Расчет реактора ВВЭР 1200

1. Перечень условных  сокращений

 

АЗ – активная зона;

АЭС – атомная электростанция;

ВВЭР – водо-водяной  энергетический реактор;

КВ – коэффициент  воспроизводства;

КИУМ – коэффициент  использования уровня мощности;

КПД – коэффициент  полезного действия;

ТВС – тепловыделяющая сборка;

твэл – тепловыделяющий  элемент;

ЯЭУ – ядерная энергетическая установка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Описание реакторной  установки.

 

Реакторная установка  включает четыре циркуляционные  петли  и реактор. На каждой петле установлено  по одному ГЦН с вынесенным электродвигателем и парогенератору горизонтального типа, соединенных между собой главным циркуляционным трубопроводом. К одной из петель подключен компенсатор давления. Реакторная установка расположена в герметичном здании, имеющем форму цилиндра с куполом. Снизу герметичный объем замыкает герметичная плита, воспринимающая нагрузки от оборудования реакторной установки. От центра плиты вверх до пола реакторного зала поднимается железобетонный ствол-шахта, являющийся опорой реактора.

ВВЭР-1000 является водоводяным реактором корпусного типа на тепловых нейтронах. В качестве топлива используется диоксид урана. Реактор включает следующие компоненты:

Корпус реактора выполнен из легированной углеродистой стали

15Х2НМФА, внутренняя поверхность  корпуса покрыта нержавеющей

наплавкой. Внутрикорпусная  шахта служит для размещения активной

зоны и организации  потока теплоносителя внутри реактора.

Эллиптическое днище  шахты является опорой и дистанционирующим

элементом для активной зоны. Блок защитных труб служит для

фиксации и дистанционирования головок ТВС защиты органов

регулирования от воздействия  потока теплоносителя, удержания

ТВС от всплытия, обеспечения  равномерного выхода теплоносителя

из активной зоны.

Выгородка устанавливается  внутри шахты вокруг активной

зоны, служит для дистанционирования периферийных кассет и

одновременно является элементом защиты корпуса реактора

от нейтронного облучения.

Активная зона состоит  из устанавливаемых цилиндрическими  хвостовиками в гнезда опорных стояков  днища шахты реактора ТВС, содержащих твэлы. Кроме того, ТВС активной зоны содержит орган регулирования, представляющий собой соединенный пучок из  аксиально перемещаемых поглощающих элементов. Твэл собирается из таблеток двуокиси урана, помещенных в трубку с заглушками, изготовленную из сплава Н-1.

Верхний блок служит для  уплотнения главного разъема реактора, размещения приводов СУЗ, уплотнения вывода датчиков системы внутриреакторного  контроля.

 

3. Последовательность  и содержание расчета.

                       3.1. Исходные данные для расчета ВВЭР-1200(по прототипу ВВЭР-1000):

Таблица 1

Наименование параметра	Ед. изм.	Значение
Давление	МПа	15
Мощность реактора	МВт	1200
Тепловая мощность реактора	МВт	3360
Температура теплоносителя		538
Обогащение топлива	%	4,4
Топливо	-	UO2
Материал оболочек ТВЭЛ	-	Zr+1%Nb
Число ТВЭЛ в кассете	шт.	312
Число кассет в активной зоне	шт.	162
Плотность воды		0,78
Плотность двуокиси урана( )		9,3
Диаметр таблеток	,	0,757
Диаметр центрального отверстия	см	0,23
Диаметр ТВЭЛа	,	0,91
Диаметр оболочки ТВЭЛа	,	0,772
Толщина оболочки ТВЭЛа	,	0,138
Шаг решетки (шаг установки  ТВС)	см	24, 1
Размер кассеты ”под ключ”	см	23,4

 

3.2. Подготовка  исходных данных для физического расчета.

 

3.2.1. Определение  геометрических параметров активной  зоны.

 

Находим среднюю энергетическую нагрузку объема активной зоны:

 

Оцениваем размеры активной зоны, приняв :

Отсюда, диаметр и высота  активной зоны:

 

 

 

Площадь сечения реактора.

Площадь сечения ячейки.

Количество ячеек.

 

191

3.2.2. Нахождение удельных  объёмов веществ (элементов, входящих  в состав топлива).

 

Вычисляем объём веществ V_i, отнесенных к единице высоты (1 см), занимаемых ураном, цирконием, водой.

Объём горючего (двуокиси урана):

Объём оболочек твэлов:

Объём оболочки кассеты:

Общий объём циркониевого сплава:

Объём воды в кассете:

Объём воды в зазоре между кассетами:

Общий объём воды:

 

 

 

 

 

3.2.3. Вычисление ядерных  концентраций и макроскопических  нейтронных сечений веществ.

Определим ядерные концентрации веществ:

при =0.78 г/см³

 г/см³; молекул/см³

 ядер/см³

 ядер/см³

Среднее обогащение U по АЗ составляет: x=4.4 %

 ядер/см³

 ядер/см³

Удельный вес цирконий – ниобиевого сплава принимаем равным удельному  весу циркония

=6,4 г/см^{3     .}Можно считать, что

Плотность ниобия подсчитаем по формуле:

Полученные результаты сведем в таблицу 2:

Таблица 2

Веще-ство	V,см2	,1024	, барн	, барн		, барн	,	,
U235	140,35	0,00091	694	10	-	-	88,637	-
U238	140,35	0,0198	2,71	8,3	-	-	7,53	-
O	140,35	0,0414	0,0002	3,8	0,120	0,456	0,0012	2,65
	67,97	0,0423	0,191	6,2	0,0218	0,135	0,549	0,388
H2O	289,045	0,0262	0,66	-	-	42,5	4,998	321,85
Σ							101,715	324,888

 

В этой таблице добавка  ниобия к цирконию учтена тем, что  сечение поглощения циркония принято равным:

На все же другие характеристики присутствие ниобия влияет очень  мало.

Теперь вычислим макроскопические сечения, нужные для расчета температуры  нейтронного газа. Пользуясь таблицей 2, находим:

 см^-1

 см^-1

Средняя температура замедлителя:

T₀=538⁰K

 см^-1

Находим температуру нейтронного  газа:

 К

Для удобства пользования  таблицами принимаем 

Задавшись х_гр=4, находим в справочнике при Т_n=700 сечение урана-235, усредненное по спектру Максвелла:

Чтобы получить усредненные  сечения других элементов, умножаем величины:

 на

Вычисляем, используя данные таблицы 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из рисунка находим  . Будем считать, что совпадение с первоначально заданным значением удовлетворительно. Таким образом, получаем сечения, принимая и :

Таблица 3

Температ.	Сечения (x10-24 см2) при , равном
нейтрон.	3		4		5		6		8
газа, К
300	563	670	529	629	513	610	506	601	501	596
400	478	566	449	531	435	515	430	508	426	504
500	421	495	395	467	383	452	378	446	375	443
600	378	445	355	418	345	408	342	403	338	400
700	345	405	325	383	318	375	314	371	311	368
800	318	375	303	358	296	351	292	346	289	342
900	298	352	285	338	278	330	275	325	272	322
1000	281	334	270	321	262	312	258	307	256	304
1100	265	314	253	301	246	291	243	286	240	282
1200	255	303	243	287	235	276	231	273	229	269
1300	246	292	233	274	225	265	221	261	219	258
1400	238	281	223	270	216	254	212	251	210	248

 

 

 

Находим  транспортные сечения для тепловых нейтронов  по формулам:

, где

- средний косинус угла рассеяния

На  сечение рассеяния воды влияет химическая связь водорода и кислорода, поэтому транспортное сечение, усредненное по спектру Максвелла, определяют по эмпирической формуле:

=

Сводим в таблицу 4, сечения для краткости будем обозначать

Таблица 4

Нуклид
	140,35	0,00091	383	392,97	9,97	48,916	50,19	1,273
	140,35	0,0198	1,625	9,9	8,28	4,516	27,511	23,009
	140,35	0,0414	~0	3,6482	3,64	~0	21,198	21,15
	67,97	0,0423	0,115	6,272	6,16	0,331	18,033	17,71
	289,045	0,0262	0,397	44,641	17,5	3,006	338,065	132,527
						56,769	454,997	195,669

 

Ввиду того, что диаметр тепловыделяющих  элементов мал, и они образуют в кассете тесную решетку, микроскопическая неравномерность нейтронного потока в тепловой группе нейтронов должна быть довольно слабой, поэтому будем рассчитывать все усредненные характеристики активной зоны (кроме - вероятности избежать резонансного захвата) методом простой гомогенизации.

Находим:

 см^-1

 см^-1

 см^-1

 см

3.2.4. Расчет диффузионных  констант.

Вычислим теперь групповые  коэффициенты диффузии D₁ и D₂ и квадрат длины диффузии тепловых нейтронов L²:

 см

 см

 см

Найдем квадрат длины  замедления . Запишем объемы урана и воды, приведенные к плотности при нормальных условиях:

Присутствие  циркония и кислорода (в составе оксида урана) учтем  приближенно, заменив их некоторым  “эквивалентным” объемом урана  с учетом разницы в плотностях и сечениях рассеяния:

Значение функции  находим из рис.5 [1], вычислив предварительно аргумент:

 

Тогда . Следовательно:

Учитывая, что эта величина вычислена, вероятно,

с большой погрешностью, принимаем

 

 

 

3.3. Расчет коэффициента  размножения бесконечной среды.

Коэффициент размножения  бесконечной активной среды без  учета размножения нейтронов в промежуточной области энергий определяется формулой четырех сомножителей: