課程設計報告
( 20 13 -- 2014 年度第二學期)
名稱： 核反應堆熱工分析課程設計
題目：利用單通道模型進行反應堆穩態熱工設計
院系：核科學與工程學院
班級： 實踐核1101班
學號：1111440306
學生姓名：蔣佳
指導教師：王勝飛
設計週數：1周
成績日期：2014 年 6 月 19 日
一、課程設計的目的與要求
反應堆熱工設計的任務就是要設計乙個既安全可靠又經濟的堆芯輸熱系統。對於反應堆熱工設計，尤其是對動力堆，最基本的要求是安全。要求在整個壽期內能夠長期穩定執行，並能適應啟動、功率調節和停堆等功率變化，要保證在一般事故工況下堆芯不會遭到破壞，甚至在最嚴重的工況下，也要保證堆芯的放射性物質不擴散到周圍環境中去。
在進行反應堆熱工設計之前，首先要了解並確定的前提為：
（1）根據所設計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、慢化劑和結構材料等的種類；
（2）反應堆的熱功率、堆芯功率分布不均勻係數和水鈾比允許的變化範圍；
（3）燃料元件的形狀、它在堆芯內的分布方式以及柵距允許變化的範圍；
（4）二迴路對一回路冷卻劑熱工引數的要求；
（5）冷卻劑流過堆芯的流程以及堆芯進口處冷卻劑流量的分配情況。
在設計反應堆冷卻系統時，為了保證反應堆執行安全可靠，針對不同的堆型，預先規定了熱工設計必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設計準則。目前壓水動力堆設計中所規定的穩態熱工設計準則，一般有以下幾點：
（1）燃料元件芯塊內最高應低於其他相應燃耗下的熔化溫度；
（2）燃料元件外表面不允許發生沸騰臨界；
（3）必須保證正常執行工況下燃料元件和堆內構件得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠的冷卻劑以排除堆芯餘熱；
（4）在穩態額定工況和可預計的瞬態執行工況中，不發生流動不穩定性。
在熱工設計中，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，熱點是堆芯中溫度最高的點，代表堆芯熱量密度最大的點，通過這個點來確定dnbr。
熱工課程設計主要是為了培養學生綜合運用反應堆熱工分析課程和其它先修課程的理論和實際知識，樹立正確的設計思想，培養分析和解決實際問題的能力。通過本課程設計，達到以下目的：
1、深入理解壓水堆熱工設計準則；
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）、熱點等在反應堆設計中的應用；
3、掌握堆芯焓場的計算並求出體現在反應堆安全性的主要引數：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、求出體現反應堆先進性的主要引數：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、掌握壓降的計算；
6、掌握單相及沸騰時的傳熱計算。
7、理解單通道模型的程式設計方法。
課程設計要求：
1．設計時間為一周；
2．獨立編制程式計算；
3．迭代誤差為0.1%；
4．計算機繪圖；
5．設計報告寫作認真，條理清楚，頁面整潔；
6．設計報告中要附源程式。
課程設計的考核方式：
1、 報告乙份；2、計算程式及說明乙份；3、答辯。
二、設計任務（設計題目）
探求某情況下壓水堆核電站對應的熱工引數。
某壓水反應堆的冷卻劑和慢化劑都是水，用二氧化鈾作燃料，zr-4作燃料包殼材料。燃料元件無盒壁，燃料元件為棒狀，正方形排列，已知引數如表一所示：
若將堆芯自下而上分為3個控制體，其軸向歸一化功率分布見下表：
表一堆芯歸一化功率分布（軸向等分3個控制體）
表一某壓水反應堆的熱工引數
通過計算，得出：
1. 堆芯流體出口溫度；
2. 燃料棒表面平均熱流密度以及最大熱流密度，平**功率，最大線功率；
3. 熱管內的流體溫度（或焓）、包殼表面溫度、芯塊中心溫度隨軸向的分布；
4. 包殼表面最高溫度，芯塊中心最高溫度；
5. dnbr 在軸向上的變化；
6. 計算堆芯壓降。
三、 設計正文（詳細的計算過程、計算結果及分析）
1.計算過程
1.1堆芯流體出口溫度（平均管）
按流體平均溫度以及壓力由表中查得。
1.2燃料表面平均熱流密度
w/m2
式中為堆芯燃料棒的總傳熱面積
m2燃料棒表面最大熱流密度qmax
w/m2
燃料棒平**功率
w/m燃料棒最大線功率
w/m1.3平均管的情況
平均管的流速v
m/s式中，堆芯內總流通面積
n0為燃料元件內正方形排列時的每一排（列）的燃料元件數
由壓力以及流體的平均溫度查表得到：
1.4為簡化計算起見，假定熱管內的流體流速vh和平均管的v相同。（實際上，應該按照壓降相等來求。熱管內的流體流速要小一些）。則vh=v
同樣，熱管四根燃料元件組成的單元通道內的流量
1.5熱管中的計算（按乙個單元通道計算）
（1）熱管中的流體溫度
（2）第乙個控制體出口處的包殼外壁溫度
式中：h(z)可以用來求。
所以式中
流體的k(z)、μ（z）和pr數根據流體的壓力好溫度由表查得。（k=λ 傳熱系數）
如果流體已經達到過冷沸騰，用jens-lottes公式：
當時，用前面的式子
當時，用
（3）第乙個控制體出口處的包殼內壁溫度
式中：zr-4的 w/m.℃
(4)第乙個控制體出口處的uo2芯塊外表面溫度
（5）第乙個控制體出口處的uo2芯塊中心溫度
用積分熱導求解的方法，即
其他2個控制體的計算方法相同，重複上述過程即可。
1.6熱管中的
用w-3公式計算，同樣對3個控制體都算
1.7dnbr的計算
1.8計算熱管中的壓降
1.9單相流體的摩擦壓降
式中：單相流體加速壓降：
單相流體提公升壓降：
區域性壓降，出口：
進口：定位格架出口壓降：
其中，比容v按相應的流體壓力和溫度，由表查得。
2.計算結果
1) 流體堆芯出口溫度= 344.0019℃；
2) 燃料棒表面平均熱流密度=8.0505e+005w；
3) 燃料棒表面最大熱流密度= 1.7105e+006w；
4) 燃料棒平**功率= 2.4027e+004w/m；
5) 燃料棒最大線功率= 5.1049e+004w/m；
6) 熱管平均溫度=316.0009℃；
7) 第一控制體出口流體溫度（l1）=299.9305℃；
8) 第一控制體出口處的包殼外壁溫（l1）=330.1578 ℃；
9) 第一控制體出口處的包殼內壁溫(l1)= 338.8008℃；
10) 第一控制體出口處的芯塊外表面溫度（l1）= 517.2810℃；
11) 第一控制體出口處的芯塊中心溫度(l1)= 1.0629e+003℃；
12) 熱管中的(l1)=5.5524e+006w；
13) dnbr(l1)= 6.2001
14) 第二控制體出口流體溫度（l2）=320.6601℃；
15) 第二控制體出口處的包殼外壁溫（l2）=348.6468℃；
16) 第二控制體出口處的包殼內壁溫(l2)=364.3162℃；
17) 第二控制體出口處的芯塊外表面溫度（l2）=698.9667℃；
反應堆工程學複習總結
第一章1 反應堆的分類 按用途分 1 實驗堆，2 生產堆，3 動力堆 按慢化劑和冷卻劑分 輕水堆 重水堆 石墨氣冷堆 鈉冷快堆等。2 動力反應堆的型別 水冷堆 包括輕水堆和重水堆 氣冷堆和快中子增殖堆。3 壓水堆 作為冷卻劑的水始終保持在整體過冷狀態。壓水堆由堆芯 堆內構件 壓力容器及控制棒驅動機構...