В.В. Шаповаленко
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
Методическое пособие
У т в е р ж д е н о
Ученым советом университета
Севастополь
2012 г.
621.039.54(076.2)
Ш 241
УДК 621.039.54(076.2)
Шаповаленко В.В.
Ш 241 Теплогидравлический расчет ядерного энергетического реактора:
Методическое пособие к курсовому проекту- 2-е изд. перераб. и доп. -
Севастополь: СНУЯЭиП, 2013.
Приводится методика и даются практические рекомендации по выполнению теплогидравлического расчета активной зоны водоохлаждаемого ядерного реактора.
Второе издание дополнено необходимой справочной литературой по свойствам основных материалов, используемых в ядерном реакторе, приведены характеристики последних модификаций ТВС для ВВЭР и в краткой форме даны поясняющие объяснения в области теории теплообмена, оценки теплотехнической надежности активной зоны ядерного реактора.
Методические указания рассчитаны на студентов, выполняющих курсовой проект по дисциплине «Теплогидравлический расчет ядерных энергетических реакторов» и дипломного проекта по специальности «Атомная энергетика».
|
|
Рецензенты:
Научный редактор:
ВВЕДЕНИЕ
Теплогидравлический расчет реакторов вместе с физическим, прочностным и экономическим служит цели обоснования реактора ядерной энергетической установки, ее теплотехнической оптимизации и надежности.
Теплогидравлический расчет тесно связан с нейтрононно-физическим расчетом. Без проведения этого расчета невозможны как предварительные проработки схемы и конструкции реактора, так и выбор окончательного варианта.
Основные исходные данные для теплогидравлического расчета реактора определяются в зависимости от поставленной задачи. Различают конструкционный и поверочный теплогидравлические расчеты.
Конструкционный расчет ядерного реактора предполагает выбор его конструкционного оформления, поверхности нагрева и определение единичной мощности при известных параметрах и ограничениях по их предельно допустимым значениям. Он проводится обычно на стадии создания и оптимизации того или иного типа реактора и предполагает проведение многовариантных расчетов, что присуще конструкторским разработкам.
Поверочный теплогидравлический расчет заключается в определении основных теплотехнических параметров при известном конструкционном оформлении реактора и заданной мощности.
Основной целью теплогидравлического расчета является определение основных характеристик активной зоны: линейной тепловой нагрузки, температуры теплоносителя, температуры топлива и оболочки твэла, коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи и сопоставление их по условию обеспечения теплотехнической надежности активной зоны с предельно допустимыми величинами.
|
|
Температуры определяются интенсивностью теплоотвода, поэтому одним из важнейших мероприятий по обеспечению теплотехнической надежности активной зоны реактора является организация эффективного отвода тепла от тепловыделяющих элементов, где выделяется более 90% всей энергии деления ядер урана.
Процессы теплообмена в значительной мере зависят от гидродинамики потока теплоносителя. Гидродинамика определяется гидравлическими сопротивлениями по контуру циркуляции, а на гидравлические сопротивления особенно значительное влияние оказывают характер обтекания поверхности теплообмена, а также состояние теплоносителя в участках активной зоны ядерного реактора.
Целью гидравлического расчета является определение расхода теплоносителя через тепловыделяющие сборки, гидравлического сопротивления контура циркуляции теплоносителя и мощности циркуляционных насосов на его прокачку. При расчете гидравлических сопротивлений тракт циркуляции теплоносителя разбивается условно на характерные участки. И для каждого из участков определяются все виды гидравлических сопротивлений. Полное гидравлическое сопротивление тракта циркуляции теплоносителя складываются из сумы перепадов давлений, расходуемых на трение в каналах, местные сопротивления, изменение скорости потока и определение разности высот входного и выходного сечений циркуляционного контура, рассчитанных на каждом из участков.
Теплогидравлический расчет ведется для самой теплонапряженной ТВС. Поскольку принципы определения температурного поля теплоносителя одни и те же для различных каналов, рассмотрим наиболее общий случай - тепловыделяющую сборку с гладкостержневыми тепловыделяющими элементами, где имеет место турбулентное перемешивание теплоносителя по проходному сечению канала.
В данном методическом пособии представлен поверочный теплогидравлический расчет водоохлаждаемых реакторов, методика которого разработана на базе пособий [2], [5]. За прототип выбран серийный ВВЭР-1000, в котором активная зона набрана из шестигранных ТВС без чехла, без зазора между ними и без профилирования расхода теплоносителя. Расчет температур будет проводиться при средних расходах теплоносителя через одну ТВС , средней скорости движения теплоносителя в каналах и для наиболее теплонапряженной (центральной) ТВС.
При проведении поверочного теплогидравлического расчета реактора на основе опыта проектирования и эксплуатации принимаются основные конструкционные характеристики: структура активной зоны, шаг решетки, конструкция тепловыделяющей сборки. Выбираются схема теплоотвода и основные исходные параметры теплоносителя, тип и конструкция тепловыделяющих элементов. Основным требованием при этом является надежность и технологичность конструкции.
Курсовой проект выполняется в режиме сквозного проектирования.
Нижеприведенные данные выбираются из расчетно-графической работы
«Проектирование ЯЭУ»:
тип реактора – ВВЭР;
Qp - тепловая мощность реактора, МВт;
р - давление теплоносителя, МПа;
tвх - температура теплоносителя на входе в ЯР, оС;
tвых - температура теплоносителя на выходе из ЯР, оС;
Тип конструкции ТВС и ее конструкционные характеристики выбираются в соответствии с заданием, дополнительные сведения приведены в табл1.прил. 2.
Заданными величинами для реактора являются:
ядерное топливо - UO2;
форма ТВС - шестигранная чехловая или бесчехловая
Тепловыделяющие элементы - стержневые;
|
|
hкл - размер шестигранной ТВС (размер под ключ), м;
атвс - размер между центрами ТВС (шаг решетки ТВС), м;
n - полное число стержней в ТВС, шт;
nтвэ - число твэлов и твэгов в ТВС, шт;
nр - число трубок под поглощающие элементы ОР СУЗ, шт;
nц - центральный канал, м;
dтвэ - наружный диаметр твэла, м;
dр - наружный диаметр трубок под поглощающие элементы ОР СУЗ, м;
dц - наружный диаметр центрального канала, м;
δтвэ - толщина оболочки твэла, м;
δз - толщина газового зазора, м;
δоб - толщина кожуха ТВС, м;
материал оболочки твэла - сплав циркония, стали