Расчет параметров ядерной паропроизводящей установки (стр. 9 из 12)

АЗ имеет цилиндрическую форму и размещена в так называемой корзине АЗ. Корзина - это цилиндр, торцовые стенки которого представляют собой плиты с отверстиями. ТВС помещаются в эти отверстия корзины.

Основной частью ТВС являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). В реакторах типа ВВРД используются стержневые ТВЭЛы. Это цилиндрические топливные стержни, помещённые в герметичные оболочки. Наиболее распространённым топливом ВВРД является керамика UO₂, имеющая температуру плавления 2880˚С. Топливный стержень часто собирается из таблеток диаметром d_топл = 6-10мм. между оболочкой и топливными таблетками предусматривается зазор δ_заз= 0,05-0,1 мм. Он заполняется гелием, поэтому его называют “гелиевым" зазором. Оболочка ТВЭЛов изготавливается из нержавеющей стали аустенитного класса или циркония и имеет толщину 0,6-0,8 мм. Возможно изготовление топливных стержней из уплотнённого порошка оксидного топлива. В этом случае зазор между оболочкой и топливом отсутствует.

Кроме керамического топлива в реакторах используется дисперсионное топливо. Это топливная композиция, представляющая собой частицы размером 20-500 мкм, равномерно распределённые в металлической матрице из неделящегося материала, например, нержавеющей стали. Такая композиция может быть использована в энергетических реакторах до температур 900˚С. В дисперсионных ТВЭЛах зазор между топливом и оболочкой отсутствует.

Зазоры между соседними стержнями назначают с учётом целого ряда факторов. Если относительный шаг

, то такие пучки считаются тесными. Фиксирование ТВЭЛов в решётке производится с помощью дистанцирующих устройств между соседними ТВС всегда предусмотрен зазор до 10-15 мм.

2.1.2 Особенности тепловых и температурных полей в АЗ

Важной характеристикой зоны является средняя удельная теплонапряжённость q_v. Для ВВРД q_v= 70-110 МВт/м³. тепло в зоне выделяется при реакции деления ядер топлива, которая происходит при поглощении ими свободных нейтронов. Эти нейтроны появляются при реакции деления, что делает реакцию самоподдерживающейся (цепной). Понятно, что число актов деления, а следовательно, и тепловая мощность, определяется полностью концентрацией нейтронов в рассматриваемом объёме, т.е. величиной так называемого нейтронного потока Ф.

В свою очередь, величина Ф в любой точке зоны зависит от интенсивности каждого из одновременно действующих трёх факторов:

генерирование нейтронов;

их поглощение;

утечка из рассматриваемого объёма.

Утечка происходит с поверхности зоны, т.е. концентрация нейтронов на её периферии будет меньше, что приведёт к уменьшению интенсивности генерирования и поглощения нейтронов в этих областях. В итоге имеем неравномерное распределение удельного тепловыделения в объёме. Количественно неравномерность можно охарактеризовать радиальным и осевым коэффициентами неравномерности: k_r =q_max/q (r) и k_z =q_max/q (z).

Наибольшее тепловыделение будет иметь место в точке, наиболее удалённой от внешних границ, т.е. на полувысоте оси цилиндра, наименьшее - на наружных поверхностях. Если окружить зону слоем замедлителя (отражателем), то можно часть нейтронов, покинувших зону, вернуть в неё и благодаря этому уменьшить потребный объём зоны неравномерность в распределении нейтронного и теплового потоков. Модель зоны без отражателя удобна тем, что условия на внешних её границах всегда одинаковы (нейтроны обратно не возвращаются). Благодаря этому распределение нейтронного и теплового потоков в объёме зоны описываются аналитически.

Все активные зоны реальных реакторов имеют отражатель, благодаря чему их размеры меньше, а распределение температур и тепловых потоков становится более сложным.

В приближённых оценках и учебных расчётах используется следующий удобный приём. Рассматривается не зона с отражением, а зона, какой она была бы без отражателя. В этом случае размеры зоны стали бы больше реальных на величину δ_эф, но характер распределения температур и потоков останется таким же, как в реакторе без отражателя. Именно этот приём используется в данной курсовой работе.

Наиболее напряжённой является центральная ТВС. Если условия в ней приемлемы, то и во всех других - тоже. Поэтому обычно анализируется то, что происходит в осевом канале.

Реактор является подогревателем однофазного жидкого ТН. Но для интенсификации теплообмена внутри зоны в области наибольших удельных тепловых потоков во многих реакторах созданы условия для возникновения поверхностного кипения. Энтальпия ТН вдоль канала только возрастает. Когда она достигает определённой величины i_пк, начинается кипение на поверхности ТВЭЛа. Оно продолжается на некоторой части канала пока i_пк< i_т, и прекращается в точке, за которой энтальпия ТН из-за малых тепловых потоков уже не достигает i_пк. Величина i_т рассчитывается аналитически.

Для ядерного реактора важным является вопрос о том, насколько максимальная тепловая нагрузка меньше критической, т.е. о запасе по кризису теплообмена. Действительно, в реакторе, как и в электрическом подогревателе, интенсивность тепловыделения не зависит от условий теплоотвода от поверхности ТВЭЛов. При достижении критической тепловой нагрузки, как при наличии, так и в отсутствии кипения, ТВЭЛ покроется паровой плёнкой, теплоотдача от него резко уменьшится. Поскольку тепловыделение продолжается, то температура топлива на сотни градусов возрастёт, произойдёт перегрев и разрушение ТВЭЛа.

Переход к плёночному кипению в отсутствии поверхностного кипения происходит непосредственно от режима течения однофазного ТН. При наличии поверхностного кипения паровая плёнка оттесняет от стенки ТВЭЛа слой кипящего ТН в некипящее ядро потока. Это происходит при другой тепловой нагрузке.

2.1.3 Содержание тепловых расчётов

Тепловые расчёты АЗ выполняются как проверка теплотехнической надёжности зоны именно поэтому расчёты заключаются в следующем:

определение максимальной температуры оболочки ТВЭЛов и сравнение её с допустимой;

определение максимальной температуры топлива и сравнение её с допустимой;

определение минимального запаса по критической тепловой нагрузке и сравнение его с допустимым.

2.1.4 Расчётная модель

Принимается упрощённая модель со следующими основными характеристиками:

зона имеет отражатель, δ_эф=60-150 мм (для железоводных отражателей);

распределение удельного теплового потока по высоте зоны косинусоидальное, по радиусу зоны оно описывается функцией Бесселя;

наличие отражателя учитывается величинами k_r и k_z;

отношение высоты к диаметру равно 1;

решётка ТВЭЛов раздвинутая (не тесная) и взаимное влияние их отсутствует;

при определении максимального удельного тепловыделения учитываются только коэффициенты неравномерности распределения удельного тепловыделения по зоне в целом, т.е. k_r и k_z;

зазор между топливным стержнем и оболочкой ТВЭЛов отсутствует;

ТВЭЛы образуют абсолютно правильную решётку;

- падение давления по высоте зоны не учитывается.

Рис.2.1 Основные размеры активной зоны

3.2 Проектирование АЗ и ТВС

3.2.1 Определение размеров АЗ и ТВС

Таблица 2.2

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	Удельная теплонапряжённость АЗ	qv	МВт/м3	принято, [7]	100
2	Диаметр горючего ТВЭЛа	dгор	м	принято, [7]	0.009
3	Толщина оболочки ТВЭЛа	δоб	м	принято, [7]	0.0007
4	Отношение шага ТВЭЛа к диаметру		-	принято, [7]	1.2
5	Ширина межканального зазора	а	м	принято, [7]	0.012
6	Количество ТВЭЛов	nтвэл	-	принято, [7]	50
7	Коэффициент запаса		-	принято, [7]	0.75
8	Тепловая мощность реактора	Qр	МВт		89.56
9	Объём активной зоны	VАЗ	м3		0.896
10	Диаметр активной зоны	DАЗ	м		1.045
11	Высота активной зоны	НАЗ	м	DАЗ	1.045
12	Наружный диаметр ТВЭЛа	dТВЭЛ	м	dгор+2δоб	0.01
13	Расстояние между ТВЭЛами в сборке	t	м		0.012
14	Сторона ТВС	S	м		0.09
15	Площадь поперечного сечения АЗ	SАЗ	м2		0.857
16	Площадь условной ячейки для квадратного канала		м2		0.01
17	Площадь условной ячейки для шестигранного канала		м2	0,866 (а+S) 2	------
18	Количество ТВС		-		82
19	Принятое количество ТВС с учётом их размещения в активной зоне		-	См. рис 2.3	68

Примечание к табл.2.2: