Ядерный реактор мощностью 500 кВт

Крепление верхнее.cdw

Класс прочности 10.9.
Неуказанные радиусы не более 1 мм.
Неуказанные предельные отклонения ± IT
Ст. 40Х ГОСТ 7417-75

ЯЭУ мощностью 500 кВт.pdf

1. Расчет геометрических параметров 4
2. Расчет массового состава реактора 6
3. Нейтронно-физический расчет реактора 8
Расчет ядерной плотности .. ..8
Расчет макроскопических констант ..9
Расчет эффективного коэффициента размножения нейтронов .. .14
Расчет отравления реактора .. ..17
Определение запаса регулирования и оценка начальной загрузки урана . .18
Оценка эффективности органов регулирования 19
4. Теплофизический расчет реактора ..20
5. Гидравлический расчет реактора 23
6. Расчт на прочность цилиндрической оболочки реактора .. 25
7. Расчт на прочность опорной рештки реактора .. .26
8. Описание работы реактора .. 27
9. Описание конструкции ТВЭЛа.. 27
) Площадь активной зоны – 1000 см2
) Длина активной зоны – 465 см
) Материал отражателя – Be
) Толщина радиального отражателя – 7 см
) Толщина торцевого отражателя – 5 см
) Материал замедлителя – ZrH17
) Материал топлива U235 (обогащение 90%)
) Материал теплоносителя Na-K
) Пористость по теплоносителю – 02
) Температура теплоносителя на входе – 750 К
) Температура теплоносителя на выходе – 950 К
) Скорость прокачки теплоносителя – 0225 мс
) Форма тепловыделяющего элемента – цилиндрическая
) Толщина оболочки тепловыделяющего элемента – 015 мм
) Процент выгорания топлива – 7%
1. Расчет геометрических параметров
Ориентировочный диаметр активной зоны
Выбираем диаметр цилиндрического ТВЭ: d = 29 см
Определяем относительный шаг решетки:
Вычисляем шаг решетки:
Оцениваем величину z:
Выбираем ближайшее нечетное число z> z0 т.е. z = 11
Площадь единичной ячейки ТВЭ
Уточняем площадь активной зоны:
Находим площадь сечения каналов теплоносителя:
Принимаем толщину оболочки ТВЭ:
И определяем суммарную площадь поперечного сечения оболочек ТВЭ:
Определяем объемы активной зоны
Торцевых отражателей
Радиального отражателя
Суммарный объем отражателя
2. Расчет массового состава реактора
Пусть загрузка равна:
Для урана 85%-ного обогащения
Объем урана в активной зоне
где γv = 18700 кгм3 = 00187 кгсм3 .
Объем замедлителя (гидрида циркония)
Поскольку Vv VМАТ Т ВЭ ≤ 1% можно для упрощения пренебречь объемом урана и считать
что VЗ = VМАТ Т ВЭ = 27399 см3 .
где γЗ = 5600 кгм3 = 00056 кгсм3 .
Масса водорода в замедлителе
Масса оболочки ТВЭ из стали
где γОБ = 7800 кгм3 = 00078 кгсм3 .
Масса теплоносителя-сплава K – Na (78%K 22% Na)
где γТ Н = 868 кгм3 = 0000868 кгсм3 .
Масса калия и натрия
Результаты расчета массового состава реактора сведены в таблицу 1.
Массовый состав реактора (G кг)
3. Нейтронно-физический расчет реактора
Расчет ядерной плотности
Расчет ядерной плотности элементов входящих в активную зону ведется по формуле
где N A = 602 * 1026 .ρi – 10-24 см-3 .
Ядерная плотность бериллия в радиальном отражателе
в торцевом отражателе
Ядерная плотность натрия калия и железа в торцевом отражателе будет такой же как и в
Результаты расчета сведены в табл. 2 и 3.
Ядерный состав активной зоны реактора (ρ i * 10-24 см-3 )
Ядерный состав отражателей (ρi * 10-24 см-3 )
Расчет макроскопических констант
Для определения нейтрально-физических характеристик реактора например условия его
критичности необходимо рассчитать значения различных макроскопических констант
типа k k– вид взаимодействия нейтрона с ядром; ki –
микросечение характеризующее вероятность этого взаимодействия.
Величина aiзависит от энергии нейтронного газа причем вид этой зависимости может
быть разным для различных элементов.
Для теплового реактора (в котором деление ядер урана идет на тепловых нейтронах) для
многих элементов справедлива зависимость
где Тнг – температура нейтронного газа в реакторе; Тнг0 = 300 К.
Значение констант k (Тнг) некоторых элементов для групп энергий нейтронов (j = Т –
тепловая группа – тепловые нейтроны и j = I – первая группа – надтепловые нейтроны)
приведены в табл. 5 учебного пособия[1] (стр. 11.)
Температура нейтронного газа связана с температурой среды (материала реактора) Тср и
концентрацией ядер урана (т.е. с загрузкой активного вещества):
Здесь a(Тср ) – макроскопическое сечение поглощения нейтронов ядрами вещества
входящего в состав активной зоны при температуре Тср .
Найдем температуру нейтронного газа для случая Тср = 300 К и G5 = 4 кг. Используя
полученные данные для ρiи значения к из табл. 5 и 6 учебного пособия[1] (стр. 11)
В дальнейших расчетах с целью упрощения примем Тнг = 400 К а микросечение
поглощения будем определять по формуле:
для всех элементов входящих в активную зону за исключением U5 .
Результаты расчета a и f для холодного состояния реактора (Тсрx = 300 К) сведем в
Микросечение для Тнг = 400 К соответствующие тепловым нейтронам (барны)
Макроскопические сечения рассчитываются по формуле
Расчет макроскопического сечения поглощения
Расчет макроскопического сечения деления
Расчет макроскопического сечения
Расчет транспортного макроскопического сечения
Величина коэффициентов диффузии нейтронов рассчитывается по формуле
Результаты двухгруппового расчета макроскопических констант для активной зоны
торцового и радиального отражателей сведены в таблицу 5.
Макроскопические константы для двух групп нейтронов для загрузки G5 = 4 кг
Рассчитываем ядерную плотность элементов входящих в состав активной зоны реактора
(для горячего состояния)
Значения ядерной плотности сведены в таблицу 6.
Ядерный состав активной зоны в горячем состоянии ( ρ i 10-24 см-3 ) для загрузки G5 = 4
Температура нейтронного газа для реактора в горячем состоянии находится аналогично
тому как это делалось применительно к его холодному состоянию. Микросечения
элементов (за исключением урана U5 ) находятся по формуле:
и для урана U5 берутся из табл. 6 учебного пособия[1] (стр. 11) для Tср = 800 К.
Результаты расчета aт и fт для горячего состояния реактора (Tср = 800 К) даны в табл. 7.
Микросечения взаимодействия при Tср = 800 К (барны)
Для рассматриваемого варианта расчета (G5 = 05 кг) получим при Tср = 800 К:
Данные расчета соответствующие G5 = 4 кг приведены в таблице 8.
Макроскопические константы для активной зоны в горячем состоянии (барны) для
Расчет эффективного коэффициента размножения нейтронов
Проведем оценочный расчет эффективного коэффициента размножения нейтронов в
реакторе использовав следующие упрощения:
) активная зона реактора считается полностью гомогенной а температура среды
) реактор с отражателем заменяется эквивалентным реактором без отражателя размеры
которого Rэ и Lэ будут отличаться от действительных размеров Rаз и lаз на величину
эффективных добавок эр и 2 эт:
Rэ = Rаз + эр Lэ = lаз + 2 эт
Эти эффективные добавки связаны с реальными размерами радиального и торцового
отражателей (Δр и Δт) соотношениями
– осредненные коэффициенты диффузии для активной зоны радиального и
торцового отражателей соответственно.
Отсюда для случая G5 = 27 кг получим
Полученные значения справедливы для всех трех загрузок.
Эффективный коэффициент размножения нейтронов рассчитывается по формуле
Здесь α – геометрический параметр реактора (см-1 ):
- коэффициент размножения в среде бесконечных размеров;
– квадрат длины замедления см2 ; – квадрат длины диффузии нейтронов в реакторе
где – коэффициент размножения на быстрых нейтронах
учитывающий деление U5 ; – вероятность избежать резонансного захвата; –
коэффициент использования тепловых нейтронов; – число рождающихся нейтронов
при делении ядра урана с учетом возможного поглощения без деления.
Для обогащенного урана (90% U5 )
Рассчитаем для загрузки G5 = 27 кг
Результаты расчетов всех выше перечисленных величин приведены в табл. 15 (холодное
состояние) и табл. 16 (горячее состояние).
Результаты расчета реактора (холодное состояние)
Результаты расчета реактора (горячее состояние)
Расчет отравления реактора
Определим тепловую мощность
Определяется средняя величина нейтронного потока по заданной тепловой мощности (Q =
кВт) и выбранной загрузке активного вещества (G5 = 4 кг):
Рассчитывается равновесное отравление Хе – 135 по формуле:
– относительные доли иода и ксенона в продуктах деления;
– константы распада Jи
сечение поглощения тепловых нейтронов ксеноном;
Определяется равновесное отравление Sm – 149 которое не зависит от Ф:
– относительная доля Pm – 149 в продуктах деления (относительный выход
Суммарное равновесное отравление реактора
Снижение эффективного коэффициента размножения нейтронов за счет отравления
. Для U = 235 э = 207
В рассматриваемом случае (G5 = 4 кг):
Определение запаса регулирования и оценка начальной загрузки урана
Найдем эффект выгорания т.е. определим массу U5 выгорающую за время работы
реактора p = 10000 ч при мощности Qp = 51637 кВт:
Температурный эффект определяем из графика
Запас реактивности на регулирование мощности реактора примем
Определим загрузку 5 в горячем состоянии реактора которая соответствует kэф = 1:
Начальная загрузка U5 в реакторе:
Оценка эффективности органов регулирования
Определяем kэф для реактора без радиального отражателя в холодном состоянии. Для
Уменьшение реактивности реактора при отсутствии радиального отражателя
Запас на подкритичность реактора примем равной Δkпод = 0005. Следовательно органы
регулирования должны компенсировать
Выражение для нахождения эффективности барабана можно записать в виде
Где SБ – площадь поперечного сечения барабана; SРО – площадь поперечного сечения
радиального отражателя; y = ΔР RАЗ ; RАЗ – радиус активной зоны; n = 23.
Примем диаметр барабана равным удвоенной толщине отражателя. Тогда α0 = 06; α180 =
y = ΔР RАЗ = 710 = 4516
Необходимое кол-во барабанов:
4. Теплофизический расчет реактора
Определение неравномерности тепловыделения в реакторе и распределения нейтронных и
тепловых потоков по объему активной зоны
При эт1 = эт2 = т можно получить значения коэффициентов неравномерности
тепловыделения (и распределения нейтронных потоков) по радиусу длине и объему
– корень функции Бесселя. Значения функции Бесселя нулевого (J0 (x)) и
первого (J1 (x)) порядка в зависимости от x приведены в справочнике [2]. J1 = 0498
Среднее максимальное тепловыделение в ТВЭ
Средние и максимальные нейтронные потоки
Проверочный тепловой расчет реактора
Проведем этот расчет в предположении что известны: тепловая мощность реактора
Q P = 516380 Вт и значение температур теплоносителя T01 = 750 К и T02 = 950 К. Таким
образом подогрев теплоносителя ΔT0 = 200 К.
γ = 733 кгм3 ;CP = 879 Дж(кг*К); λ = 26 Вт(м*К); = 26 * 10 -7 м2 с-1 ; Pr = 00064
Расход теплоносителя
Средняя скорость теплоносителя в каналах
Гидравлический диаметр канала
Определим числа Re и Pe:
Полученный режим течения является турбулентным.
Переходим к расчету теплообмена в канале. Для плотной упаковки цилиндрических
стержней (x102) можно воспользоваться формулой
– теплопроводность оболочки стержня и теплоносителя (
Коэффициент теплоотдачи
Общая площадь поверхности ТВЭ
Средняя и максимальная плотность теплового потока
Текущий подогрев теплоносителя
Текущая температура теплоносителя
Текущий перепад температур между стенкой ТВЭ и теплоносителем
Перепадом температур в оболочке ТВЭ можно пренебречь так как
Текущая температура стенки ТВЭ (
Текущий максимальный перепад температур в ТВЭ
Текущая максимальная температура ТВЭ
В данных выражениях z меняется от z1 = - lАЗ 2 до z2 = lАД 2
Для рассматриваемых условий (PT = dn = 1058; L = 06713 м; 1 = 2 =
Результаты вычислений указанных величин представлены в таблице 17.
Распределение тепловых параметров по длине центрального канала (T К)
5. Гидравлический расчет реактора
Гидравлические потери при течении теплоносителя в канале (межстержневом
пространстве) определяется формулой
Потери давления на трение
Для плотной упаковки ТВЭ в треугольной решетке:
В результате получим
Потери связанные с местным сопротивлением
складываются из потерь на входе в канал
выходных потерь в отверстиях двух трубных досок:
Суммарные потери давления в реакторе
6. Расчёт на прочность цилиндрической оболочки реактора
Интенсивность мембранных напряжений:
где P – давление действующее на оболочку R – радиус оболочки h – толщина оболочки.
Давление примем равным P = 3 * 105 Па h = 4*10-3 м R = 0173 м.
Теперь найдём интенсивность мембранных напряжений:
= 1129 * 106 Па = 1129 МПа
Коэффициент запаса прочности рассчитываем по формуле:
– предел длительной прочности конструкционного материала при температуре t.
В нашем случае берём сталь 08Х18Н10Т. Для неё
при температуре t = 600
Коэффициента запаса прочности достаточно чтобы корпус реактора работал в данных условиях.
7. Расчёт на прочность опорной решётки реактора
Приведённая (с учётом перфорации) цилиндрическая жёсткость опорной решётки:
– коэффициент жёсткости
D – жёсткость исходной пластины (без отверстий)
E = 160 * 109 Па – модуль Юнга материала пластины
= 025 – коэффициент Пуассона.
Существует много эмпирических формул для расчёта но можно воспользоваться простой
где S – площадь опорной решётки Sотв – общая площадь всех отверстий в опорной решётке.
Для нахождения общей площади отверстий нужно найти площадь отверстий для крепления ТВЭЛ
и площадь отверстий для каналов теплоносителя.
Диаметр отверстия для крепления ТВЭЛ примем Dо.твэ = 8*10-3.
Общая площадь отверстий для крепления ТВЭЛ:
Диаметр отверстий для каналов теплоносителя нам известен Sо.кан = 001494 м2.
Sотв = Sо.твэ + Sо.кан = 000457 + 001494 = 001951 м2;
Площадь опорной решётки:
Эквивалентное (условное) давление на решётку на стартовом режиме от массы ТВЭЛ:
где k – коэффициент стартовой перегрузки (обычно k = 10)
– суммарная масса всех ТВЭЛ их оболочек и торцевого отражателя
r = 01125 м – радиус решётки.
Масса материала ТВЭЛ:
Gмат.твэ. = V мат.твэ. * ρмат.твэ. = 27399 * 10-6 * 18700 = 512 кг;
Масса оболочки ТВЭЛ:
Gоб.твэ. = V об.твэ. * ρоб.твэ. = 575 * 10-6 * 7800 = 445 кг;
Масса торцевого отражателя:
Gт.отр. = V т.отр. * ρт.отр. = 5892 * 10-6 * 1840 = 1084 кг;
= Gмат.твэ. + Gоб.твэ. + Gт.отр. = 512 + 445 + 1084 = 52729 кг;
Максимальный прогиб в центре решётки (жёсткое закрепление):
= 241 * 10-5 м = 0024 мм;
Подразумевается что решётка «работает в упругой области» при этом должно выполняться
h = 00016 м = 16 мм;
Условие выполняется.
8. Описание работы реактора
Схема работы реактора такова: жидкометаллический теплоноситель (Na – K эвтектика) через три
верхних патрубка 6 попадает в верхний коллектор образованный верхней крышкой 2 верхней
обечайкой 4 и верхней опорной решёткой 3. Затем через специальные отверстия в верхней
опорной решётке 3 приваренной к обечайке 4 теплоноситель попадает в активную зону
реактора где находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) 1 в количестве 91 штук которые
крепятся к верхней опорной решётке 3 при помощи гайки 13. Также в активной зоне находятся
замедлитель 14 из гидрида циркония (ZrH17) в котором есть специальные отверстия: для ТВЭЛов
и для прохождения теплоносителя. Пройдя активную зону теплоноситель через отверстия в
нижней опорной решётке 10 попадает в нижний коллектор образованный нижней крышкой 11
нижней обечайкой 9 и нижней опорной решёткой 10 и через три нижних патрубка 12
симметрично приваренных к крышке течёт дальше в термоэлектрогенератор. Активная зона в
свою очередь находится во внутреннем корпусе 5 которому снаружи приварен радиальный
отражатель 7. В радиальном отражателе делаются специальные выемки для размещения
регулирующих барабанов 8 которые приводятся в движение приводом с помощью вала 15.
9. Описание конструкции ТВЭЛа
Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) состоит из: корпуса 4; крепления верхнего 1 с помощью
которого ТВЭЛ крепится к верхней опорной решётке; двух торцовых отражателей 2 с отверстием
для сбора газов выделяющихся в процессе деления урана; таблеток ядерного топлива 3 в
количестве 17 штук; пружины 5; заглушки 6 прокладок 7 расположенных между таблетками
топлива в количестве 18 штук.
Расчет аппаратов нагрева: Учебное пособие И.Г. Паневин Н.Н. Пономарев -Степной
Е.С. Глушков С.К. Ховрин А.М. Иванов. – М.: МАИ 1984 - 52 с. ил.
Бронштейн И.Н. Семендяев К.А. Справочник по математике. – М.: ГИТТЛ 1954.

Спецификация.spw

Решётка опорная верхняя
Отражатель радиальный
Барабан регулирующий
Решётка опорная нижняя
Шайба А.8.01.08кп.016

Чертеж.cdw

* Размеры для справок.
Данное положение соответствует максимальной
критичности реактора (k
Сварка аргонодуговая. Категория требований к сварным швам - 1.
Допуск на угловой шаг и любую сумму угловых шагов
Маркировать и клеймить на бирке.
Консервация и хранение по инструкции МАИ.407.203.
Остальные тех. требования по ТУ МАИ.503.207.

Гайка.cdw

Неуказанные радиусы не более 1 мм.
Неуказанные предельные отклонения ± IT
Ст. 40Х ГОСТ 7417-75