Widerstandskraft in der Kerntechnik
Die Analyse der hydraulischen Auftriebskraft ist eine der wichtigsten Analysen bei der Auslegung eines Brennelements und der Analyse der hydraulischen Verträglichkeit von gemischten Kernen. Die Vertikalkräfte werden durch eine aufwärts gerichtete Hochgeschwindigkeitsströmung durch den Reaktorkern induziert . Der Strömungsweg für das Reaktorkühlmittel durch das Reaktorgefäß wäre:
-
Beispiel für Durchflussraten in einem Reaktor. Dies ist ein veranschaulichendes Beispiel. Die Daten stellen keine Reaktorauslegung dar. Das Kühlmittel tritt an der Einlassdüse in den Reaktorbehälter ein und trifft auf den Kernzylinder .
- Das Kernrohr zwingt das Wasser, in dem Raum zwischen der Reaktorbehälterwand und dem Kernrohr nach unten zu fließen. Dieser Raum wird üblicherweise als Fallrohr bezeichnet .
- Vom Boden des Druckbehälters aus wird die Strömung durch den Kern umgekehrt, um durch die Brennelemente zu gelangen , wo die Kühlmitteltemperatur beim Durchgang durch die Brennstäbe steigt.
- Schließlich tritt das heißere Reaktorkühlmittel in den oberen Innenbereich ein, wo es aus der Auslassdüse in die heißen Schenkel des Primärkreislaufs geleitet wird und zu den Dampferzeugern weitergeleitet wird .
Brennelemente werden von der oberen Führungsstruktur gehalten , die die Oberseite des Kerns definiert. Diese Baugruppe besteht aus Edelstahl und hat viele Zwecke. Die obere Führungsstrukturanordnung übt eine axiale Kraft auf Brennelemente aus (durch Federn in der oberen Düse), wodurch die genaue Position des Brennelements im Kern definiert wird. Der obere Führungsstruktur-Montageflansch wird durch den RPV-Verschlusskopfflansch an Ort und Stelle gehalten und vorgespannt. Die obere Führungsstrukturanordnung führt und schützt auch Steuerstabanordnungen und Instrumente im Kern.
Der erforderliche Abtrieb der oberen Führungsstrukturbaugruppe an Brennelementen muss sehr sorgfältig berechnet werden. Ein unzureichender Anpressdruck kann zum Anheben des Brennelements führen. Ein übermäßiger Anpressdruck kann zum Verbiegen des Brennelements führen , was ebenfalls inakzeptabel ist.
Beispiel: Widerstandskraft – Luftwiderstandsbeiwert – Kraftstoffbündel
Berechnen Sie den Reibungswiderstand eines einzelnen Brennstabs in einem Reaktorkern bei normalem Betrieb (Auslegungsdurchfluss). Angenommen, dieser Brennstab ist Teil eines Brennstoffbündels mit dem rechteckigen Brennstoffgitter und dieses Brennstoffbündel enthält keine Abstandsgitter. Seine Höhe beträgt h = 4 m und die Kernströmungsgeschwindigkeit ist konstant und gleich V Kern = 5 m / s.
Annehmen, dass:
- Der Außendurchmesser der Ummantelung beträgt: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm
- Die Steigung der Kraftstoffstifte beträgt: p = 13 mm
- die relative Rauheit beträgt & epsi ; / D = 5 · 10 & supmin; & sup4;
- Die Flüssigkeitsdichte beträgt : ρ = 714 kg / m 3
- Die Kernströmungsgeschwindigkeit ist konstant und gleich V Kern = 5 m / s
- Die durchschnittliche Temperatur des Reaktorkühlmittels beträgt: T Masse = 296 ° C.
Berechnung der Reynoldszahl
Um die Reynolds-Zahl zu berechnen , müssen wir wissen:
- Der Außendurchmesser der Ummantelung beträgt: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm (zur Berechnung des hydraulischen Durchmessers)
- Die Steigung der Kraftstoffstifte beträgt: p = 13 mm (zur Berechnung des Hydraulikdurchmessers)
- Die dynamische Viskosität von gesättigtem Wasser bei 300 ° C beträgt: μ = 0,0000859 Ns / m 2
- Die Flüssigkeitsdichte beträgt: ρ = 714 kg / m 3
Der hydraulische Durchmesser D h ist ein häufig verwendeter Begriff bei der Handhabung von Strömungen in nicht kreisförmigen Rohren und Kanälen . Der hydraulische Durchmesser des Brennstoffkanals , D h , ist gleich 13,85 mm .
Siehe auch: Hydraulikdurchmesser
Die Reynolds-Zahl innerhalb des Kraftstoffkanals ist dann gleich:
Dies erfüllt die turbulenten Bedingungen vollständig .
Berechnung des Hautreibungskoeffizienten
Der Reibungsfaktor für turbulente Strömung hängt stark von der relativen Rauheit ab. Sie wird durch die Colebrook-Gleichung bestimmt oder kann unter Verwendung des Moody-Diagramms bestimmt werden . Das Moody-Diagramm für Re = 575 600 und ε / D = 5 x 10 -4 gibt folgende Werte zurück:
- Der Darcy-Reibungsfaktor ist gleich f D = 0,017
- Der Fanning-Reibungsfaktor ist gleich f F = f D / 4 = 0,00425
Daher ist der Hautreibungskoeffizient gleich:
Berechnung der Widerstandskraft
Um die Widerstandskraft zu berechnen , müssen wir wissen:
- der Hautreibungskoeffizient , der ist: C D, Reibung = 0,00425
- die Fläche der Stiftoberfläche , die ist: A = π.dh = 0,1169 m 2
- die Flüssigkeitsdichte , das ist: ρ = 714 kg / m 3
- die Kernströmungsgeschwindigkeit, die konstant ist und gleich V Kern = 5 m / s ist
Aus dem Hautreibungskoeffizienten, der gleich dem Fanning-Reibungsfaktor ist , können wir die Reibungskomponente der Widerstandskraft berechnen . Die Widerstandskraft ist gegeben durch:
Unter der Annahme, dass eine Brennelementanordnung beispielsweise 289 Brennstoffstifte (17 × 17 Brennelementanordnung) aufweisen kann, liegt die Reibungskomponente der Widerstandskraft dann in der Größenordnung von Kilonewton . Darüber hinaus beruht diese Widerstandskraft ausschließlich auf der Hautreibung am Kraftstoffbündel. Die typische PWR-Kraftstoffbaugruppe enthält jedoch andere Komponenten, die die Hydraulik der Kraftstoffbaugruppe beeinflussen:
- Brennstäbe . Brennstäbe enthalten den Brennstoff und brennbare Gifte.
- Obere Düse . Bietet die mechanische Unterstützung für die Kraftstoffbaugruppenstruktur.
- Bodendüse . Bietet die mechanische Unterstützung für die Kraftstoffbaugruppenstruktur.
- Abstandsraster . Gewährleistet eine genaue Führung der Brennstäbe.
- Fingerhutrohr führen . Freier Schlauch für Steuerstäbe oder In-Core-Instrumente.
Wie geschrieben wurde, ist die zweite Komponente der Widerstandskraft der Formwiderstand. Formwiderstand , auch Druckwiderstand genannt, entsteht aufgrund der Form und Größe des Objekts. Der Druckwiderstand ist proportional zur Differenz zwischen den Drücken, die auf die Vorder- und Rückseite des eingetauchten Körpers wirken, und dem Frontbereich.
Druckabfall – Kraftstoffbaugruppe
Im allgemeinen Gesamtbrennelementdruckabfall wird durch Brennelementes Reibungsverlust (abhängig von gebildeten relativen Rauheit von Brennstäben, Reynoldssche Zahl , hydraulischen Durchmesser usw.) und andere Druckabfälle von Strukturelementen (obere und untere Düse, Abstand Gitter oder Mischgitter ).
Im Allgemeinen ist es nicht so einfach, Druckabfälle in Brennelementen (insbesondere in Abstandsgittern) zu berechnen, und es gehört zum Schlüssel- Know-how bestimmter Kraftstoffhersteller. Meist werden Druckabfälle in experimentellen Hydraulikkreisläufen gemessen und nicht berechnet.
Ingenieure nutzen die Druckverlustbeiwert , PLC . Es wird K oder ξ (ausgesprochen “xi”) notiert . Dieser Koeffizient kennzeichnet den Druckverlust eines bestimmten Hydrauliksystems oder eines Teils eines Hydrauliksystems. Es kann leicht in Hydraulikschleifen gemessen werden. Der Druckverlustkoeffizient kann sowohl für gerade Rohre als auch insbesondere für lokale (geringfügige) Verluste definiert oder gemessen werden .
Unter Verwendung der Daten aus dem oben genannten Beispiel ist der Druckverlustkoeffizient (nur Reibung vom geraden Rohr) gleich ξ = f D L / D H = 4,9 . Der Gesamtdruckverlustkoeffizient (einschließlich Abstandsgitter, obere und untere Düsen usw.) ist jedoch normalerweise etwa dreimal höher. Diese PLC ( ξ = 4,9 ) bewirkt , dass der Druckabfall in der Größenordnung von (die zuvor unter Verwendung von Eingaben) Ap Reibungs = 4,9 x 714 x 5 2 /2 = 43,7 kPa (ohne Abstand Gitter, obere und untere Düsen). Etwa dreimal höhere reale SPS bedeutet, dass etwa dreimal höherer Δp- Kraftstoff vorhanden ist.
Der Gesamtreaktordruckverlust, Δp- Reaktor , muss umfassen:
- Fallrohr und Reaktorboden
- untere Trägerplatte
- Kraftstoffanordnung einschließlich Abstandsgitter, oberer und unterer Düsen und anderer struktureller Komponenten – Δp Kraftstoff
- obere Führungsstrukturbaugruppe
Infolgedessen liegt der Gesamtreaktordruckverlust – Δp- Reaktor normalerweise in der Größenordnung von Hunderten kPa (sagen wir 300 – 400 kPa) für Auslegungsparameter.
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