=.                                                                             (4)

Учтем следующие потери энергии:

=0,99       электрический КПД турбогенератора

=0,98       КПД парогенератора (учитывает потери в окружающую среду)

=0,99       КПД транспорта тепла от сепаратора к турбине

=0,393      термический КПД цикла при n=6 регенеративных отборах

=0,81        внутренний относительный КПД турбины

=0,99        механический КПД турбогенератора

                                       (5)

Тогда тепловая мощность установки равна:       
                                                      МВт                         (6)

Для оценки эффективной высоты АЗ воспользуемся формулой, приняв K_z = 1,5

Зададим тепловыделение по длине АЗ с тем условием, что перегрузка топлива осуществляется непрерывно:

                                                                   (7)

где  – эффективная добавка.

                                                           (8)

H = 6 м – высота АЗ

,

где  = 0.04 м – эффективная добавка по длине АЗ

Максимально допустимая линейная мощность ТВЭЛа центрального канала:

∆T_max                                                             (9)

∆T_max = 976 С° — максимально допустимый перепад температур в ТВЭЛ;

λ = 3.0 Вт/м∙К – теплопроводность топлива;

Средняя линейная мощность ТВЭЛа центрального канала:

 35,359 кВт/м                                         (10)

Мощность самого напряженного канала:

8,8 МВт                                                         (11)

Распределение линейной мощности по длине центрального канала

Зависимость максимальной линейной энергонапряжённости твэла центрального канала от его высоты представлена на рисунке 1.6:

                                                                                (12)

Зависимость поверхностного теплового потока от высоты твэла центрального канала представлена на рисунке 3

q_s(z) =                                                                                  (13)

Рисунок 3 – Зависимости линейной мощности от высоты твэла центрального канала

 Расчет гидравлических параметров ТВС

Используя известные геометрические параметры реактора, рассчитаем некоторые гидравлические параметры кассеты.

Площадь проходного сечения теплоносителя через ТВС:

               (14)

П =                                     (15)

 = 12,25                                                                 (16)

Расчет расхода и скорости теплоносителя

Расход теплоносителя через ТВС:

                                                                (17)

Расход теплоносителя через АЗ:

                                              (18)

Скорость теплоносителя через АЗ:

                                                                        (19)

Полученное значение не превышает максимально допустимого  которое выбирается из соображений прочности твэлов и коррозионно-эрозионной стойкости конструкционных материалов активной зоны.

 Расчет коэффициента теплоотдачи

Таблица 4 — Теплофизические параметры воды при t=260 ⁰C*.

*-средняя температура воды в АЗ

Для расчета коэффициента теплоотдачи при продольном обтекании потоком воды пучка стержневых твэлов можно воспользоваться соотношением:

                                                        (20)

Эта формула справедлива при  и  и удовлетворяет нашим условиям.

Определим число Пекле:

                                                                      (21)

Где w_аз – скорость теплоносителя через АЗ, d_г – гидравлический диаметр, a – температуропроводность

Следовательно, коэффициент теплоотдачи:

                                                               (22)

k_r= 1,47

k_z=1,51

Максимальная линейная нагрузка в твэле:

                                        (23)

Аксиальное распределение линейной нагрузки в центральном ТВЭЛе имеет вид:

                                                          (24)

В центре АЗ , а на ее границе

Распределение плотности теплового потока в центральном ТВЭЛе

                                                                                      (25)

В центре АЗ , а на ее границе .

Распределение температуры теплоносителя по высоте активной зоны в центральном канале

                                                (26)

представлено на рисунке 4

Рисунок 4 Распределение температуры теплоносителя по длине АЗ в максимально напряженном канале.

Температуры теплоносителя на входе в АЗ  в центре  и на выходе из АЗ .

Распределения температуры внешней поверхности оболочки ТВЭЛа по длине активной зоны имеет вид:

                                                                (27)

В качестве конструкционных материалов для оболочки ТВЭЛов выбран сплав Циркалой-4, обеспечивающая стабильность рабочих характеристик в течение длительного времени эксплуатации и обладающая повышенным сопротивлением разрушению. Химический состав стали представлен в таблице 5

Таблица 5 — Химический состав Циркалоя-4 в объемных %.

Коэффициент теплопроводности циркониевой оболочки при температуре  равен 17,3 Вт/(м·К).

Термическое сопротивление оболочки рассчитаем по формуле:

                  (28)

Распределение температуры внутренней поверхности оболочки имеет вид:

                                                      (29)

Максимальная температура оболочки достигает   и не превышает предельно допустимых температур для сплава .

Теперь рассчитаем распределение температуры топливной композиции по высоте активной зоны. Для этого нужно знать термическое сопротивление области контакта топлива и оболочки.

Зазор между внутренней поверхностью оболочки твэла и поверхностью топлива после сборки твэла имеет размер δ_к=0.1мм и заполнен гелием (λ_He=0.438  при температуре 400^ᵒС).

Термическое сопротивление контактного слоя:

                     (30)

Коэффициент теплопроводности топлива равен:

P_пор=10%

λ_топл = 3 

 λ_топл((1-P_пор)/(1+0.5P_пор) = 3                              (31)

Термическое сопротивление топлива рассчитаем по формуле:

Распределение температуры топливной композиции по высоте активной зоны

 представлено на рисунке 2.8.

 Расчет мощности, необходимой на прокачку теплоносителя через активную зону реактора

Для определения мощности, необходимой для прокачки теплоносителя через реактор, сначала найдем перепад давления в ТВС:

ΔP                                                                (32)

где – потери на местное сопротивление,  – потери на трение в сборках,  –учитывает гидростатическое изменение давления.

где  – средняя по активной зоне плотность теплоносителя,  – ускорение свободного падения.

где  – коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитываемый по формуле (при ) :

Определим параметр ξ_тр :

   (33)

Где s-шаг навивки проволоки, s=380 мм,

ξ_тр=0.901

Суммарный коэффициент местных сопротивлений:                         

Σ_сопр = 6.7

Гидравлическое сопротивление активной зоны:

Можем рассчитать перепад давления:

Тогда мощность, необходимая для прокачки теплоносителя через АЗ будет равна:

где  = 863 кг/м³.

   Итоги теплофизического обоснования канального реактора типа CANDU

В данной статье были определены все необходимые параметры и теплофизические характеристики реактора в предположении, что выгорание топлива составляет 60 МВт/с.

Для данного обоснования взяты параметры стандартной турбины (K-1000-60/1500) для реактора типа CANDU.

Был посчитан КПД этой установки. Т.к. параметры пара не очень высокие, то соответственно и КПД несколько ниже – приблизительно 31%. Затем были заданы характеристики реального реактора, и для них был проведен теплофизический расчет. Также были рассчитаны средние значения температур в активной зоне реактора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.  Верхивкер Г.П., Кравченко В.П. Основы расчета и конструирования ядерных энергетических реакторов. Учебник / Под общ. ред. Дубковского В.А. — Одесса: ТЕС, 2008. — 409 с., ил.

2.  Емельянов И.Я. Конструирование ядерных реакторов / И.Я. Емельянов, В.И. Михан, В.И. Солонин; Под общ. Ред. Акад. Н.А. Доллежаля. – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с.

3.  Физический расчет ядерного реактора на тепловых нейтронах:/ учебное пособие / – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 504 с.

4.  Проскуряков К.Н. Ядерные энергетические установки / К.Н. Проскуряков. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 446 с.