Περιεχόµενα Παρουσίασης 2.9

Transcript

1 Πυρηνική Τεχνολογία - ΣΕΜΦΕ Κ ε φ ά λ α ι ο ο Π α ρ ο υ σ ί α σ η. 9 1 Περιεχόµενα Παρουσίασης.9 1. Αρχή Λειτουργίας των ΠΑΙ : Η Σχάση. Πυρηνική Ηλεκτροπαραγωγή ΠΗΣ 3. Πυρηνικά Υλικά και Τύποι ΠΑΙ 4. Σύγχρονοι ΠΑΙ 5. Ο Κύκλος του Πυρηνικού Καυσίµου 6. ιαστασιολόγηση, Παραγωγή Ενέργειας και Λειτουργία ενός ΠΑΙ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 1

2 Περιεχόµενα Παρουσίασης.9 7. Ραδιοπεριβαλλοντικές Επιπτώσεις από τη Λειτουργία των ΠΑΙ 8. Πυρηνικά Ατυχήµατα 9. Εξέλιξη των ΠΑΙ 10. ΠΑΙ 4ης Γενιάς ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 3 Εισαγωγή στην Πυρηνική Τεχνολογία Κ ε φ ά λ α ι ο ο 6. ιαστασιολόγηση, Παραγωγή Ενεργείας και Λειτουργία ενός ΠΑΙ 4

3 w Παραγωγή Ενεργείας 6.5 Εισαγωγή στη Θερµοϋδραυλική Ανάλυση Μόνιµη Κατάσταση ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 5 Παραγόµενη και Απαγόµενη Θερµική Ισχύς από Ράβδο ΠΚ Σ.Μ.Θ. : ( ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

4 Θερµοϋδραυλικά Μεγέθη σε Τοµή στο Κανάλι Ροής ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 7 Θερµοϋδραυλική Ανάλυση Ι. Παραγόµενη Θερµική Ισχύς στο Πυρηνικό Καύσιµο κατά τις Σχάσεις 35 U µε Θερµικά Νετρόνια ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

5 Η Συνολική ανά Σχάση 35 U Παραγόµενη Ενέργεια (MeV) Μορφή Ακαριαία : Κινητική Θραυσµάτων σχάσεως Ακτινοβολία -γ Κινητική νετρονίων Με Καθυστέρηση : Ακτινοβολία -β Ακτινοβολία -γ Νετρίνα Σύνολο από Σχάσεις Ακτινοβολία γ Ενσωµατώσεων Σύνολο ανά Σχάση Εκλυoµ Εκµετ Εµφάνιση Τοπική ιεσπαρµένη ιεσπαρµένη Τοπική ιεσπαρµένη Απώλεια ιεσπαρµένη ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 9 Ροή Θερµικών Νετρονίων σε Οµογενές Κυλινδρικό Σύστηµα ΠΚ-Επιβραδυντή Φ r π z r, Φ0 J.405 os R H ( ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

6 Πυκνότητα Παραγόµενης Ισχύος σε Οµογενές Σύστηµα ΠΚ - Επιβραδυντή q ( x, y, F E σχ Σ Φ E σχ Σ Φ E q σχ m m 1 s W / m 1 J ( 3 00MeV kw / t / σχάση J ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Συνολική Παραγόµενη Ισχύς σε Οµογενές Σύστηµα ΠΚ - Επιβραδυντή qt q ( x, y, dv Eσχ Σ Φ ( x, y, dv Σ E q t V q σχ t m J MW E σχ Σ 1 Φ m ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 1 s 1 V Φ 3 V ( m ) V ( 00MeV / σχάση J ) 6

7 Ροή Θερµικών Νετρονίων σε Οµογενές Κυλινδρικό Σύστηµα Ροή Θερµικών Νετρονίων :.405r π z Φ ( r, Φ0J 0 os R H q Φ Σ E σχ 3.64 qt J E Σ V m J MW 1 Φ 0.405r π z os R H m ( 00MeV / σχάση t ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ s 1 3 V ( m ) 11 J ) Από το Οµογενές Κυλινδρικό Σύστηµα ΠΚ-Επιβραδυντή στο Ετερογενές Κυλινδρικό Σύστηµα Φ q ( x, y, Σ 3.64q Φ E.405r π z J os σχ Μοντελοποίηση... t 0 E Σ V R H ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

8 Παραδοχές της Μοντελοποίησης Ετερογενούς ΚΣ από το Ισοδύναµο Οµογενές 1. ιατηρείται η συνολική ισχύς (q t ) και ο συνολικός όγκος του συστήµατος (V ).. Στο ετερογενές σύστηµα οι n ράβδοι του ΠΚ καταλαµβάνουν συνολικό όγκο V. 3. Με δεδοµένο ότι επιβραδυντής-ψυκτικό µέσο είναι νερό και οι ράβδοι του ΠΚ είναι πυκνά διατεταγµένες µεταξύ τους, µπορεί να θεωρήθεί το σύστηµα ως οµογενές, µε αφετηρία της ισοδυναµίας την πιοπάνω (1) διατήρηση : ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Από το Οµογενές Κυλινδρικό Σύστηµα ΠΚ-Επιβραδυντή στο Ετερογενές Κυλινδρικό Σύστηµα q ( r, ( r, E 3.64qt E Σ V J 0 σχ Σ Φ ( r,.405r π z os R H q rod rod ( r, q ( r, V ( r, V ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

9 Πυκνότητα Ισχύος Ράβδου ΠΚ σε Ετερογενές Κυλινδρικό Σύστηµα Πυκνότητα Ισχύος Ράβδου ΠΚ στη θέση Μ(r, : rod 1.16 qt.405r ( r, J 0 H a n R π z os H όπου α (m) η ακτίνα της ράβδου και n το πλήθος των ράβδων του πυρηνικού καυσίµου. Μέγιστη Πυκνότητα Ισχύος στο κέντρο του συστή- µατος : 1.16qt q 0,max H a n ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Ολική Παραγωγή Ισχύος σε µία Ράβδο q rod ( r) H H ( r, dv π a H H ( r, dz q rod.3 qt.405r ( r) J 0 n R ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

10 Θερµοϋδραυλική Ανάλυση ΙI. Απαγωγή Θερµότητας από τον Πυρήνα ΠΑΙ - Μεθοδολογία ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Γεωµετρία Φ(x,y, εδοµένα Μέγιστη επιτρεπτή θερµοκρασία ΠΚ, Τ m Παροχή ψυκτικού, W Θερµοκρασία ψυκτικού ( ) στην είσοδο ή στην έξοδο ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

11 Ζητούµενα Θερµοκρασιακή κατανοµή κατά την ακτίνα και το ύψος της ράβδου ΠΚ Θερµοκρασιακή κατανοµή καθ'ύψος στο περίβλη- µα του ΠΚ Συντελεστής Μετάδοσης Θερµότητας στο ψυκτικό Θερµοκρασιακή κατανοµή καθ'ύψος του καναλιού ψύξης στο ψυκτικό Παραγόµενη Απαγόµενη από το ψυκτικό θερµική ισχύς ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 1 Πορεία Ανάλυσης Επίλυση της εξίσωσης θερµικής αγωγιµότητας µέσα στη ράβδο του ΠΚ Υπολογισµός του συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας Υπολογισµός της θερµοκρασίας του ψυκτικού Εκτίµηση της µεταβολής του θερµικού περιεχο- µένου του ψυκτικού στο κανάλι ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 11

12 Θερµοϋδραυλική Ανάλυση ΙIΙ. Θερµοκρασιακή Κατανοµή κατά την ακτίνα του ΠΚ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 3 Γεωµετρία Στοιχείου ΠΚ Καναλιού Ψύξης ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

13 ιατήρηση της Ενέργειας στο ΠΚ Εξίσωση Θερµικής Αγωγιµότητας + q k 0 Ο τελεστής Lapae σε κυλινδρικό σύστηµα (r, : r r r + φ z Οριακές Συνθήκες : Κυλινδρική συµµετρία, Ακτινική µόνον αγωγιµότητα r ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 5 Θερµοκρασιακή Κατανοµή κατά την Ακτίνα του ΠΚ ( r) d dr 1 + r d dr ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 6 m k όπου k ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας του ΠΚ r 4k 13

14 Θερµική Ροή από το ΠΚ προς το Περίβληµα q d dr a ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 7 s s Νόµος Fourier : k q k r a ( r a) s m m a 4 k a s Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Περίβληµα d dr + 1 r d dr 0 ( r) s n( a+ b) n a ( b n(1+ ) a )n r ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 8 s 14

15 q Θερµική Ροή από το Περίβληµα προς το Ψυκτικό k d dr Για r a+ b k ( a+ b)n(1+ b ) a όπου k ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας του περιβλήµατος ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 9 b a>> b n(1+ ) a s q k b ( a+ b) a s b a όπου : R Ενεργειακός Ισολογισµός από το ΠΚ προς το Περίβληµα π a H q π ( a+ b) H q s q R ( b a) ( a+ b) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ m 1 n 1+ + k k η αντίσταση στη Μ.Θ. µέσα από το στοιχείο του ΠΚ (W/m K) -1 15

16 Θερµοϋδραυλική Ανάλυση ΙV. Μετάδοση της Θερµότητας από το Στοιχείο ΠΚ στο Ψυκτικό Μέσο ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ ΜΘ : Νόµος Νεύτωνα q h ( ) Μέση (θερµοδυναµική) θερµοκρασία του Ψυκτικού Μέσου : ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 3 ρ p ρ u d p u d 16

17 Συνολική Αντίσταση στη Μετάδοση Θερµότητας ( b a) q h ( ) m q R q q q m R 0 1 n 1+ 1 R 0 + ( a+ b) + R+ R k k h ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ h Θερµοϋδραυλική Ανάλυση V. Θερµοκρασιακή Κατανοµή καθ'ύψος στο Ψυκτικό Μέσο και το ΠΚ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

18 ( : Παραδοχές 1.Το ψυκτικό θα θεωρηθεί ότι ρέει προς τα άνω και παράλληλα προς τα στοιχεία του ΠΚ. Το ψυκτικό θεωρείται ότι ρέει καθ'όλο το ύψος του πυρήνα µέσα σε ένα και µόνον ένα ισοδύνα- µο κανάλι ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Ισοδύναµα Κανάλια σε Τετραγωνικό Πλέγµα ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

19 Ισοδύναµα Κανάλια σε Τετραγωνικό Πλέγµα Υδραυλική διάµετρος ισοδύναµου καναλιού : D Εγκάρσια διατοµή (m ) : Υγρή περίµετρος (m) : D e e 4 C s ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ we C s a π a π π a π a ( : Παραδοχές. Η Ροή Θ.Ν. θα θεωρηθεί συνηµιτονοειδής συνάρτηση του ύψους (. 3. Θα χρησιµοποιηθεί µέση τιµή του συντελεστή µετάδοσης θερµότητας (h) καθ' ύψος µέσα στο κανάλι. 4. Οι φυσικές ιδιότητες του ΠΚ θα θεωρηθούν ανεξάρτητες της θερµοκρασίας. 5. Θα θεωρηθεί µονοφασική ροή του ψυκτικού ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

20 Ταχύτητα Παροχή Ρευστού Ταχύτητα ροής u (m/s), Παροχή µάζας, W (kg/s) : W ( kg / s) ρ( kg / m Παροχή όγκου, Q (m 3 /s) : 3 ) u( m / s) ( m ) Q( m 3 / s) u( m / s) ( m ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Πυκνότητα Ισχύος µιας Ράβδου ΠΚ 1.16 qt r, J H a n rod ( 0 q.405r π z os R H 1.16 qt H a n 0,max. 405r q r,max 0,maxJ 0 R r ( r, max π z os H ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

21 Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Ψυκτικό Μέσο q ( dz r Θερµικός Ισολογισµός σε Στοιχείο dz ΠΚ - Ψυκτικού W p d ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Ψυκτικό Μέσο ( r z π z r, max os dz W H ( H 1,max dz W max H + π W ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 4 p 1 p d p 1 d π z 1 + sin H q max H + π W p 1

22 Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Ψυκτικό Μέσο ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Περίβληµα του ΠΚ q ( h Θερµικός Ισολογισµός σε Στοιχείο dz ΠΚ - Ψυκτικού r dz ( ) C dz ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ-.9 44

23 ( 1 Θερµοκρασιακή Κατανοµή στο Περίβληµα του ΠΚ q q r ( r,max r,max H π z sin + π W H p π a π z os H dz hc C ( ) hc ( ) dz π ( a+ b) r,max hc π z os H ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Το Μέγιστο της Θερµοκρασίας στο Περίβληµα του ΠΚ,max, max 0,max 1 d dz r,max + hc γ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ H z, max tan π 1 π pw γ hc H z hc H π pw γ 3

24 Θερµοκρασιακές Κατανοµές ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Θερµοκρασιακή Κατανοµή κατά τον Αξονα της Ράβδου του ΠΚ q ( r dz q C dz ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

25 Θερµοκρασιακή Κατανοµή κατά τον Αξονα της Ράβδου του ΠΚ q r ( dz π z qr, max os H q C dz m R 0 C ( 1 + r,max π p W H π z 1 + sin + H r,max C R 0 π z os H ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Το Μέγιστο της Θερµοκρασίας κατά τον Αξονα του ΠΚ z m m,max m m, max 0 m,max 1 d dz H, max tan π qr +,max C δ δ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ R 0 π W R δ hc z C H π pw R p 0 0 5

26 Θερµοκρασιακές Κατανοµές ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Θερµοϋδραυλική Ανάλυση VI. Ο Συντελεστής Μετάδοσης Θερµότητας κατά τη Μονοφασική Ροή Ψυκτικού ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

27 h Ο Συντελεστής Μετάδοσης Θερµότητας Εξαρτάται από : Τη Γεωµετρία του Καναλιού, Την Παροχή του Ψυκτικού, ( q Τη Θερµοκρασία του Ψυκτικού, και Τις Θερµοφυσικές Ιδιότητες (θερµοδυναµικές ιδιότητες & ιδιότητες µεταφοράς) του ρευστού, ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Μαθηµατική ιατύπωση της Εξάρτησης του ΣΜΘ Θεωρητική ανάλυση, διαστατική ανάλυση και πειρα- µατική διερεύνηση έχουν οδηγήσει στο συµπέρασµα ότι η εξάρτηση του ΣΜΘ µπορεί να διατυπωθεί µε τη βοήθεια των αδιάστατων οµάδων των εµπλεκοµένων µεγεθών - αριθµών Nusset, Reynods και Prandt ως: Nu (Re, Pr) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

28 Ο Αριθµός Nusset Nu h D k h h : Συντελεστής Μετάδοσης Θερµότητας (W/m K) D h : H Θερµαινόµενη ιάµετρος του καναλιού (m) k : Ο Συντελεστής Θερµικής Αγωγιµότητας του ρευστού (W/m K) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Φυσική Σηµασία του Αριθµού Nusset Αποτελεί ένα µέτρο του βαθµού ενίσχυσης των µηχανισµών µετάδοσης θερµότητας λόγω βεβιασµένης συν-αγωγής (επαφής µεταφοράς ) έναντι αυτού της θερµικής αγωγιµότητας σε στάσιµο στρώµα νερού πάχους D h ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

29 Ο Αριθµός Reynods Re u : Ταχύτητα Ροής (m/s) u D ρ µ e D e : Υδραυλική ιάµετρος του καναλιού (m) ρ : Πυκνότητα του ρευστού (kg/m 3 ) µ : Συντελεστής Ιξώδους του ρευστού (kg/m s ή N s/m ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Φυσική Σηµασία του Αριθµού Reynods Αποτελεί ένα µέτρο του λόγου των δυνάµεων αδρανείας ως προς τις δυνάµεις τριβής που αναπτύσσονται µέσα στο πεδίο ροής. Ροή για Re<1000 χαρακτηρίζεται ως στρωτή. Ροή για Re>000 χαρακτηρίζεται ως τυρβώδης. Στα κανάλια ψύξης των ΠΑΙ η ροή έχει αριθµούς Re πάνω από 300,000 ( ) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

30 Ο Αριθµός Prandt Pr p µ k p :Ειδική Θερµοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση του ρευστού (J/kg K) µ: Συντελεστής Ιξώδους του ρευστού (kg/m s ή N s/m ) k : Συντελεστής Θερµικής Αγωγιµότητας του ρευστού (W/m K) ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Φυσική Σηµασία του Αριθµού Prandt Αποδίδει ένα µέτρο του λόγου του βαθµού µεταβολής της θερµοκρασίας (θερµοβαθµίδα) προς το βαθµό µεταβολής της ταχύτητας (επιτάχυνση) µέσα στο ρευστό. Εξαρτάται µόνο από τις φυσικές ιδιότητες του ρευστού, και τελικά από τη θερµοκρασία του. Το νερό έχει Pr 1, ενώ τα αέρια > 1. Τα υγρά µέταλλα έχουν Pr << ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

31 Πηγή για τις Θερµοφυσικές Ιδιότητες των Ψυκτικών των ΠΑΙ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Υδραυλική ιάµετρος : Οι Ισοδύναµες ιάµετροι όπου το εµβαδόν της επιφανείας ροής και C w η βρεχόµενη περίµετρος Θερµαινόµενη ιάµετρος : D e 4 C όπου το εµβαδόν της επιφανείας ροής και C w η βρεχόµενη περίµετρος D h w h 4 C ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

32 Η Ταχύτητα Μάζας ή Ροή Μάζας Είναι ένα πρόσφορο υπολογιστικά µέγεθος, που ορίζεται ως : G u ρ W (kg/m s) Με την εισαγωγή του µεγέθους αυτού µπορεί να επαναδιατυπωθεί η έκφραση για τον Reynods ως: Re G D e µ ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Θερµοϋδραυλική Ανάλυση VΙI. Συσχετίσεις για το Συντελεστή Μετάδοσης Θερµότητας κατά τη Μονοφασική Ροή Ψυκτικού ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

33 Κυλινδρικός Σωλήνας Μη-µεταλλικά Ψυκτικά Συσχέτιση των Dittus & Boeter Nu Re Pr ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ όπου : Πλέγµα Ράβδων ΠΚ - Νερό Nu Συσχέτιση Weisman Re 0.8 Pr V w,v οι όγκοι που καταλαµβάνουν στο πλέγµα το νερό και το ΠΚ αντίστοιχα. V w Vw + V ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ

34 Μεταλλικά Ψυκτικά Συσχέτιση Dwyer s s Nu ψ Pe d d ( ) όπου s η παράµετρος του πλέγµατος, d η εξωτερική διάµετρος των ράβδων ΠΚ και : ( s d) 0.94 ψ 1 Pe 81 Pr 3 1. ( Re/10 ) k ΠΤ-ΣΕΜΦΕ-Εισαγωγή στην ΠΤ Αριθµός Peet u Deρ p 34