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1、1,5.1 引言5.2 反应堆热工设计准则5.3 热管因子和热点因子5.4 临界热流密度与最小DNBR5.5 单通道模型反应堆热工设计的一般步骤概况5.6 子通道模型的反应堆稳态热工设计概述,第五章 反应堆稳态热工设计原理,2,5.1 引 言,反应堆热工设计的目标设计一个既安全可靠又经济的输热系统,热工设计涉及面广：堆物理设计 元件设计（燃料元件）结构设计 控制系统设计 一回路系统设计 二回路系统设计,3,就是在堆型和为进行热工设计所必需的条件已经确定的前提下，通过一系列的热工水力计算和一二回路热工参数的最优选择，确定在额定功率下为满足反应堆安全要求所必需的堆芯燃料元件的总传热面积、燃料元件的
2、几何尺寸以及冷却剂的流速、温度和压力等，使堆芯在热工方面具有较高的技术经济指标。,反应堆热工设计所要解决的具体问题,5.1 引 言,4,反应堆热工设计的前提,(1)根据所设计的堆用途和特殊要求选定堆型，确定所用的核燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料等的种类(2)反应堆的热功率、堆芯功率分布不均匀系数和水铀比允许的变化范围(3)燃料元件的形状、它在堆芯内的布置方式以及栅距允许变化的范围(4)二回路对一回路冷却剂热工参数的要求(5)冷却剂流过堆芯的流程以及堆芯进口处冷却剂流量的分配情况,5,热工设计的任务：设计燃料组件 设计总传热面积 设计冷却剂：温度分布；压力分布；流速分布。热工设计的过程：方案设计
3、 初步设计 施工设计,6,5.2 反应堆热工设计准则,概念：在设计反应堆冷却系统时，为了保证反应堆运行安全可靠，针对不同的堆型，预先规定了热工设计必须遵守的要求，这些要求通常就称为堆的热工设计准则。内容：燃料元件外表面不允许发生沸腾临界燃料元件芯块最高温度应低于熔化温度在稳态额定工况时，要求在计算的最大热力功率情况下，不发生流动不稳定性。,7,1.燃料元件外表面不允许发生沸腾临界 通常用DNBR来定量地表示这个限制条件，该准则规定，在计算的最大热功率下，堆芯最小DNBR不应低于某一限值。2.燃料元件芯快最高温度小于限值对于二氧化铀为燃料的压水堆，该限值大多介于22002450oC之间（2800
4、oC）3.在稳态额定工况不发生流动不稳定性对于压水堆，只要堆芯最热通道出口附近冷却剂的含汽量小于某一数值，既不会发生流动不稳定性。,5.2 压水堆的热工设计准则,8,燃料元件表面最高温度小于限值 燃料元件中心最高温度小于限值 燃料元件和结构材料的热应力小于限值,高温气冷堆的热工设计准则,9,5.3 热管因子及热点因子,热管、热点与平均管 当不考虑在堆芯进口处冷却剂流量分配的不均匀，以及不考虑燃料元件的尺寸、性能等在加工、安装、运行中的工程因素造成的偏差，单纯从核方面考虑，堆芯内存在着某一积分功率输出最大的燃料元件冷却剂通道，即热管。同时堆芯内还存在着某一燃料元件表面热流量最大的点，即热点。,1
5、0,热管：积分功率输出最大的冷却剂通道热点：燃料元件表面热流量最大的点认为：热点位于热管内平均管是一个具有设计的名义尺寸、平均的冷却剂流量和平均释热率的假想通道，反映整个堆芯的平均特性。为何要引入热管（点）因子的概念？,11,在知道堆的功率、传热面积以及流量等条件以后，确定堆芯内热工参数的平均值是比较容易的。但是堆芯功率的输出不受热工参数平均值的限制，而是受堆芯最恶劣的局部热工参数值的限制。而要得到局部的热工参数却不是一件容易的事。为了衡量各有关的热工参数的最大值偏离平均值的程度，引进了一个修正因子，这个修正因子就称为热管因子或热点因子。它们是用各有关的热工（或物理）参数的最大值与平均值的比值
6、来表示的。,热管因子和热点因子,12,核热管因子与热点因子,通常把热管因子分为两大类:一类是核热管因子一类是工程热管因子,13,为了定量地表征热管和热点的工作条件，如果不考虑堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周围反射层的影响，堆芯功率分布的不均匀程度常用热流量核热点因子来表示，反应堆早期，人为地把热点位于热管内，故也称为热流量核热管因子。即,14,圆柱形核燃料均匀装载的非均匀堆,15,对于裸堆，R=Re及LR=LRe，对于大型动力堆，粗略计算可取该值，故有,16,各种堆的核热管因子（未考虑局部峰）,17,为了定量分析由工程因素引起的热工参数偏离名义值的程度，引入工程热管因子概念：,工程热管因子及热
7、点因子,18,故同时考虑核和工程两方面的因素后,工程热管因子及热点因子,19,工程热管因子及工程热点因子的计算,乘积法 在反应堆发展的早期，由于缺乏经验，为了确保堆的安全，通常就把所有工程偏差看成是非随机性质的，因而在综合计算影响热流量的各工程偏差时，保守地采用了将各个工程偏差值相乘的方法，即所说的乘积法。混合法 在这种方法中，是把燃料元件和冷却剂通道的加工、安装及运行中产生的误差分成两大类，一类是非随机误差或系统误差（乘积法）；另一类是随机误差或偶然误差（按误差分布规律用相应公式计算）。,20,热管因子及热点因子的值是影响堆热工设计安全性和技术经济指标的重要因素，因此必须设法降低总的热管（点
8、）因子的值。热管（点）因子是由核和工程两方面不利因素造成的，因而要减小它们的数值必须从这两方面着手。,降低热管因子和热点因子的途径,21,核热管因子和热点因子：沿堆芯径向装载不同浓缩度的核燃料在堆芯周围设置反射层固体可燃毒物的适当布置以及控制棒分组及棒位的合理确定。加硼水,降低热管因子和热点因子的途径,22,工程热管因子和热点因子：合理控制有关部件的加工及安装误差精细进行结构设计和堆本体水力模拟实验改善下腔室冷却剂流量分配加强相邻燃料元件冷却剂通道间的流体横向交混,降低热管因子和热点因子的途径,23,5.4 临界热流量与最小DNBR,在压水堆的热工设计中，不但允许堆芯冷却剂发生过冷沸腾，而且还
9、允许在少量冷却剂通道中发生饱和沸腾，其目的在于在一定的系统压力下，提高堆芯出口处的冷却剂温度，从而改善整个核电站的热效率。但是，燃料元件表面与冷却剂间的放热强度并不随汽泡的增加而单调上升，有时可能发生燃料元件表面的沸腾临界，此时燃料元件表面与冷却剂间的传热急剧恶化，导致燃料元件包壳烧毁。因此对于水堆中的沸腾工况进行研究极为重要。,24,如图所示，A-B代炭纯液相加热段，到了曲线的b点，表示开始达到泡核沸腾，放热系数增大，随着T壁-T的增加，表面热通量q的增加是很快的。但增大到D点后，出于壁面上开始形成汽膜，便从泡核沸腾转变为过渡态沸腾，放热系数大幅度下降。,25,在反应堆运行中，涉及q与T壁-
10、T的关系式，q实际上是自变量，而T壁-T是因变量，若元件棒的发热量不变，在过渡态沸腾下，包壳的壁温会急切上升而“烧毁”。从泡核沸腾开始转变到过渡态沸腾的表面热通量称为临界热通量。,这样的临界热通量是在过冷沸腾或含汽量较低的容积沸腾工况下发生的。为了和在高含汽区中液膜“干涸”时的临界热通量相区别，往往把在图中的D点的临界热通量称为“偏离泡核沸腾”(DNB)下的热通量。,26,临界热流量的计算,出现沸腾危机时的临界热流密度对水冷堆的设计十分重要。若干年来，国内外作了许多实验研究和理论分析工作，但目前还没能提出一个完整的理论计算公式，因而，进行热工设计时还不得不应用由实验结果整理出来的经验公式。,2
11、7,覆盖大多数动力堆所关心的参数范围，汤烺孙等人提出,典型的临界热流量公式,轴向均匀加热的W3公式：,28,29,该公式主要是根据轴向热流量均匀分布的单通道实验所得到的临界热流量数据整理而成，也可以用于轴向热流量非均匀分布的棒束元件冷却剂通道的临界热流量计算，只是要采用冷却剂通道的局部参数，而不是整个棒束组件内的平均参数，轴向热流的不均匀分布还要采用不均匀因子来修正。如果存在非加热的壁面，则还要用一个冷壁因子来修正。对于堆芯内的定位件及混流片，由于加强交混强化了传热，可用定位件修正因子进行修正。,30,W3公式的修正,轴向热流的不均匀分布用一个热流分布不均匀因子Fs来修正。如果实际的棒束通道中
12、还存在非加热的壁面（即冷壁），则还要用一个冷壁因子Fc加以修正；堆内燃料组件上有各种形式的定位件及混流片。这个因素的影响可用定位修正因子Fg修正。,31,采用上述修正后，计算得到的值和实验测得的值之间还有差别，还须结合具体结构乘上修正系数。,32,33,压力的影响,W-3 公式解剖,34,平衡态含汽量的影响,质量流量的影响,35,水力直径的影响,36,质量流量的影响,37,在沸腾中发生“烧毁”，主要原因是受热壁上盖有一层汽膜，液体不能补充到受热面上去，由于汽膜的热阻大，故壁温迅速上升而烧毁。因此，所有影响汽泡生成速度、汽泡体积的大小和密度情况以及汽泡层厚度的各种因素，如流速、沿通道的热通量分布
13、、棒束的几何结构以及系统的压力等，都会对临界热通量有重要的影响。qDNB是水堆设计的重要参数，因此分析影响qDNB的各种因素，从而找到提高qDNB的各种途径，是一个十分重要的课题。除前面已经讨论的热流分布不均匀、冷壁和定位架等因素外还有：,影响临界热流量的因素,38,1.冷却剂质量流速 对过冷沸腾和低含汽量的饱和沸腾，当冷却剂的质量流速增大时，流体的扰动增加，汽泡容易脱离加热面，从而qDNB增大。流速增大到一定数值后，在继续增加流速对提高qDNB的贡献就小了。在高含汽量饱和沸腾的情况下，如果冷却剂的流型是环状流，增加冷却剂流速反而会使加热面上的液膜变薄，从而加速烧干。,39,2.进口处冷却剂过
14、冷度 进口处的冷却剂过冷度越大，则加热面上形成稳定的汽膜所需的热量越多，qDNB增大。但是当过冷度增大到某一数值时，会发生两相流动不稳定性，导致热管内冷却剂流量减小，从而qDNB下降。过冷度小到某一数值时，也会发生两相流动不稳定性。究竟如何确定进口冷却剂的过冷度，要根据系统具体的热工和结构参数确定。,40,3.工作压力对于加热的流动沸腾系统，压力对qDNB的影响，不同研究人员的观点还不太一致。有些研究人员认为，压力升高，qDNB会稍有下降。单从W-3公式来看，当系统的加热量一定时，压力增加，冷却剂的含汽量也在变化，因而qDNB有可能增大。对于池式沸腾，当压力小于6.68MPa时，qDNB随压力
15、的增加而增大，压力大于6.68MPa时，压力增大，qDNB反而减小。,41,4.冷却剂焓沸腾临界发生处的冷却剂焓值的大小，主要反映在含汽量的大小上，冷却剂焓值越高，含汽量越大，从而临界热流量也就越小。,42,5.通道进口段长度 进口段长度的影响通常用L/d的值来表示，L/d的值越小，受进口局部扰动的影响越大，因而qDNB增大。L/d的值小于50时，L/d的值的改变对qDNB影响较大。此外，随着进口过冷度和质量流量的增加，L/d的值对qDNB影响相对减小。,43,6.加热表面粗糙度加热表面粗糙度的影响，只是对新堆才比较明显。表面粗糙度一方面可以增加汽化核心的数目，另一方面又可以增强流体的湍流扰动
16、，在过冷沸腾和低含汽量饱和沸腾的情况下，会使qDNB增大。但是在高含汽量的饱和沸腾的环状流情况下，粗糙的表面会加强流体的湍流扰动，使加热面上的一薄层液膜变得更薄，从而加速沸腾临界的到来。运行一段时间后，加热面的粗糙度因受流体冲刷而变小了，对qDNB的影响也就小了。,44,45,46,47,48,为了保证反应堆的安全，在水堆的设计中，总是要求燃料元件表面的最大热流量小于临界热流量。为了定量地表达这个安全要求，引入了DNBR。DNBR值沿着冷却剂通道长度是变化的，其最小值称为MDNBR，如果临界热流量的计算公式没有误差，则当MDNBR=1时，表示燃料元件发生烧毁。因此MDNBR通常是水堆的一个设计
17、准则。,DNBR与最小DNBR,49,DNBR与最小DNBR,50,对于稳态工况和预计的事故工况，都要分别定出MDNBR的值，其具体值和所选用的计算公式有关，例如选W-3公式，压水堆稳态额定工况时一般可取MDNBR=1.82.2，而对预计的常见事故工况，则要求MDNBR1.3。,对于堆运行的不同寿期，会有不同的MDNBR，在设计时要考虑这一点，保证在堆的整个运行寿期内，在稳态额定工况下的MDNBR仍然在设计准则规定的范围内。,51,燃料元件表面热流量和DNBR沿轴向变化示意图,52,单通道模型 只要保证热管的安全，而无需再繁琐地计算堆内其余元件和冷却剂通道的热工参数，就能保证堆芯其余燃料元件的
18、安全了，在反应堆发展的早期，堆热工设计采用热管和热点分析模型。子通道分析模型（可以确定出真正的热管和热点）近年来随着堆的设计、建造和运行经验的积累、计算模型的发展、实验技术的提高和测量仪表的改进，提高计算可以得到真正的热管所在的位置及其热工参数；也可以得到燃料元件最高中心温度和最高表面温度的数值及其所在的位置。,热管和热点分析模型,53,5-1:某水堆高3m，热棒轴向热流密度分布为。座标原点在堆芯中心平面上，求热通道内轴向热点因子。5-2:已知：求=FSN？,作业,54,5-3:已知反应堆的棒状元件包壳外径的名义尺寸为 1.5263*10e-2m，对已加工的一批元件进行检验，给出下列统计分布。试求对应于极限误差的燃料元件棒的直径。组的序号 组内的平均直径 每组元件的数目,作业,55,结 束,
