Теплогидравлический расчет реактора на быстрых нейтронах

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: Ядерные энергетические реакторы

Тема: Теплогидравлический расчет реактора на быстрых нейтронах

Выполнил студент гр. В4297/1: Малых Д.В.

(подпись)

Проверил д.т.н.: Рассказов В.В.

(подпись)

«» 2014 г.

Сосновый Бор

Введение

Реакторы на быстрых нейтронах позволяют осуществлять расширенное воспроизводство ядерного топлива, что радикально решает проблему энергообеспечения АЭС, так как открывается возможность дальнейшего роста ядерной энергетики практически без ограничения со стороны топливных ресурсов.

Успешная эксплуатация в СССР первых быстрых реакторов БР-5 и БР-10 (мощностью 5 и 10 МВт соответственно), опытного реактора БОР-60 мощностью 60 МВт позволила освоить мощные энергетические реакторы на быстрых нейтронах БН-350 и БН-600, которые сегодня успешно эксплуатируются в г. Шевченко и на Белоярской АЭС.

В настоящее время разрабатывается целая серия еще более мощных энергетических реакторов на быстрых нейтронах (БН-1600 и др.).

Обеспечение высокой эффективности и надежности в работе быстрых реакторов – важная проблема, решение которой в значительной степени определяется уровнем теплофизического обоснования реакторов.

Особенности условий работы быстрых реакторов (высокие нейтронные и тепловые потоки, большие выгорания и давления газообразных продуктов деления в твэлах, высокие температуры топлива и оболочки) особенности физики и геометрии активной зоны, значительные неопределенности в параметрах выдвигают задачу более глубокого проникновения в суть теплофизических процессов, протекающих в реакторах, и познания новых явлений, отвечающих современному уровню знаний в области теплофизики реакторов как науки. Межканальный гидродинамический и тепловой обмен, переменное энерговыделение и начальные тепловые участки, деформированные решетки твэлов и нестандартные каналы, несимметричные тепловые нагрузки и оребренные системы твэлов – далеко не полный перечень вопросов, выдвигаемых в настоящее время практикой реакторостроения и имеющих решающее значение при теплофизическом обосновании быстрых реакторов.

Учет перечисленных факторов в теплогидравлическом расчете делает его весьма сложной задачей. Среди требовании к тегоплогидравлическому расчету – большая информативность, комплексность, высокая достоверность результатов прежде всего по локальным гидродинамическим и тепловым характеристикам: с одной стороны, большие запасы по параметрам теплоносителя недопустимы (ограничиваются мощность и КПД установки), с другой стороны, превышение локальных температур сверх допустимых пределов может обусловить выход реактора из строя.

Обеспечение надежного теплогидравлического расчета высокопоточных современных реакторов на быстрых нейтронах (БН-350, БН-600) потребовало проведения значительного комплекса экспериментальных исследований и развития новых методов расчета локальных характеристик ТВС быстрых реакторов.

Исследованные специалистами механизмы межканального обмена и сложного продольно-поперечного течения в элементах реакторов, изученные особенности гидродинамики и теплообмена в системах параллельных твэлов и в нестандартных каналах (периферийные зоны ТВС), исследованные температурные поля регулярных и искаженных решеток твэлов при постоянном и переменном энерговыделениях, в стабилизированных и в нестабилизированных гидродинамических и тепловых условиях и т.д. составляют базу для расчета локальных тепловых и гидродинамических характеристик ТВС быстрых реакторов.

Ряд из перечисленных вопросов касается широкого круга задач и по существу определяет дальнейшее развитие теплофизики реакторов вообще. Например, проблема нестандартных каналов (периферийные твэлы) и искаженных решеток, включающая в себя смещения твэлов, локальные перегревы, блокировки проходных сечений, одиночные и групповые прогибы твэлов, определяет кардинальный вопрос надежности и повышения мощности реакторов и, по-видимому, будет развиваться в последующие годы постольку, поскольку будет развиваться реакторостроение.

Большой круг проведенных исследований привел к получению данных для важнейших характеристик ТВС быстрых реакторов в широком диапазоне параметров ТВС, что позволяет осуществить оптимизацию ряда параметров ТВС.

Одной из задач теплогидравлического расчета ТВС быстрых реакторов является нахождение, исходя из проектных параметров активной зоны реактора (энерговыделения, общего расхода теплоносителя и т.д.), теплогидравлических характеристик, определяющих работоспособность зоны. К числу основных характеристик, определяющих работоспособность ТВС, принадлежат максимальные температуры оболочек твэлов и чехлов ТВС и максимальные неравномерности температуры по периметру твэлов и чехлов ТВС.

Поскольку активная зона представляет собой большую и сложную систему ТВС, содержащих тепловыделяющие элементы и имеющих в свою очередь также сложную структуру, теплогидравлический расчет зоны реактора разбивается на несколько этапов.

На первом этапе, выполняемом на стадии проектных изысканий (оптимизация параметров), определяются расходы теплоносителя через ТВС, средние подогревы теплоносителя в ТВС.

Следующим этапом является расчет теплогидравлических характеристик индивидуальных ТВС и твэлов. Он в свою очередь включает расчеты геометрических характеристик ТВС, распределение расходов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального гидродинамического обмена, подогревов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального теплового обмена, определение температурных напоров стенка-жидкость и максимальных неравномерностей темпераратуры по периметру твэлов, учет влияния на температурное поле различных факторов, определение максимальных температур оболочек твэлов. Поскольку подогревы теплоносителя в ТВС быстрых реакторов весьма велики (составляют ~ 200 ° С), точность в определении максимальной температуры оболочек твэлов в значительной степени определяется корректностью расчета распределения подогрева теплоносителя по каналам ТВС.

Процессы формирования полей скорости и температуры в ТВС, представляющих собой систему взаимосвязанных каналов, между которыми имеет место обмен массой, импульсом и теплом, имеют существенные особенности по сравнению с процессами в изолированных каналах. Массообмен между каналами, более сильное, чем в изолированных каналах, влияние случайных геометрических отклонений (прогибы, сдвижки твэлов) на разверку расходов; влияние дистанционирующего спирального оребрения твэлов на межканальное перемешивание и степень турбулизации потока; неравномерность распределения теплоносителя по ячейкам различной геометрии (центральные, периферийные ячейки) и т.д. определяют гидродинамические особенности взаимосвязанных каналов по сравнению с изолированными каналами.

Жидкие металлы имеют большие коэффициенты теплопроводности, малые коэффициенты объемной теплоемкости. Большие подогревы теплоносителя и высокие коэффициенты теплообмена приводят к тому, что профиль температуры поверхности твэлов, омываемых жидкими металлами, определяется в основном локальными подогревами теплоносителя, а не локальными коэффициентами теплообмена. Вышесказанное в особой мере относится к периферийным твэлам, по периметру которых имеют место особенно большие разности в подогревах теплоносителя.

Допуски на геометрические размеры ТВС быстрых реакторов, имеющих малые диаметры твэлов и относительно малые шаги решетки, соизмеримы по величине с поперечными размерами каналов, окружающих твэлы, что обусловливает заметный эффект от смещения и прогибов твэлов даже при использовании на твэлах дистанционирующих проволочных навивок. Особую важность эти вопросы приобретают для периферийных твэлов, на которых навита проволока диаметром в два раза меньшим, чем на центральных твэлах. Это создает возможность смещения периферийных твэлов по периметру обечайки, по крайней мере, на половину зазора между твзлами.

Процессы теплообмена в периферийных каналах носят, как правило, нестабилизированный характер. Степень нестабилизированности зависит от эквивалентной теплопроводности и относительного шага расположения твэлов, диаметра вытеснителей, зазора между твэлами и обечайкой и других причин.

Таким образом, особенности гидродинамики и теплообмена в ТВС быстрых реакторов в основном связаны с пристенными (периферийными) рядами твэлов и с использованием натрия в качестве теплоносителя.

Вызываемые этими особенностями новые проблемы по сравнению с бесконечными решетками твэлов могут быть суммированы следующим образом:

- на порядок более высокие неравномерности температуры по периметру периферийных твэлов по сравнению с центральными твэлами;

- большие неравномерности расходов теплоносителя по периметру периферийных твэлов;

- решающее влияние межканального обмена на поля скорости и температуры в ТВС быстрых реакторов;

- повышенное влияние деформации решетки твэлов на поля скорости и температуры;

- нестабилизированные условия теплообмена в периферийных каналах ТВС.

Представленный ниже материал по теплогидравлическому расчету ТВС быстрых реакторов учитывает специфику гидродинамики и теплообмена в активных зонах быстрых реакторов и направлен на решение вышеприведенных вопросов.

Теплогидравлический расчет реактора на быстрых нейтронах.

Вариант 4

Исходные данные:

тепловая мощность реактора: Q_тепл = 750 × 10⁶ Вт

теплоноситель: натрий

конструкционные материалы: сталь

температура теплоносителя на входе в активную зону: t_вх = 400 ⁰С

температура теплоносителя на выходе из активной зоны: t_вых = 760 ⁰С

топливо: UO₂(диоксид урана)

форма ТВС: шестигранная

размер между центрами ТВС: s_тв_c = 0.1179 м

зазор между ТВС: Δ_тв_c = 0,0015 м

толщина корпуса ТВС: d_ТВС= 0.002 м

число твэл в ТВС активной зоны: n_твэл = 127 шт

диаметр твэл в активной зоне: d_твэл = 0.0075 м

толщина оболочки твэл: d_об = 0.0003 м

число твэл в ТВС бокового экрана: n_твэл = 91 шт

диаметр твэл в боковом экране: d_{твэл.б.э.} = 0.0116 м

толщина газового зазора твэл: d_гз = 0.00012 м

Q_аз= 0,9*Q_тепл= 0,9*750 × 10⁶= 525 × 10⁶ Вт

Q_тэ= 0,03*Q_тепл= 0,03*750 × 10⁶= 22,5 × 10⁶ Вт

Q_бэ= 0,07*Q_тепл= 0,07*750 × 10⁶= 52,5 × 10⁶ Вт

Основные характеристики жидкого натрия (Na при 580^°С):

Pr_Na =0.005

плотность Na: ρ_Na = 809.8 кг/м³

удельная теплоемкость Na:

коэффициент теплопроводности: l_Na = 61.16

коэффициент динамической вязкости: m_Na = 213.4 × 10^-6 (Па ^. с)

коэффициент кинематической вязкости: n_Na = 26.3 × 10^-8 м²/c

коэффициент температуропроводности: a_Na = 59.18×10^-6

Основные характеристики двуокиси урана:

коэффициент теплопроводности (при 1800^°К)

температура плавления

I. Определение геометрических характеристик

Размеры активной зоны:

Объем активной зоны реактора:

Уплощение активной зоны b

Тип реактора	Супер Феникс (1200)	БН-1200	БН-800	БН-600	БН-350	PFR (250 МВт)	Феникс (250 МВт)	FTFF	БОР-60	БР-5
Тепловая мощность, МВт
H/D	0,29		0,39	0,36	0,71	0,69	0,65		1,125

Согласно данного графику, мы принимаем

Соответственно,

Диаметр активной зоны:

Высота активной зоны:

Площадь сечения активной зоны:

Толщина торцевых частей экрана:

Принимается δ_т.э = 0,4 м

Толщина бокового экрана:

Принимается δ_б.э = 0,5 м

Площадь бокового экрана:

Эффективная добавка по оси активной зоны:

Принимается δ_эф.=0.18

Экстраполированная высота, вдоль которой идёт тепловыделение с максимумом в центральной плоскости и нулевым значением на торцах:

Площадь сечения ячейки активной зоны:

м²

В реакторах на быстрых нейтронах ячейкой является площадь ТВС

Число ТВС в активной зоне:

Принимаю 144 шт

Число ТВС бокового экрана:

Принимаю 256 шт

Проходное сечение ТВС активной зоны:

Гидравлический периметр ТВС активной зоны:

Гидравлический диаметр ТВС активной зоны:

Проходное сечение ТВС бокового экрана:

Гидравлический периметр ТВС бокового экрана:

Гидравлический диаметр ТВС бокового экрана:

Тепловой периметр ТВС активной зоны:

Тепловой периметр ТВС бокового экрана:

II Определение теплогидравлических параметров активной зоны и бокового экрана.

Расход теплоносителя через активную зону:

Расход теплоносителя через боковой экран:

Скорость теплоносителя через активную зону:

Скорость теплоносителя через боковой экран:

Линейный тепловой поток по высоте канала:

Вт/м

Параметр	Координата по высоте канала z, м.
	-0,705	-0,3525	-0,17625		0,17625	0,3525	0,705
ql(z), Вт/м		4,27E+08	5,49E+08	6,10E+08	5,49E+08	4,27E+08
q_б.э.(z), Вт/м		4,10E+07	5,27E+07	5,85E+07	5,27E+07	4,10E+07

Линейный тепловой поток в центральной плоскости:

В активной зоне

Линейный тепловой поток в центральной плоскости бокового экрана:

Температура теплоносителя по высоте канала в активной зоне:

Температура теплоносителя по высоте канала в боковом экране:

Параметр	Координата по высоте канала z, м.
	-0,705	-0,3525	-0,17625		0,17625	0,3525	0,705
T_T(z) ^°С	400,0	437,6	493,9	569,1	644,3	700,6	757,0
T_б.э.(z) ^°С	400,0	436,0	490,1	565,9	634,3	693,7	760,4

Коэффициент теплоотдачи в активной зоне:

Коэффициент теплоотдачи в боковом экране:

Температура наружной поверхности твэл активной зоны:

Коэффициент учитывающий энерговыделение в твэл

Температура наружной поверхности твэл бокового экрана:

Параметр	Координата по высоте канала z, м.
	-0,705	-0,3525	-0,17625		0,17625	0,3525	0,705
T_{об.твэл}(z) ^°С	400,0	438,1	494,6	569,9	644,9	701,2	757,0
T_{об. б.э.}(z) ^°С	400,0	436,1	490,2	565,9	634,3	693,8	760,4

Температура топливного сердечника твэл активной зоны вдоль центральной оси:

Наружный радиус твэл:

Внутренний радиус твэл:

Наружный радиус сердечника твэл:

Средний радиус оболочки твэл:

Температура топливного сердечника вдоль оси:

Параметр	Координата по высоте канала z, м.
	-0,705	-0,3525	-0,17625		0,17625	0,3525	0,705
	400,0	1278,7	1573,6	1769,7	1717,7	1536,4	760,4

Температура топливного сердечника твэл бокового экрана вдоль центральной оси:

Наружный радиус твэл:

Внутренний радиус твэл:

Наружный радиус сердечника твэл:

Средний радиус оболочки твэл:

Температура топливного сердечника вдоль оси:

Параметр	Координата по высоте канала z, м.
	-0,705	-0,3525	-0,17625		0,17625	0,3525	0,705
	400,0	789,7	952,3	1092,5	1136,8	1042,1	760,4

Перепад давления в реакторе:

шаг решетки:

шаг навивки:

коэффициент сопротивления трения:

коэффициент, учитывающий геометрию пучка твэл:

потери на трение:

число дистанционирующих решеток:

принимаю

– коэффициент местного сопротивления для одной дистанционирующей решётки. Для практического расчетов достаточно считать .

тогда потери на местное сопротивление:

нивелирная составляющая давления:

Суммарный перепад давления в реакторе:

Па.

Заключение.

По результатам теплогидравлического расчёта реактора можно сделать выводы:

1. за счет высокого коэффициента теплоотдачи температура теплоносителя практически совпадает с температурой наружной оболочки твэла.

2. максимальная температура топливного сердечника находится в центральной плоскости и составляет 1770^°С, что лежит в допустимых пределах.

3. температуры теплоносителя и наружной оболочки твэла по высоте бокового экрана практически совпадают с аналогичными температурами в активной зоне, и в тоже время максимальная температура топливного сердечника за счёт более низкой тепловой нагрузки в боковом экране примерно в 1,5 раза меньше чем в активной зоне.

Список использованной литературы.

1. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для вузов.

– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 325 с.: ил.

2. Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов: Учебное пособие для вузов. - М.:Энергоатомиздат, 1980. - 511 с., ил.

3. Петров П.А. Ядерные энергетические установки.

– М. Госэнергоиздат, 1958. – 256 с.: ил.

4. Белл. Д, Глестон С. Теория ядерных реакторов.

Перевод с англ. Под ред. В.Н. Артамкина. – М. Атомиздат, 1974. – 496 с.: ил.