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压水核反应堆（PWR）不同形状燃料棒传热的数值计算与研究

作　者: 任瑞琪
导　师: 张敏
学　校: 南京理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 压水核反应堆六棱柱燃料棒数值传热系统熵增
分类号: TL351.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

核反应堆堆芯是核电站的核心和要害部位,在任何情况下保证堆芯产生的热量及时有效输出,是核电站安全需要解决的重要问题。本文采用非结构化网格,通过可视化Fortran语言程序的编写,对反应堆运行过程中不同阶段的源项变化以及其导致的温度场变化进行了数值研究。首先以均匀介质的单群扩散理论为基础,分别对圆柱体和六棱柱体燃料棒两种模型进行计算,讨论不同计算模型对燃料棒内温度场分布的影响。分析发现六棱柱燃料棒与圆柱体燃料棒对流换热面积相同时,圆柱体燃料棒内部温度明显高于六棱柱。因此在选取燃料棒计算模型时不能仅考虑单一因素,而要同时考虑到燃料棒释热率和散热量两种因素的影响。同时发现边界条件的改变不会影响到燃料棒内温度场的分布趋势,仅在燃料棒两端附近处有区别,但是仍会影响到燃料棒内温度最高值,并且发现在绝热边界下的燃料棒温度略高于定温边界下。在此结果上对反应堆不同运行阶段的燃料棒温度场分布情况进行计算分析讨论。反应堆运行初期,控制棒未插入时,燃料棒内部中子通量密度最大,并且仅沿轴向呈余弦函数分布,平衡温度高于正常运行工况下燃料棒温度,因此要严格控制反应初期燃料棒温度最高值,避免其高于燃料棒安全运行温度。同时,对燃料棒释热率分别随温度与时间变化时温度场的变化情况作了简要分析,结果表明在燃料棒引入负反应时,燃料棒内温度逐渐降低,并稳定在安全运行状态。同时本文采用一体化方法,对带有反射层的堆芯和裸堆堆芯进行比较。分析发现反射层的添加使堆芯温度提高到较高值,同时随着反射层厚度的增加,堆芯温度的增加相对缓慢。而在堆芯两端分别取定温和绝热边界条件时,堆芯内温度场的分布趋势近似相同,仅在堆芯两端附近处有差别。并且两类边界下的堆芯温度最高值相差不大,不会影响到对核反应堆安全性的判定。最后,本文以热力学第二定律为基础,从系统熵增的角度出发,分析了燃料棒内传热过程。并以三个传热问题为例,验证了本程序和研究的正确性。而后结合燃料棒内温度场分布,对燃料棒内热量的导出过程进行了分析讨论,并可在此基础上分析如何加强燃料棒的强化传热过程。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
图表清单  10-12
注释表  12-13
1 绪论  13-20
  1.1 研究背景与意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-19
    1.2.1 核反应堆研究现状  14-18
    1.2.2 热力学熵研究现状  18-19
  1.3 本文主要研究工作  19-20
2 堆芯传热的基本概念与方程  20-29
  2.1 热传导微分方程  20-26
    2.1.1 圆柱坐标系  22-23
    2.1.2 球坐标系  23-24
    2.1.3 椭球坐标系  24-26
  2.2 热力学定律  26-29
3 燃料棒形状及边界条件对温度场分布的影响  29-41
  3.1 传热控制方程与离散  29-32
    3.1.1 传热方程的解析解  29-31
    3.1.2 传热方程在非结构化中的离散  31-32
  3.2 算例的数值计算与分析  32-40
    3.2.1 几何尺寸的选取  32-34
    3.2.2 第一类热边界条件(恒壁温)  34-37
    3.2.3 第二类热边界条件(恒热流)  37-40
  3.3 本章小结  40-41
4 内热源分布对温度场分布的影响  41-54
  4.1 内热源随控制棒插入深度变化  41-44
  4.2 燃料棒温度场随反应性温度系数的变化  44-49
  4.3 内热源随时间变化  49-52
  4.4 本章小结  52-54
5 反射层对温度场分布的影响  54-61
  5.1 单群扩散方程  54-55
    5.1.1 堆芯稳态单群扩散方程  54
    5.1.2 反射层的稳态单群扩散方程  54-55
  5.2 带反射层的圆柱体反应堆  55-60
    5.2.1 几何模型及网格  56
    5.2.2 计算结果及其分析  56-60
  5.3 本章小结  60-61
6 系统熵增与温度场分布的关系  61-75
  6.1 热熵的基本概念与方程  61
  6.2 系统熵增的计算分析  61-69
    6.2.1 一维恒壁温条件下的传热问题  62-64
    6.2.2 极坐标环形域中定温边界下的传热问题  64-66
    6.2.3 二维矩形域中的传热问题  66-69
  6.3 单根燃料棒内传热的熵增问题  69-73
  6.4 本章小结  73-75
7 总结与展望  75-77
  7.1 全文总结  75-76
  7.2 工作展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82

压水核反应堆（PWR）不同形状燃料棒传热的数值计算与研究

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