi)構(gòu)件得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠的冷卻劑以排除堆芯余熱；（4）在穩(wěn)態(tài)額定工況和可預(yù)計(jì)的瞬態(tài)運(yùn)行工況中，不發(fā)生流動不穩(wěn)定性。在熱工設(shè)計(jì)中，通常是通過平均通道（平均管）可以估算堆芯的總功率，而熱通道（熱管）則是堆芯中軸向功率最高的通道，通過它確定堆芯功率的上限，熱點(diǎn)是堆芯中溫度最高的點(diǎn)，代表堆芯熱量密度最大的點(diǎn)，通過這個點(diǎn)來確定DNBR。熱工課程設(shè)計(jì)主要是為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用反應(yīng)堆熱工分析課程和其它先修課程的理論和實(shí)際知識，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問題的能力。

5、通過本課程設(shè)計(jì)，達(dá)到以下目的：1、深入理解壓水堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；2、深入理解單通道模型的基本概念、基本原理。包括了平均通道（平均管）、熱通道（熱管）、熱點(diǎn)等在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；3、掌握堆芯焓場的計(jì)算并求出體現(xiàn)在反應(yīng)堆安全性的主要參數(shù)：燒毀比DNBR，最小燒毀比MDNBR，燃料元件中心溫度及其最高溫度，包殼表面溫度及其最高溫度等；4、求出體現(xiàn)反應(yīng)堆先進(jìn)性的主要參數(shù)：堆芯流量功率比，堆芯功率密度，燃料元件平均熱流密度（熱通量），最大熱流密度，冷卻劑平均流速，冷卻劑出口溫度等；5、掌握壓降的計(jì)算；6、掌握單相及沸騰時的傳熱計(jì)算。7、理解單通道模型的編程方法。課程設(shè)計(jì)要求：1設(shè)計(jì)時間為一周；2獨(dú)立編制

6、程序計(jì)算；3迭代誤差為0.1%；4開放題目要求：自擬背景，設(shè)置初始參數(shù)（參數(shù)設(shè)置不當(dāng)可以調(diào)整初始參數(shù)），劃分3-6個控制體（余弦變化），計(jì)算機(jī)繪圖，包括燃料包殼、芯塊沿軸向溫度、DNBR；5設(shè)計(jì)報(bào)告寫作認(rèn)真，條理清楚，頁面整潔；6設(shè)計(jì)報(bào)告中要附源程序。課程設(shè)計(jì)的考核方式：1、 報(bào)告一份；2、計(jì)算程序、流程圖及程序說明一份；3、答辯。2、 設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)題目） 已知壓水反應(yīng)堆的熱功率；燃料元件包殼外徑，包殼內(nèi)徑，芯塊直徑；燃料組件采用17x17正方形排列，共157組燃料組件；每個組件內(nèi)有24個控制棒套管和一個中子通量測量管；燃料棒中心間柵距P13.6mm,組件間水隙。系統(tǒng)工作壓力p14.5MPa

7、，冷卻劑平均溫度，堆芯冷卻劑平均溫升；冷卻劑旁流系數(shù)；冷卻劑設(shè)計(jì)總流量71370m3/h；DNBR=2.08;又設(shè)燃料元件內(nèi)釋熱份額占總釋熱量的97.4%；堆芯高度取L3.66 m；并近似認(rèn)為燃料元件表面最大熱流密度、元件表面最高溫度和元件中心最高溫度都發(fā)生在元件半高度處；已知元件包殼的熱導(dǎo)率。試用單通道模型求燃料元件中心溫度。(大亞灣)三、設(shè)計(jì)正文（詳細(xì)的計(jì)算過程、計(jì)算結(jié)果及分析）1.基本參數(shù)的確定：根據(jù)冷卻劑的平均溫度，堆芯內(nèi)冷卻劑平均溫升知： =310 =-=31.6 （1）求得出口溫度為=325.8，入口溫度為= 294.2。 系統(tǒng)工作壓力p14.5MPa，入口比焓為=1284.6kJ

8、/kg,冷卻劑平均溫度條件下，比容=0.m/kg,密度=1/=702.44kg/m,動力粘度，普朗克數(shù),熱導(dǎo)率。2.計(jì)算最大熱流密度堆芯燃料棒數(shù)目：N=157*(17*17-24-1)=41448 （2）平均熱流密度為 （3）假設(shè)=2.80，則燃料元件最大熱流密度： =1.35熱點(diǎn)因子：線功率：3.求堆芯等效直徑 (5)式中為正方形組件每邊長，單位：。因組件無盒壁，但考慮到裝卸料的要求，組件間的水隙為 ，即相鄰組件的燃料元件棒中心距為，故得將代入式中，得4.熱管半高度處水的比焓：（根據(jù)表5-1取)由工作壓力下的焓溫轉(zhuǎn)換關(guān)系得5.熱管半高度處冷卻劑流速取熱管半高度處冷卻劑流速近似等于平均管半高處

9、的流速，即式中：為堆芯燃料元件周圍的冷卻劑總有效流通截面積（）；為冷卻劑平均溫度下的密度 （）。包括兩部分：一部分是組件內(nèi)燃料元件棒之間冷卻劑的流通截面積；另一部分是組件間水隙的橫截面積，因?yàn)榱鬟^這個水隙的冷卻劑是冷卻組件最外面一排燃料組件用的，所以它也屬于有效冷卻劑流通面積。由此得于是6.計(jì)算熱管半高度處燃料元件表面與冷卻劑間的對流換熱系數(shù)式中為一個燃料元件柵元中冷卻劑通道的當(dāng)量直徑（），冷卻劑通道的當(dāng)量直徑：當(dāng)，時查看教材附錄-1的飽和水的熱物性，由雙線性插值法得 則雷諾數(shù)根據(jù)D-B公式：7.計(jì)算燃料元件表面的最高溫度因，故所以，燃料元件外表面最高溫為8.燃料元件包殼內(nèi)表面最高溫度其中：為

10、包殼厚度（），；為包殼材料熱導(dǎo)率式中，因尚未求出，故暫取為，則可得因而故得誤差：精度已經(jīng)符合要求，如果要求更精確，可用值再進(jìn)行迭代。所以，燃料元件內(nèi)表面最高溫為。9.燃料芯塊表面最高溫度燃料芯塊與包殼的傳熱過程采用接觸間隙導(dǎo)熱模型式中是包殼與芯塊間的氣隙等效傳熱系數(shù)，這里取，則于是所以，二氧化鈾芯塊表面最高溫度為。10.計(jì)算燃料芯塊的中心最高溫度故得注：查表3-7積分熱導(dǎo)率表得各個數(shù)值所以，二氧化鈾芯塊中心最高溫度為11.數(shù)據(jù)檢驗(yàn)過程 的迭代修正確定過程中，假設(shè)了，求得的誤差0.1%，所以認(rèn)為假設(shè)合理。使用公式求解，若還要更加精確再次迭代就可以。四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論根據(jù)單通道模型計(jì)算芯塊中心

11、最高溫度為，小于其相應(yīng)燃耗下的熔點(diǎn)?？梢蕴岣叨研竟β省Ｇ矣?jì)算之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)和修改，將誤差做到最小。 本次課程設(shè)計(jì)通過給定反應(yīng)堆的參數(shù)要求，計(jì)算堆內(nèi)燃料芯塊的中心溫度，是很具有實(shí)際功用的，可以用來校核芯快溫度，防止堆芯事故。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我對核反應(yīng)堆熱工分析這門課程有了更進(jìn)一步的理解。在此之前，我只是對該門課程中所涉及的概念及公式有一些簡單認(rèn)識，而經(jīng)過本次的課設(shè)，讓我掌握如何將其運(yùn)用到實(shí)際的反應(yīng)堆計(jì)算之中。為了本次課程設(shè)計(jì)能夠更好地完成，我再次認(rèn)真學(xué)習(xí)了核反應(yīng)堆熱工分析這門課。在設(shè)計(jì)中涉及到了圓柱燃料元件及包殼的導(dǎo)熱計(jì)算，燃料元件，包殼及冷卻劑的熱物性計(jì)算，包殼與燃料元件之間的間隙傳

12、熱，閉式通道的流量分配，熱管因子和熱點(diǎn)因子，積分熱導(dǎo)率等多個知識點(diǎn)，這讓我對這些知識點(diǎn)又能重新認(rèn)識。除了理論知識的學(xué)習(xí)外，我加強(qiáng)了實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，比如對書本公式的綜合運(yùn)用，對計(jì)算機(jī)軟件的使用。在設(shè)計(jì)中，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，將具體例子轉(zhuǎn)化成物理模型并分塊考慮。 課程設(shè)計(jì)對我們而言不僅僅是一門專業(yè)課，更是一次機(jī)會使我們將課上所學(xué)的知識通過實(shí)踐來與運(yùn)用相結(jié)合，讓我們在課設(shè)的過程之中進(jìn)行思考，更加深入的理解所學(xué)知識點(diǎn)。通過本次設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了將理論和實(shí)踐結(jié)合的方法，這種方法無論是在今后的學(xué)習(xí)生活中，亦或是工作中都會給我?guī)砗艽蟮膸椭?。附錄（設(shè)計(jì)流程圖、程序、表格、數(shù)據(jù)等）設(shè)計(jì)流程圖開始讀輸入?yún)?shù)計(jì)算有關(guān)參數(shù)

13、半高處冷卻劑溫度包殼外表面溫度包殼內(nèi)表面溫度芯塊表面溫度芯塊中心溫度停機(jī)程序設(shè)計(jì)%參數(shù)Nt=;hi=0.0012;e=10;Dcs=0.0098;Dci=0.00836;Du=0.00819;pi=3.14;w=0.001;p1=0.0136;P=14.5;tR=310;dt=31.6;c=0.045;Wt=19825;Fq=2.29;Fhn=1.65;Fhe=1.08;DNBR=2.08;Qu=0.974;L=3.66;%元件棒根數(shù)N=157*(17*17-24-1);%熱流密度q=Nt*Qu/(pi*Dcs*L*N);qmax=q*Fq;ql=q*pi*Dcs;qlmax=ql*Fq;%堆

14、芯等效直徑T2=(17*p1+hi)2;Def=sqrt(157*T2/(pi/4);%進(jìn)出口溫度tin,tex=solve(tex-tin=31.6,(tex+tin)/2=310);%堆芯半高處比焓Wef=Wt*(1-c);Hhalf=(Nt*Fhn*Fhe)/(2*Wef)+1284.6;H1=(1373.2-1374.5)*0.5+1374.5;H2=(1402.4-1404.3)*0.5+1404.3;thalf=326.3%半高處流速v=0.;At=N*(p12-pi*Dcs2/4)+157*(4*17*p1*hi);V=Wef*v/At;%對流換熱系數(shù)De=4*(p12-pi*Dcs2/4)/(Dcs*pi);u=82.7*e-6;k=0.54;Re=V*De/(u*v);Nu=0.023*Re0.8*0.930.4;h=Nu*k/De;%包殼外表面最高溫度dtf1=qmax/h;dtf2=345+25*(qmax/)0.25*exp(-P/6.2)-thalf;if dtf11e-3 tc=tco;Kc=0.00547*(1.8*tc+32)+