Теплогидравлический расчёт ядерного реактора мощностью 3070 МВт

Размещено на http://www.allbest.ru/

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Институт атомной энергетики

Кафедра Ядерных паропроизводящих установок

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине "ТГР ЯР"

на тему

"Теплогидравлический расчёт ядерного реактора мощностью 3070 МВт"

Севастополь

2011



Содержание

Перечень принятых обозначений и сокращений

Введение

1. Компоновка и определение геометрических размеров активной зоны реактора и тепловыделяющей сборки

2. Расчёт расхода теплоносителя и его массовой скорости

3. Расчёт распределения температуры теплоносителя по высоте а.з. ЯР

4. Расчёт распределения температуры стенки ТВЭ по высоте ТВС

5. Определение координат и паросодержания зоны поверхностного кипения

6. Расчёт температуры ядерного топлива по высоте ТВЭла

7. Определение запаса до кризиса теплоотдачи

8. Гидравлический расчёт активной зоны ЯР

Заключение

Список литературы



Перечень принятых обозначений и сокращений

а.з. - активная зона;

АЭС - атомная электрическая станция.

АЭУ - атомная энергетическая установка.

ВВЭР - водо-водяной энергетический ядерный реактор.

ГЦН - главный циркуляционный насос.

КПД - коэффициент полезного действия.

ПГ - парогенератор.

ППУ - паро-производящая установка.

т/н - теплоноситель.

ТВС - тепловыделяющая сборка;

ТВЭл - тепловыделяющий элемент

ЭГ - электрогенератор

ЯР - ядерный реактор.

ЯТ - ядерное топливо.



Введение

В связи с интенсивным ростом количества атомных станций, а также с ростом числа их моделей и модификаций существенным становится вопрос о преимуществах тех или иных установок. В то же время перед конструкторами стоит ряд вопросов, для которых оптимальные решения всё ещё не найдены. На атомных станциях идёт крупнейший оборот финансовых средств и малейший выигрыш в экономичности приносит огромные прибыли, однако нельзя забывать о надёжности и затратах при строительстве установки - это сложная комплексная задача. Эта задачи решается на стадии проектирования.

Расчет реактора на стадии проектирования предполагает определение основных параметров активной зоны, значений температуры, давления и расходов сред, определяющих энергопотоки в реакторе, энергораспределений и условий эксплуатации элементов активной зоны ядерного реактора.

Поиск наиболее выгодного решения из всего многообразия возможных решений - важнейшая задача при проектировании.



1. Компоновка и определение геометрических размеров активной зоны реактора и тепловыделяющей сборки

Нахождение объёма активной зоны

где - тепловая мощность реактора; - среднее удельное энерговыделение в активной зоне, принимаем .

Определение диаметра и высоты активной зоны

где - отношение высоты активной зоны к её диаметру, принимаем (выбираем исходя из соображений минимальной утечки тепловых нейтронов из цилиндрической активной зоны при которой достигается минимальный критический объём)

Определение площади поперечного сечения ячейки

Ячейка а.з. ЯР представляет собой объем, занимаемый ТВС с относящимся к нему замедлителем.

где - размер кассеты под ключ.

Определение числа ТВС в активной зоне



шт.

где - площадь поперечного сечения активной зоны.

Рисунок 1. Поперечное сечение ячеек гетерогенной активной зоны ЯР с треугольной решеткой ТВС и ТВЭ

2. Расчёт расхода теплоносителя и его массовой скорости

Определение расхода теплоносителя через активную зону



где - доля тепла, выделяемая в активной зоне ЯР по таблицам Ривкина:

=f(р=16.5МПа, =326^оС)= 1488.3 кДж/кг

=f(р=16.5МПа, =293^оС)= 1304.6кДж/кг

Нахождение среднего расхода теплоносителя через одну ТВС

Определение максимального расхода через наиболее теплонапряжённую ТВС

где = - радиальный коэффициент неравномерности тепловыделений в активной зоне. В современных ВВЭР Кк=1.3…1.5. В расчет принимаем 1.4

Определение среднего расхода теплоносителяв расчёте на один ТВЭл

где - полное число стержней в ТВС

Определение средней скорости движения теплоносителяв каналах активной зоны



где - средняя плотность теплоносителя в ТВС, .

=f(р=16.5МПа; =310^оС)= 0.0014144 м³/кг

==1/0.0014144=707.0136

Площадь сечения для прохода теплоносителя равна:

3. Расчёт распределения температуры теплоносителя по высоте активной зоны реактора

Построение зависимости изменения температуры теплоносителя по высоте активной зоны. Максимальная температура теплоносителя

где - коэффициент, учитывающий влияние условий охлаждения топливных элементов; - эффективная высота активной зоны; - торцевая эффективная добавкапри наличии железоводного отражателя.



Температура при средней тепловой нагрузке:



Максимальная величина температуры теплоносителя:

tтн(z)=t^maxтн(z)=

Рисунок 2. Распределение температуры теплоносителя по высоте активной зоны.

При косинусоидальном законе распространении удельного тепловыделения по высоте активной зоны энтальпия теплоносителя в любой точке по высоте ТВС определяется из выражения:



Максимальная величина энтальпии теплоносителя:

i_тн(z)=i^maxтн(z)=

В данном пункте был произведен расчет распределения температуры теплоносителя по высоте активной зоны реактора и по полученным значениям построили зависимость изменения температуры теплоносителя , по высоте активной зоны (рис.2). В соответствии с распределением тепла температура теплоносителя в средней части канала возрастает интенсивнее, чем в начале и конце канала ТВС, где тепловыделение значительно меньше чем в центре активной зоны. Величина температуры теплоносителя не превышает температуру насыщения при данном давлении.

4. Расчёт распределения температуры стенки ТВЭ по высоте ТВС

Построение графика изменения линейной среднейтепловой нагрузки по высоте канала



где = 0,95 - доля тепла, выделяемая в ТВЭлах;

где - коэффициент неравномерности тепловыделений по высоте активной зоны реактора

- торцевая эффективная добавка

ql(z)=

Построение графика изменения максимальной тепловой нагрузки по высоте канала



Где_R=1.4 - коэффициент неравномерности тепловыделений по радиусу активной зоны реактора; - коэффициент неравномерности тепловыделений по радиусу ТВС; - коэффициент случайных отклонений теплотехнических параметров от их номинальных значений; - коэффициент, учитывающий случайные отклонения параметров, влияющих на термическое сопротивление теплоотдачи и теплопроводности

ql^max(z)=

Рисунок 3. Изменение линейной тепловой нагрузки по высоте активной зоны.



Построение графиков температуры наружной и внутреннейстенки оболочки по высоте ТВЭл

где - температурный напор на поверхности ТВЭла; - перепад температур в оболочке ТВЭл; - термическое сопротивление теплоотдачи, м^. К/кВт; - термическое сопротивление теплопроводности оболочек ТВЭл, м^. К/кВт;

Температура наружной стенки оболочки:

ядерный реактор топливо теплотехнический

Температура внутренней стенки оболочки:



Определение полного смоченного периметра ТВС

Определение эквивалентного диаметра

где - площадь поперечного (проходного) сечения канала для прохода теплоносителя внутри канала

Определим критерий Рейнольдса

где - средняя скорость теплоносителя;

- коэффициент кинематической вязкости среды, м²/с;

- коэффициент динамической вязкости среды, Па ^.с;

мкПа ^.с;



мкПа ^.с;

Критерий Рейнольдса

Re=Re^max=

Определим критерий Прандтля

,

где-изобарная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг*К)

- это коэффициент теплопроводности



кДж/(кг*К) кДж/(кг*К)

Находим коэффициент теплопроводности теплоносителя () кВт/(м*К):

мВт/М*К;

Находим коэффициент теплопроводности теплоносителя () кВт/(м*К):

мВт/М*К;



Критерий Прандтля:

Pr=

Критерий Прандтля для:

Определим критерий Нуссельта

Nu(z)=



Найдем значения для

=

Определение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене

б(z)=кВт/м²б^max(z)= кВт/м²

Определение термического сопротивления теплоотдачи

где - обогреваемый периметр одного ТВЭла



(z)=м*К/кВт

Найдем для:

(z)=м*К/кВт

Определение величины термического сопротивления оболочки ТВЭла

где - коэффициент теплопроводности материала ТВЭл;

- наружный и внутренний диаметры ТВЭл.



Рисунок 4. Распределение температуры наружной и внутренней оболочки ТВЭЛа по высоте активной зоны.

5. Определение координат и паросодержания зоны поверхностного кипения

Определение критерия Рейнольдса

где

- средняя тепловая нагрузка в расчёте на единицу поверхности ТВЭла, - плотность воды при давлении насыщения, - плотность пара при давлении насыщения, - коэффициент поверхностного натяжения при температуре насыщения, - коэффициент кинематической вязкости на линии насыщения, - скрытая теплота парообразования

Определение относительной энтальпии в точке начала кипения



где - скорость циркуляции или скорость воды,нагретой до температуры насыщения

- критическое давление для воды

Определение координаты начала поверхностного кипения

где

- энтальпия теплоносителя в точке начала кипения

где - энтальпия воды на линии насыщения

Определение массовогопаросодержания в сечениис относительной энтальпией

Где

истинное объёмное паросодержание



6. Расчёт температуры ядерного топлива по высоте ТВЭла

Определение термического сопротивления газового зазора

где - теплопроводность газового зазора;

- внутренний диаметр оболочки ТВЭл;

- диаметр таблетки ядерного топлива;

- толщина газового зазора;

- средний радиус зазора.

Определение температуры наружной поверхности ядерного топлива

где - перепад температуры в контактном слое ТВЭла.



Найдем значения для:

=C

C

Определение температуры топливного сердечника

где - перепад температуры в ядерном топливе;



- термическое сопротивление теплопроводности ядерного топлива для стерженьковых ТВЭЛ;

- теплопроводность ядерного топлива.

;



Рисунок 5. Распределение температуры ЯТ на наружной и внутренней поверхностях по высоте активной зоны ЯР

7. Определение запаса до кризиса теплоотдачи

Определение истинных тепловых нагрузок для средней и максимальной тепловых нагрузок по высоте ТВЭла

;

.



Найдем значения для

=

Определение критических тепловых нагрузок по высоте ТВЭла

Где

,

- относительная энтальпия потока,

r = 894.88 кДж/кг - скрытая теплота парообразования,

кДж/кг - энтальпия теплоносителя на линии насыщения.



Определение запаса до кризиса теплоотдачи

Все значения, полученные для различной высоты а.з. в пределах от до занесены в таблицу 1.3.

Найдем значения для



Рисунок 6.Изменение фактического q и критического q_кр удельного теплового потока по высоте а.з. ЯР.

8. Гидравлический расчёт активной зоны ЯР

Целью гидравлического расчета реактора является определение расхода теплоносителя через ТВС, гидравлического сопротивления контура циркуляции теплоносителя и мощности циркуляционных насосов на его прокачку. Определение потерь давления на трение при продольномомывании труб. При движении в каналах поток испытывает разнообразные воздействия, из которых наиболее значительным является трение, вызываемое вязкостью среды. В результате возникают потери на трение

где

-коэффициент сопротивления трения, зависит от режима течения теплоносителя, геометрии канала, шероховатости поверхности, наличия или отсутствия подогрева теплоносителя в канале и т. п.

- длина и эквивалентный гидравлический диаметр канала;

- средняя плотность потока на участке;

- средняя скорость потока на участке;

- шаг решётки ТВЭлов;

критерий Рейнольдса



- коэффициент кинематической вязкости среды;

- коэффициент динамической вязкости среды;

- эквивалентный (гидравлический) диаметр канала;

Определение местных сопротивлений

Местные сопротивления обусловлены вихреобразованием при поворотах, в местах изменения сечения канала, при преодолении отдельных препятствий, изменяющих скорость и направление потока теплоносителя и т. п. В пределах активной зоны ЯР основными местными сопротивлениями являются сопротивления на входе и выходе из ТВС и сопротивления дистанционирующих решеток.

где

- коэффициент местного сопротивления;

Нахождение изменения скоростного напора

Изменение скоростного напора учитывается для неизотермических потоков, когда скорости и плотности среды на входе и выходе из участка существенно отличаются, что и обуславливает дополнительную потерю давления. Потерю давления на ускорение потока определяют как разность количества движения на участке между двумя рассматриваемыми сечениями:

-пренебрегаем

Определение гидростатического напора

Гидравлические сопротивления, связанные с преодолением сил гравитации, называют гидростатическим напором или нивелирной (гравитационной) составляющей напора, то есть это гидростатическое давление столба циркулирующей среды.

где =9.81м²/с - ускорение свободного падения;

Определение полного сопротивления тракта

Определение доли мощности главных циркуляционных насосов, необходимой для прокачки теплоносителя

где - гидравлические потери в ЯР; - расход через реактор; - КПД ГЦН.



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был проведён теплогидравлический расчёт ядерного реактора мощностью 3070 МВт, давлением 16 МПа. Был проведен расчет теплотехнической надежности ядерного реактора, основных конструкционных размеров, построены графики изменения основных расчетных величин и температур по высоте активной зоны ядерного реактора.

В результате расчёта сделаны следующие выводы - в целом данный реактор пригоден к эксплуатации. Его запас до кризиса теплоотдачи намного превышает минимально необходимый предел (К_зап>1) во всех точках активной зоны, то это значит, что в активной зоне осуществляется бескризисное охлаждение твэл (минимальное значение в данном расчете составляет К_зап =2.446),т.е. в этом случае обеспечивается выполнение условия теплотехнической надежности активной зоны проектируемого водо-водяного реактора.



Список литературы

1. Лукьянов А.А. Теплогидравлический расчёт ядерного реактора. СИЯЭиП2000 г.

2. .Лукьянов А.А. Тепловые и гидродинамические процессы в парогенераторах. ВМФ 1990 г.

3. Саркисов А.А., Пучков В.Н. Физические основы эксплуатации ядерных паропроизводящих установок. М.:Энергоатомиздат1990 г.

4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Москва Энергоатомиздат1984 г.

5. Конспект лекции.

6. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы (для студентов вузов): М., Энергоатомиздат 1990

Размещено на Allbest.ru