Теплогидравлический расчет реактора

Цели и задачи теплогидравлического расчета реактора.

Задачей поверочного теплового расчета реактора является определение основных теплотехнических параметров при известном конструкционном оформлении и заданной мощности.

Основная цель теплогидравлического расчета реакторов с водой под давлением – установить распределение тепловых потоков и температур по активной зоне реактора, найти максимальную температуру топлива для подтверждения невозможности его расплавления в тепловыделяющих элементах с большой тепловой нагрузкой, определить запас до кризиса теплообмена и гидравлическое сопротивление движению теплоносителя через активную зону.

1. Методика расчета и исходные данные.

Данный расчет выполняется для реактора типа ВВЭР-1000 тепловой мощностью Q_т = 3225 МВт, величина которой была определена из расчета тепловой схемы паротурбинной установки (см. предыдущий раздел).

Тепловая мощность реактора может быть увеличена с 3000 до 3225 МВт путем добавления в активную зону нескольких дополнительных ТВС. При этом несколько увеличится эквивалентный диаметр активной зоны, а тепловыделение в расчете на одну сборку и удельная энергонапряженность зоны останутся примерно постоянными; следовательно, большинство теплогидравлических и нейтронно-физических параметров реактора изменятся относительно слабо. Решетка активной зоны взята стандартной для ВВЭР-1000: ее геометрические характеристики и средняя мощность тепловыделяющей сборки остались неизменными.

Методика данного расчета аналогична той, которая изложена в [5]. Все теплогидравлические параметры – тепловые потоки, температуры, параметры теплоносителя, гидравлические сопротивления – определяются для среднего по активной зоне и максимально нагруженного твэла (ячейки); последние обозначаются верхним индексом max. Расчет проводится для 9 точек по высоте активной зоны с координатами z = -1,75; -1,50; -1,00; -0,50; 0,00; 0,50; 1,00; 1,50; 1,75 м. Расчет гидравлического сопротивления ведется на средние параметры по высоте ячейки. На небольшом участке теплопередающей поверхности возможно поверхностное кипение теплоносителя, но ввиду того, что зона кипения в водо-водяных реакторах обычно мала, это явление не учитывается. Результаты расчета сведены в таблицы и представлены графически.

Ниже приведены основные характеристики реактора ВВЭР-1000 (по данным [4]), используемые в расчете.

1. Активная зона

Тепловая мощность реактора Q_т = 3225 МВт

Высота активной зоны H₀ = 3,5 м

Экстраполированная добавка к размерам зоны  = 0,08 м

2. Теплоноситель

Среднее давление в активной зоне p = 16 МПа

Температура воды на входе в реактор t_вх = 290 С

Температура воды на выходе из реактора t_вых = 322 С

3. Тепловыделяющая сборка (твс)

Форма и вид ТВС Шестигранная, бесчехловая

Расстояние между центрами ТВС (шаг ячейки) h_яч = 234 мм

Размер ТВС под ключ h_кл = 234 мм

Полное число стержней n_ст = 331 в том числе:  твэлов n = 312  направляющих трубок для пэлов n_п = 18  каркасных трубок n_кт = 1

Диаметр направляющей трубки для пэлов d_п = 12,6 мм

Диаметр центральной каркасной трубки d_кт = 13,3 мм

Число дистанционирующих решеток n_др = 9

4. Тепловыделяющий элемент (твэл)

Материал оболочки Цирконий

Ядерное топливо Диоксид урана (UO₂)

Расположение твэлов в решетке (упаковка) Треугольная

Шаг решетки твэлов h_тв = 12,75 мм

Наружный диаметр d = 9,1 мм

Толщина оболочки _об = 0,7 мм

Зазор между оболочкой и топливным сердечником _заз = 0,1 мм

Диаметр отверстия в топливной таблетке d_о = 1,4 мм

Доля энерговыделения в твэле  = 0,94

В двух нижеследующих таблицах представлены необходимые для расчетов параметры теплоносителя на входе и выходе активной зоны (табл. 6.1), и в состоянии насыщения при среднем давлении в активной зоне реактора (табл. 6.2).

Таблица 6.1

Параметр		Вход в активную зону	Выход из активной зоны
Температура	t, oC	290	322
Энтальпия	h, кДж/кг	1283	1464
Удельный объем	v, 10-3 м3/кг	1,377	1,478
Плотность	, кг/м3	747,94	676,59

Таблица 6.2

Параметр		Вода	Пар
Температура насыщения	ts, oC	347,3
Удельный объем	v, 10-3 м3/кг	1,709	9,328
Плотность	, кг/м3	585,1	107,2
Энтальпия	h, кДж/кг	1652	2583
Теплота парообразования	r, кДж/кг	931
Поверхностное натяжение воды	, Н/м	0,00394	—
Теплоемкость	cp, кДж/(кгК)	9,550	14,520
Теплопроводность	, Вт/(мК)	0,449	0,128
Динамическая вязкость	, 10-6 Пас	67,3	23,27
Кинематическая вязкость	, 10-6 м2/с	0,1150	0,2171
Число Прандтля	Pr	1,43	2,64

Основываясь на вышеизложенных соображениях, определим необходимое количество кассет в активной зоне. Тепловая мощность, в среднем выделяемая одной ТВС в серийном реакторе ВВЭР-1000

(6.1)

= 3000/163 = 18,405 МВт

Необходимое число ТВС

(6.2)

= 175,2

Из условия симметрии решетки активной зоны принимаем N = 175.