Деление ядра Ядерный реактор Ядерные взрывы Температура в центре реакторного топлива Быстрые реакторы - размножители Аварии с потерей теплоносителя


Ядерные реакторы

Температура в центре реакторного топлива

Пример. Выведите выражение для расчета температуры центра таблетки реакторного топлива, предполагая, что внутреннее энерговыделение равномерно в пространстве, а теплопроводность не зависит от температуры. Твердая таблетка из двуоксида урана имеет линейную плотность энерговыделения 45 кВт/м и температуру поверхности 600 0С. Теплопроводность двуоксида урана 2,7 Вт/(м К). Какова температура центра топливной таблетки?

Решение. Предположим, что линейная плотность энерговыделения таблетки, т.е. полная энергия, получаемая с 1 м топлива, составляет R (Вт/м).

Тогда скорость энерговыделения в пределах радиуса r равна

поскольку произведенная энергия пропорциональна объему топлива.

В стационарном состоянии это энерговыделение отводится теплопроводностью с цилиндрической поверхности радиусом r, т.е. со скоростью, равной

где k - коэффициент теплопроводности, Т - температура. В таком случае можно записать:

Решая это уравнение, получаем зависимость температуры от радиуса:

а температура центра топлива

где Т0 - температура поверхности таблетки (r = а). Отметим, что разность температур Tmax – Т0 не зависит от диаметра таблетки, если энерговыделение определяется в терминах линейной скорости. Для условий поставленной задачи имеем:

Задача. Для топливной таблетки, описанной в предыдущем примере, рассчитать предельно допустимую линейную скорость энерговыделения, если температура центра топлива не должна превышать 1500 0С.

2. Показатель качества реакторного теплоносителя

Пример. Показатель качества реакторного теплоносителя

Получите это выражение из отношения мощности на прокачку Р к мощности тепловыделения Q при постоянном подогреве теплоносителя ΔТ

Решение. Падение давления теплоносителя ΔР, проходящего через канал диаметром D и длиной L, составляет:

где W - расход теплоносителя; А - площадь проходного сечения; f - коэффициент трения, который для турбулентного потока пропорционален величине

ρ - плотность теплоносителя.

Мощность на прокачку  можно вычислить по формуле

Мощность тепловыделения Q можно определить, зная расход, теплоемкость и подогрев теплоносителя:

Если с помощью этого уравнения мы исключим расход теплоносителя W из выражения для мощности на прокачку, то получим

Коэффициент трения f пропорционален величине

Тогда мощность на прокачку Р пропорциональна

Если размеры канала L, A, D, мощность Q и подогрев теплоносителя ΔT заданы, то мощность на его прокачку будет минимальна, когда отношение

минимально или когда обратная величина  максимальна.

Задача. Новый органический теплоноситель предлагается для охлаждения ядерного реактора. В рабочих условиях реактора его плотность составит 862 кг/м3, вязкость 1,5 10-4 Н с/м2, теплоемкость 2710 Дж/(кг К). Рассчитать показатель качества нового теплоносителя и сравнить с данными для других теплоносителей, приведенными в табл. 3.1.

3. Проектирование контура теплоносителя для ядерного реактора

Задача. Развитие энергетических ядерных реакторов привело к тому, что для реакторов с газовым охлаждением стандартными стали контуры интегрального типа (с корпусами из предварительно напряженного бетона), а для реакторов с водяным теплоносителем предпочтение отдано петлевым контурам. Обсудите достоинства и недостатки этих вариантов и установите, почему выбраны именно такие компоновки.

Ухудшение условий охлаждения реактора Современная ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) представляет собой весьма сложное с технической точки зрения сооружение, состоящее из большого числа различных систем. При ее проектировании особое внимание должно уделяться возможным последствиям выхода из строя этих систем.

Для того чтобы конструкция реактора могла противостоять различным авариям, перечисленным выше, она должна включать в себя ряд систем обеспечения безопасности. Двумя наиболее важными системами обеспечения безопасности являются система прекращения цепной реакции деления в реакторе (управляющие стержни) и вспомогательная система охлаждения - так называемая система аварийного охлаждения активной зоны. Эти системы обеспечения безопасности приводятся в действие сигналами, поступающими из различных частей установки.

Пример с электрическим чайником

Реактор с водой под давлением (PWR) - наиболее распространенный тип энергетического реактора в мире.

Нарушения нормального рабочего режима PWR можно отнести к следующим категориям. Нарушения, приводящие к изменению количества теплоносителя в первом контуре. Это может быть потеря жидкости через предохранительный клапан или другие вспомогательные контуры реактора. Кроме того, количество воды в первом контуре может возрасти в результате непреднамеренной подачи воды в контур нагнетательными насосами высокого давления. В итоге компенсатор давления может оказаться полностью заполнен водой, и регулировка давления станет невозможна

Энергетический баланс для реактора PWR в аварийных ситуациях. В типичном реакторе с водой под давлением, вырабатывающем около 1100 МВт электроэнергии, тепловыделение продуктов распада непосредственно после остановки составит примерно 200 МВт. Это сравнительно небольшая величина по сравнению с 3400 МВт тепловой энергии, выделяющимися в реакторе до его остановки

Фаза выброса. При нормальном рабочем режиме вода совершает следующий путь: поступает по входным трубопроводам (холодным трубопроводам) в корпус реактора, опускается по кольцевому зазору, окружающему активную зону, поднимается сквозь активную зону и затем покидает корпус реактора, направляясь по выходным трубопроводам (горячим трубопроводам) в парогенератор


Полный цикл для топлива ядерного реактора (топливный цикл)