1、5.1 引言 5.2 反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 5.3 熱管因子和熱點(diǎn)因子 5.4 臨界熱流密度與最小DNBR 5.5 單通道模型反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的一般步驟概況 5.6 子通道模型的反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)概述,第五章 反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)原理,2,5.1 引 言,反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的目標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)的輸熱系統(tǒng),熱工設(shè)計(jì)涉及面廣： 堆物理設(shè)計(jì) 元件設(shè)計(jì)（燃料元件） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一回路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二回路系統(tǒng)設(shè)計(jì),3,就是在堆型和為進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)所必需的條件已經(jīng)確定的前提下，通過一系列的熱工水力計(jì)算和一二回路熱工參數(shù)的最優(yōu)選擇，確定在額定功率下為滿足反應(yīng)堆安全要求所必需的堆芯燃料元件的總傳熱面積

2、、燃料元件的幾何尺寸以及冷卻劑的流速、溫度和壓力等，使堆芯在熱工方面具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)所要解決的具體問題,5.1 引 言,4,反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的前提,(1) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的堆用途和特殊要求選定堆型，確定所用的核燃料、慢化劑、冷卻劑和結(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)的布置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,5,熱工設(shè)計(jì)的任務(wù)： 設(shè)計(jì)燃料組件 設(shè)計(jì)總傳熱面積 設(shè)計(jì)冷卻劑：溫度分布；壓力分布；流速分布。

3、 熱工設(shè)計(jì)的過程： 方案設(shè)計(jì) 初步設(shè)計(jì) 施工設(shè)計(jì),6,5.2 反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,概念： 在設(shè)計(jì)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)時(shí)，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。 內(nèi)容： 燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界 燃料元件芯塊最高溫度應(yīng)低于熔化溫度 在穩(wěn)態(tài)額定工況時(shí)，要求在計(jì)算的最大熱力功率情況下，不發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。,7,1.燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界 通常用DNBR來定量地表示這個(gè)限制條件，該準(zhǔn)則規(guī)定，在計(jì)算的最大熱功率下，堆芯最小DNBR不應(yīng)低于某一限值。 2.燃料元件芯快最高溫度小于限值對于二氧化鈾為燃料的壓水堆，該限值大

4、多介于22002450oC之間（2800oC） 3.在穩(wěn)態(tài)額定工況不發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性對于壓水堆，只要堆芯最熱通道出口附近冷卻劑的含汽量小于某一數(shù)值，既不會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。,5.2 壓水堆的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,8,燃料元件表面最高溫度小于限值 燃料元件中心最高溫度小于限值 燃料元件和結(jié)構(gòu)材料的熱應(yīng)力小于限值,高溫氣冷堆的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,9,5.3 熱管因子及熱點(diǎn)因子,熱管、熱點(diǎn)與平均管 當(dāng)不考慮在堆芯進(jìn)口處冷卻劑流量分配的不均勻，以及不考慮燃料元件的尺寸、性能等在加工、安裝、運(yùn)行中的工程因素造成的偏差，單純從核方面考慮，堆芯內(nèi)存在著某一積分功率輸出最大的燃料元件冷卻劑通道，即熱管。 同時(shí)堆芯內(nèi)還存在著

5、某一燃料元件表面熱流量最大的點(diǎn)，即熱點(diǎn)。,10,熱管：積分功率輸出最大的冷卻劑通道 熱點(diǎn)：燃料元件表面熱流量最大的點(diǎn) 認(rèn)為：熱點(diǎn)位于熱管內(nèi) 平均管是一個(gè)具有設(shè)計(jì)的名義尺寸、平均的冷卻劑流量和平均釋熱率的假想通道，反映整個(gè)堆芯的平均特性。 為何要引入熱管（點(diǎn)）因子的概念？,11,在知道堆的功率、傳熱面積以及流量等條件以后，確定堆芯內(nèi)熱工參數(shù)的平均值是比較容易的。但是堆芯功率的輸出不受熱工參數(shù)平均值的限制，而是受堆芯最惡劣的局部熱工參數(shù)值的限制。而要得到局部的熱工參數(shù)卻不是一件容易的事。 為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離平均值的程度，引進(jìn)了一個(gè)修正因子，這個(gè)修正因子就稱為熱管因子或熱點(diǎn)因子。它

6、們是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與平均值的比值來表示的。,熱管因子和熱點(diǎn)因子,12,核熱管因子與熱點(diǎn)因子,通常把熱管因子分為兩大類: 一類是核熱管因子 一類是工程熱管因子,13,為了定量地表征熱管和熱點(diǎn)的工作條件，如果不考慮堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周圍反射層的影響，堆芯功率分布的不均勻程度常用熱流量核熱點(diǎn)因子來表示，反應(yīng)堆早期，人為地把熱點(diǎn)位于熱管內(nèi)，故也稱為熱流量核熱管因子。即,14,圓柱形核燃料均勻裝載的非均勻堆,15,對于裸堆，R=Re及LR=LRe，對于大型動(dòng)力堆，粗略計(jì)算可取該值，故有,16,各種堆的核熱管因子（未考慮局部峰）,17,為了定量分析由工程因素引起的熱工參數(shù)

7、偏離名義值的程度，引入工程熱管因子概念：,工程熱管因子及熱點(diǎn)因子,18,故同時(shí)考慮核和工程兩方面的因素后,工程熱管因子及熱點(diǎn)因子,19,工程熱管因子及工程熱點(diǎn)因子的計(jì)算,乘積法 在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，為了確保堆的安全，通常就把所有工程偏差看成是非隨機(jī)性質(zhì)的，因而在綜合計(jì)算影響熱流量的各工程偏差時(shí)，保守地采用了將各個(gè)工程偏差值相乘的方法，即所說的乘積法。 混合法 在這種方法中，是把燃料元件和冷卻劑通道的加工、安裝及運(yùn)行中產(chǎn)生的誤差分成兩大類，一類是非隨機(jī)誤差或系統(tǒng)誤差（乘積法）；另一類是隨機(jī)誤差或偶然誤差（按誤差分布規(guī)律用相應(yīng)公式計(jì)算）。,20,熱管因子及熱點(diǎn)因子的值是影響堆熱工設(shè)計(jì)

8、安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素，因此必須設(shè)法降低總的熱管（點(diǎn)）因子的值。熱管（點(diǎn)）因子是由核和工程兩方面不利因素造成的，因而要減小它們的數(shù)值必須從這兩方面著手。,降低熱管因子和熱點(diǎn)因子的途徑,21,核熱管因子和熱點(diǎn)因子： 沿堆芯徑向裝載不同濃縮度的核燃料 在堆芯周圍設(shè)置反射層 固體可燃毒物的適當(dāng)布置以及控制棒分組及棒位的合理確定。 加硼水,降低熱管因子和熱點(diǎn)因子的途徑,22,工程熱管因子和熱點(diǎn)因子： 合理控制有關(guān)部件的加工及安裝誤差 精細(xì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和堆本體水力模擬實(shí)驗(yàn) 改善下腔室冷卻劑流量分配 加強(qiáng)相鄰燃料元件冷卻劑通道間的流體橫向交混,降低熱管因子和熱點(diǎn)因子的途徑,23,5.4 臨界熱流量

9、與最小DNBR,在壓水堆的熱工設(shè)計(jì)中，不但允許堆芯冷卻劑發(fā)生過冷沸騰，而且還允許在少量冷卻劑通道中發(fā)生飽和沸騰，其目的在于在一定的系統(tǒng)壓力下，提高堆芯出口處的冷卻劑溫度，從而改善整個(gè)核電站的熱效率。但是，燃料元件表面與冷卻劑間的放熱強(qiáng)度并不隨汽泡的增加而單調(diào)上升，有時(shí)可能發(fā)生燃料元件表面的沸騰臨界，此時(shí)燃料元件表面與冷卻劑間的傳熱急劇惡化，導(dǎo)致燃料元件包殼燒毀。因此對于水堆中的沸騰工況進(jìn)行研究極為重要。,24,如圖所示，A-B代炭純液相加熱段，到了曲線的b點(diǎn)，表示開始達(dá)到泡核沸騰，放熱系數(shù)增大，隨著T壁-T的增加，表面熱通量q的增加是很快的。但增大到D點(diǎn)后，出于壁面上開始形成汽膜，便從泡核沸騰

10、轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)沸騰，放熱系數(shù)大幅度下降。,25,在反應(yīng)堆運(yùn)行中，涉及q與T壁-T的關(guān)系式，q實(shí)際上是自變量，而T壁-T是因變量，若元件棒的發(fā)熱量不變，在過渡態(tài)沸騰下，包殼的壁溫會(huì)急切上升而“燒毀”。從泡核沸騰開始轉(zhuǎn)變到過渡態(tài)沸騰的表面熱通量稱為臨界熱通量。,這樣的臨界熱通量是在過冷沸騰或含汽量較低的容積沸騰工況下發(fā)生的。為了和在高含汽區(qū)中液膜“干涸”時(shí)的臨界熱通量相區(qū)別，往往把在圖中的D點(diǎn)的臨界熱通量稱為“偏離泡核沸騰”(DNB)下的熱通量。,26,臨界熱流量的計(jì)算,出現(xiàn)沸騰危機(jī)時(shí)的臨界熱流密度對水冷堆的設(shè)計(jì)十分重要。若干年來，國內(nèi)外作了許多實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作，但目前還沒能提出一個(gè)完整的理論

11、計(jì)算公式，因而，進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)時(shí)還不得不應(yīng)用由實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理出來的經(jīng)驗(yàn)公式。,27,覆蓋大多數(shù)動(dòng)力堆所關(guān)心的參數(shù)范圍，湯烺孫等人提出,典型的臨界熱流量公式,軸向均勻加熱的W3公式：,28,29,該公式主要是根據(jù)軸向熱流量均勻分布的單通道實(shí)驗(yàn)所得到的臨界熱流量數(shù)據(jù)整理而成， 也可以用于軸向熱流量非均勻分布的棒束元件冷卻劑通道的臨界熱流量計(jì)算，只是要采用冷卻劑通道的局部參數(shù)，而不是整個(gè)棒束組件內(nèi)的平均參數(shù)，軸向熱流的不均勻分布還要采用不均勻因子來修正。如果存在非加熱的壁面，則還要用一個(gè)冷壁因子來修正。對于堆芯內(nèi)的定位件及混流片，由于加強(qiáng)交混強(qiáng)化了傳熱，可用定位件修正因子進(jìn)行修正。,30,W3公式的修正

12、,軸向熱流的不均勻分布用一個(gè)熱流分布不均勻因子Fs來修正。 如果實(shí)際的棒束通道中還存在非加熱的壁面（即冷壁），則還要用一個(gè)冷壁因子Fc加以修正； 堆內(nèi)燃料組件上有各種形式的定位件及混流片。這個(gè)因素的影響可用定位修正因子Fg修正。,31,采用上述修正后，計(jì)算得到的值和實(shí)驗(yàn)測得的值之間還有差別，還須結(jié)合具體結(jié)構(gòu)乘上修正系數(shù)。,32,33,壓力的影響,W-3 公式解剖,34,平衡態(tài)含汽量的影響,質(zhì)量流量的影響,35,水力直徑的影響,36,質(zhì)量流量的影響,37,在沸騰中發(fā)生“燒毀”，主要原因是受熱壁上蓋有一層汽膜，液體不能補(bǔ)充到受熱面上去，由于汽膜的熱阻大，故壁溫迅速上升而燒毀。 因此，所有影響汽泡生

13、成速度、汽泡體積的大小和密度情況以及汽泡層厚度的各種因素，如流速、沿通道的熱通量分布、棒束的幾何結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的壓力等，都會(huì)對臨界熱通量有重要的影響。 qDNB是水堆設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此分析影響qDNB的各種因素，從而找到提高qDNB的各種途徑，是一個(gè)十分重要的課題。除前面已經(jīng)討論的熱流分布不均勻、冷壁和定位架等因素外還有：,影響臨界熱流量的因素,38,1.冷卻劑質(zhì)量流速 對過冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，當(dāng)冷卻劑的質(zhì)量流速增大時(shí)，流體的擾動(dòng)增加，汽泡容易脫離加熱面，從而qDNB增大。 流速增大到一定數(shù)值后，在繼續(xù)增加流速對提高qDNB的貢獻(xiàn)就小了。 在高含汽量飽和沸騰的情況下，如果冷卻劑的流型是

14、環(huán)狀流，增加冷卻劑流速反而會(huì)使加熱面上的液膜變薄，從而加速燒干。,39,2.進(jìn)口處冷卻劑過冷度 進(jìn)口處的冷卻劑過冷度越大，則加熱面上形成穩(wěn)定的汽膜所需的熱量越多， qDNB增大。但是當(dāng)過冷度增大到某一數(shù)值時(shí)，會(huì)發(fā)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致熱管內(nèi)冷卻劑流量減小，從而qDNB下降。 過冷度小到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)發(fā)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性。究竟如何確定進(jìn)口冷卻劑的過冷度，要根據(jù)系統(tǒng)具體的熱工和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。,40,3.工作壓力對于加熱的流動(dòng)沸騰系統(tǒng)，壓力對qDNB的影響，不同研究人員的觀點(diǎn)還不太一致。有些研究人員認(rèn)為，壓力升高，qDNB會(huì)稍有下降。單從W-3公式來看，當(dāng)系統(tǒng)的加熱量一定時(shí)，壓力增加，冷卻劑的含

15、汽量也在變化，因而qDNB有可能增大。對于池式沸騰，當(dāng)壓力小于6.68MPa時(shí)， qDNB隨壓力的增加而增大，壓力大于6.68MPa時(shí)，壓力增大，qDNB反而減小。,41,4.冷卻劑焓沸騰臨界發(fā)生處的冷卻劑焓值的大小，主要反映在含汽量的大小上，冷卻劑焓值越高，含汽量越大，從而臨界熱流量也就越小。,42,5.通道進(jìn)口段長度 進(jìn)口段長度的影響通常用L/d的值來表示，L/d的值越小，受進(jìn)口局部擾動(dòng)的影響越大，因而qDNB增大。 L/d的值小于50時(shí)， L/d的值的改變對qDNB影響較大。此外，隨著進(jìn)口過冷度和質(zhì)量流量的增加， L/d的值對qDNB影響相對減小。,43,6.加熱表面粗糙度加熱表面粗糙度

16、的影響，只是對新堆才比較明顯。表面粗糙度一方面可以增加汽化核心的數(shù)目，另一方面又可以增強(qiáng)流體的湍流擾動(dòng)，在過冷沸騰和低含汽量飽和沸騰的情況下，會(huì)使qDNB增大。但是在高含汽量的飽和沸騰的環(huán)狀流情況下，粗糙的表面會(huì)加強(qiáng)流體的湍流擾動(dòng)，使加熱面上的一薄層液膜變得更薄，從而加速沸騰臨界的到來。運(yùn)行一段時(shí)間后，加熱面的粗糙度因受流體沖刷而變小了，對qDNB的影響也就小了。,44,45,46,47,48,為了保證反應(yīng)堆的安全，在水堆的設(shè)計(jì)中，總是要求燃料元件表面的最大熱流量小于臨界熱流量。為了定量地表達(dá)這個(gè)安全要求，引入了DNBR。 DNBR值沿著冷卻劑通道長度是變化的，其最小值稱為MDNBR，如果臨界

17、熱流量的計(jì)算公式?jīng)]有誤差，則當(dāng)MDNBR=1時(shí)，表示燃料元件發(fā)生燒毀。因此MDNBR通常是水堆的一個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。,DNBR與最小DNBR,49,DNBR與最小DNBR,50,對于穩(wěn)態(tài)工況和預(yù)計(jì)的事故工況，都要分別定出MDNBR的值，其具體值和所選用的計(jì)算公式有關(guān)，例如選W-3公式，壓水堆穩(wěn)態(tài)額定工況時(shí)一般可取MDNBR= 1.82.2，而對預(yù)計(jì)的常見事故工況，則要求MDNBR1.3。,對于堆運(yùn)行的不同壽期，會(huì)有不同的MDNBR，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這一點(diǎn)，保證在堆的整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)，在穩(wěn)態(tài)額定工況下的MDNBR仍然在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定的范圍內(nèi)。,51,燃料元件表面熱流量和DNBR沿軸向變化示意圖,52,單通道模型 只要保證熱管的安全，而無需再繁瑣地計(jì)算堆內(nèi)其余元件和冷卻劑通道的熱工參數(shù)，就能保證堆芯其余燃料元件的安全了，在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，堆熱工設(shè)計(jì)采用熱管和熱點(diǎn)分析模型。 子通道分析模型（可以確定出真正的熱管和熱點(diǎn)） 近年來隨著堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累、計(jì)算模型的發(fā)展、