ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • СОЗДАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
  • ЭФФЕКТИВНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ
  • НЕЙТРОННЫЙ ПОТОК
  • УСТРОЙСТВО РЕАКТОРА
  • ОТВОД ТЕПЛОТЫ В РЕАКТОРЕ
  • ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
    ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
  • УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТОРОМ РЕГУЛИРОВАНИЕ
    МОЩНОСТИ РЕАКТОРА
  • АКТИВНАЯ ЗОНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
  • ОСНОВЫ РАДИАЦИАННЫЙ БЕЗОПАСНОСТИ
  • МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ
    ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
  • Изменение нейтронного потока во времени
  • Мощность и кампания реактора
  • Контрольная работа № 1
  • Контрольная работа № 2
  •  

    ОТВОД ТЕПЛОТЫ В РЕАКТОРЕ

    ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРА

    Известно, что при делении тяжелых ядер (U, Pu) под действием нейтронов выделяется энергия. Так, например, при делении одного ядра 235U выделяется примерно 200 МэВ, при делении ядра 239Рu — около 220 МэВ. Энергия при делении выделяется, главным образом в ядерном горючем [1, 13]. Однако часть энергии выделяется и в других частях реактора: теплоносителе, замедлителе, конструкционных материалах, корпусе и биологической защите реактора. Поэтому для обеспечения нормальной работы реактора необходимо принимать соответствующие меры для охлаждения не только ТВЭЛ, но и других частей реактора. Необходимо охлаждать корпус реактора, твердый замедлитель, регулирующие стержни, радиационную защиту. В корпусе выделяется теплота в количестве до 1 % от тепловой мощности реактора, на которой он работает. Для уменьшения нагрева корпуса между ним и активной зоной устанавливают обычно экран — отражатель, охлаждаемый теплоносителем. Температура корпуса в этом случае близка к температуре циркулирующего вдоль него теплоносителя.

    Стержни автоматического регулирования нагреваются от тепловыделения, обусловленного поглощением нейтронов и γ - излучением. Энергия, образующаяся в стержне в результате реакции (n, α), примерно пропорциональна эффективности стержня, а энергия, образующаяся в стержне в результате поглощения и рассеивания γ - излучения примерно пропорциональна массе стержня.

    Тепловыделение в биологической защите реактора также обусловлено поглощением и рассеянием γ - квантов и замедлением быстрых нейтронов. Тепло, выделяемое в биологической защите, составляет около 1 % от мощности, на которой работает реактор.

    Перемещение осколков деления в процессе снижения кинетической энергии составляет всего несколько микрон. Например, в металлическом уране средний пробег осколков деления составляет 6,7·10-3 мм, в алюминии—14·10-3 мм. Энергия (β-частиц и частично γ - излучения гасится на расстоянии нескольких миллиметров от места деления. Этим объясняется то, что в тепловыделяющем элементе, где происходит деление урана, выделяется большая часть энергии деления. Величина этой энергии составляет не менее 95 % от всей тепловой мощности реактора.

    Температурный режим, при котором обеспечивается надежность материалов активной зоны, достигается соответствующей организацией теплоотвода. Нарушение отвода тепла немедленно повлечет за собой перегрев материалов и может вызвать аварию реактора.

    В активной зоне реактора выделяется тепло пропорциональное среднему нейтронному потоку Ф

     , (3.29)

    где 3,1·10-11 – мощность в Вт, соответствующая одному делению в секунду;

    Vг – объем горючего в активной зоне реактора, см3.

    Выделенное тепло передается поверхностями нагрева реактора (оболочками ТВЭЛов) теплоносителю, которое в общем виде может быть записано следующим образом:

    , (3.30)

    где  - средний по активной зоне коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·оС);

    Δtp – средний по реактору температурный напор между поверхностью нагрева и теплоносителем.

    Тепло, которое идет на нагревание теплоносителя и выносится из реактора определяется

    , (3.31)

    где Gт – массовый расход теплоносителя через активную зону, кг/с;

    С – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·оС);

    t2 и t1 – температура теплоносителя на выходе и на входе в реактор.

    При стационарной работе реактора соблюдается равенство

    . (3.32)

    Равенство 3.32 показывает связь нейтронных характеристик активной зоны, режима теплопередачи, расхода и температуры теплоносителя в реакторе. Например, повышение нейтронного потока, если не увеличивать расхода теплоносителя приведет к повышению температуры теплоносителя на выходе из реактора [1, 3].

    Это, в свою очередь, увеличит температурный напор, а следовательно, и температуру оболочки ТВЭЛ.

    При постоянном нейтронном потоке снижение расхода теплоносителя также приведет к повышению температуры материалов ТВЭЛ. Обеспечение заданной температуры материалов активной зоны во всем диапазоне режимных параметров реактора является основной задачей организации теплоотвода, следовательно, и расчета теплопередачи в реакторе. Для энергетических реакторов выполнение этих условий приводит к тому, что размеры и вес активной зоны и реактора в основном определяются условием теплопередачи.

    Так как тепловыделение пропорционально нейтронному потоку, то неравномерность нейтронного потока в активной зоне будет отражать неравномерность тепловыделения. Так, например, для реактора цилиндрической формы тепловыделение в активной зоне будет определяться уравнением

    , (3.33)

    где qυ - удельное объемное тепловыделение в рассматриваемой точке активной зоны с координатами r и h, Вт/м3;

     - удельное объемное максимальное тепловыделение в центре активной зоны, Вт/м3.

    Известно, что функция Бесселя нулевого порядка первого рода  при r = 0 равна единице. Следовательно, для центральной сборки (кассеты) изменение объемного тепловыделения по высоте ТВЭЛ будет описываться формулой

    . (3.34)

    Для определения qυ по формулам (3.33) и (3.34) необходимо знать величину среднего тепловыделения. Расчет этой величины производят путем использования значений среднего по реактору объемного тепловыделения и средних коэффициентов неравномерности. Среднее объемное тепловыделение в топливе вычисляется по формуле.

     Средние коэффициенты неравномерности тепловыделения равны средним коэффициентам нейтронного потока в активной зоне.

    . (3.35)

    Значения коэффициентов неравномерности используются для определения максимального объемного тепловыделения в активной зоне

     

    Соответственно может быть определено и максимальное тепловыделение, приходящееся на единицу поверхности активной зоны

     

    где qср - среднее тепловыделение, приходящееся на единицу поверхности нагрева активной зоны, Вт/м2.

    При тепловом расчете иногда удобно использовать тепловыделения, приходящиеся на единицу длины ТВЭЛ

     , (3.36)

    где  - среднее тепловыделение с единицы длины тепловыделяющего элемента, Вт/м.

    Величина  может быть определена следующим образом:

     , (3.37)

    где nтс и nтв - число тепловыделяющих сборок и число ТВЭЛ в одной сборке;

    Н - длина ТВЭЛ (высота активной зоны).

    Из формулы (3.36) следует, что при допустимом значении  с уменьшением Кh среднее значение   увеличивается, а следовательно, общая тепловая мощность реактора также увеличится. Поэтому снижение неравномерности тепловыделения является одной из основных задач при проектировании активных зон энергетических реакторов. Таким путем удается не только повысить мощность реактора, но и увеличить глубину и равномерность выгорания топлива и удлинить кампанию реактора.

    В качестве теплоносителя в реакторах используют различные жидкие и газообразные теплоносители. Принятый теплоноситель должен удовлетворять заданным условиям теплопереноса, обеспечить меньший расход энергии, необходимой для его прокачивания через систему, а также удовлетворять необходимым физико-нейтронным характеристикам и требованиям по коррозионным и эрозионным свойствам.

    Применяемые теплоносители можно классифицировать по числу Рr, от значения которого зависит соотношение между толщинами гидродинамического δг и теплового δт пограничных слоев.

    К первой группе относят жидкометаллические теплоносители, для которых Pr << 1 (0,005 ÷ 0,05): калий, натрий, сплав натрий - калий, литий, свинец, висмут и др. В этих теплоносителях тепловой пограничный слой ввиду большого значения коэффициента теплопроводности значительно больше гидродинамического пограничного слоя (δт>>δг).

    Газы и жидкости при высоких давлениях относят ко второй группе теплоносителей, для которых число Рr изменяется в пределах 0,6—1,0, а толщины пограничных слоев примерно одинаковы (δтδг).

    Третью группу теплоносителей образуют жидкости: вода, органические и неорганические жидкости, для которых число Рr изменяется в пределах от 1 до 200, а тепловой пограничный слой меньше гидродинамического пограничного слоя (δт>>δг).

    шлюхи питера
    АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (АЭС)