19963

Схема тепловых расчетов для конкретной экспериментальной установки

Лекция

Физика

Рассмотреть конкретный пример использования методики расчета температурного поля облучательного устройства. В качестве примера предлагается облучательное устройство Ритм, предназначенное для комплексного исследования пластических свойств ядерного топлива и газовыделения при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения.

Русский

2013-08-13

29.19 KB

1 чел.

Конспект занятия 11.

Цель.

   Рассмотреть конкретный пример использования методики расчета температурного поля облучательного устройства.   В качестве примера предлагается  облучательное устройство "Ритм", предназначенное для комплексного исследования пластических   свойств   ядерного  топлива  и  газовыделения  при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения. Обосновать выбор схемы для тепловых расчетов, выбор конструкционных материалов, теплофизических параметров и источников тепловыделений. Познакомить слушателей с результатами расчетов и их сопоставлением  с экспериментальными данными.

План.

1. Схема тепловых расчетов для конкретной экспериментальной установки.

2.Выбор теплофизических характеристик для проведения расчетов.

3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета.

  В качестве примера рассматривается облучательное устройство "Ритм", предназначенное для комплексного исследования пластических   свойств   ядерного  топлива  и  газовыделения  при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения.  

  Схематическое изображение экспериментальной установки для проведения тепловых расчетов показано на рис.3.4.

   Для практических расчетов поля температуры в установках необходимо задаться зависимостями теплофизических характеристик материалов от температуры, величинами тепловыделений в элементах установки и коэффициентами теплообмена. Кроме того необходимо задать геометрические характеристики облучательного устройства.

    

    Конструкционными материалами облучательных устройств обычно являются: алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь молибден и вольфрам. Исследования могут проводиться на образцах из урана, его соединений и сплавов с различным обогащением по урану-235.

Рис.3.4.Модель для расчета аксиального поля температуры.

5

Z1

Z2

Z3

Z4

Z=0

R0

R1

RН

R2

R3

Rоб JjОБ

R4

1

2

3

4

6

    В соответствии с рекомендациями [12] зависимость теплопроводности от температуры молибдена может быть аппроксимирована двумя прямыми:

λ = 144-0,0378 (Т-273) (Вт/м K)  при Т < 2120 К   

λ=  74-0,0092 (T-2I20) (Вт/м K)   при Т > 2120 К   

Теплопроводность нержавеющей стали [13] может быть описана параболической зависимостью от температуры:   

λ = 33,2 - 11,2*I0-6 (730 + Т)*(1273 - Т) (Вт/м K).

Теплопроводность алюминия в [ 13] аппроксимирована формулой:

λ = 210 (1,2)(T-350)/345 (Вт/м K)

    Зависимость теплопроводности вольфрама   от температуры [12] можно представить полиномом второй степени:

λ= 0,971*10-5 Т2 + 0,0548 T + 168,6.

    Теплопроводность гелия, которым заполняется испытательная камера, как функция температуры, в соответствии с рекомендацией [14] описывается: соотношением:

λ = λ0*(Т/273)0.73

где λ0 - теплопроводность гелия при Т = 273 К.

    Степень черноты по данным [15 ] и [11] в зависимости от температуры апроксимируется следующими уравнениями:

для молибдена - ε = I,024*I0-4 T,

для вольфрама - ε = I,389*I0-4 T,

для нержавеющей стали в диапазоне температуры 400-1200 К

                            ε = 0,0814(Т)0.3,

для алюминия в пределах 293-323 К  ε  может быть принята постоянной, равной 0,1.

     Коэффициент теплообмена с окружающей средой α определяется по рекомендациям [11] . Его величина для воздуха меняется слабо и может быть принята постоянной, равной 7 Вт/м 2  К .

При охлаждении стенки камеры водой  в отсутствии кипения в пристенном слое α   рекомендуется [11] выбирать в пределах ; 600-1800 Вт/м 2 К. В условиях бассейнового реактора ИРТ-МИФИ при температуре воды 318 К и возможной разности температур между стенкой и водой ~ 45 К можно принять   α = 880 Вт/м2 К.

   

    Тепловыделение в  топлива в соответствии с рекомендациями

[ 9 ] определяется выражением:

qv = 0.3*10-10 N (m 5 σ 5 Ф Т / A 5 + m 8 σ 8 Ф Б / A 8 ) + ρ q γ 

где

N - число Авогадро;

σ 5 и σ 8 - сечения деления изотопов U235 и U238

Ф ТБ - потоки тепловых и быстрых нейтроновА5 и А8 - массовые числа изотопов U235 и U238 

q γ-удельное энерговыделение при поглощении гамма-квантов Вт/г   
ρ - плотность образца.

    Расчет удельного энерговыделения в конструкционных материалах за счет поглощения γ-излучения проводится на основании известной зависимости поглощенной мощности дозы p (рад/с) от мощности реактора.

В этом случае для средней энергии    γ -квантов, равной I МэВ:

q γ = 3,57*10 -4 p γj (μ/ρ )j ,

где γj и (μ/ρ )j - плотность материала и  массовый коэффициент поглощения   j -го элемента конструкции соответственно [16] .

     

    Изложенная выше общая методика теплового расчета высокотемпературных реакторных устройств была использована  при проектировании конкретных облучательных установок. Вне и в поле излучений были проведены эксперименты по исследованию температурных распределений в облучательных устройствах.

     На рис.3.5,3.6 представлены сопоставления расчетных полей температуры с экспериментальными результатами. Представленная общая методика расчета, как видно из приведенного примера, конкретно реализуется в случае задания геометрических размеров системы.

    Таким образом, это типичный пример "поверочного" расчета конструкции. Такой подход к решению задачи оправдан и при наличии ЭВМ экономически целесообразен, т.к.  предполагает неоднократное обращение к программе расчетов на стадии проектирования облучательного устройства.

    При повторных обращениях возможны уточнения геометрических размеров системы, использование других материалов в конструкции. В этом случае необходимы изменения только в блоках программы, и все повторные (вариантные) расчеты не являются трудоемкими.

    Необходимо отметить и еще один аспект использования методики. Поставленная задача стационарна, однако с помощью нее возможно рассмотрение и нестационарных  задач.

    Для реализации таких расчетов необходимо использование программы с изменением параметров (температура, внутренние источники тепла и др.) "шагами", зависящими от времени таким образом, что рассматриваемая система будет проходить последовательно множество стационарных состояний, отвечающих за ее поведение во времени.

Рис.3.5. Зависимость температуры образца (1- эксперимент, 2- расчет) и температуры фланца (4- эксперимент, 3- расчет) от мощности нагревателя при мощности реактора 2,5 МВт.

Т К

1200

900

600

0                                       200                                     400   Р, Вт

1

2

3

4

Т К

1800

1200

600

            0                        40                        80      Z мм

            

Эксперимент

2

3

1

Рис.3.6. Осевое распределение температуры по элементам установки «Ритм». (1, 2, 3 – расчет при температурах нагревателя 2400К, 1500К,990К.) соответственно).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63250. Урок узагальнення з теми: Давній Рим у VIII—І ст. до нашої ери 23.88 KB
  Після цього уроку учні зможуть: називати час утворення Римської республіки завоювання Римом Італії виникнення Риму війн Риму з Карфагеном установлення диктатури Сулли повстання Спартака першого тріумвірату історичних осіб цієї доби основні джерела рабства...
63251. Диктатура Юлія Цезаря 25.34 KB
  Після цього уроку учні зможуть: називати час громадянської війни в Римі диктатури Гая Юлія Цезаря; показувати на карті напрями походів Гая Юлія Цезаря; застосовувати та пояснювати на прикладах поняття диктатор...
63252. Римська імперія в І—II ст. нашої ери 29.75 KB
  Ознайомитися із системою державного управління що склалася за часів правління Августа; удосконалити вміння давати характеристику історичної особистості. Очікувані Після цього уроку учні зможуть: називати час правління Октавіана Августа органи влади імперії...
63253. Римська культура 27.61 KB
  Мета: ознайомитися з основними досягненнями культури Давнього Риму, простежити звязок між грецькою та римською культурами; удосконалити навички складання плану параграфа; визначити роль римської культури в розвитку світової культури.
63254. Місто Рим і життя його мешканців 20.61 KB
  Мета: дати уявлення про життя столиці Римської імперії та побут римських громадян; знайомити школярів із визначними памятками Риму підвищити рівень загальної культури учнів.
63255. Виникнення християнства 25.65 KB
  Мета: ознайомити учнів з історією виникнення і перших етапів існування християнства; схарактеризувати діяльність перших християнських громад та їхнє становище в римській державі; зясувати причини швидкого поширення вчення Ісуса Христа.
63256. Урок узагальнення з теми «Падіння республіки та рання імперія» 22.26 KB
  Які події періоду що розглядається вам найбільше запамяталися Яка подія відбулася 15 березня 44 р. Скільки років минуло від убивства Цезаря до проголошення Октавіана принцепсом Скільки років тривало одноосібне правління Октавіана Які династії правили...
63258. Римська імперія в III ст. нашої ери 26.11 KB
  Мета: ознайомити учнів з особливостями господарського розвитку і політичного життя Римської імперії в III ст. Після цього уроку учні зможуть: називати час вторгнення варварів; показувати на карті територію Римської імперії в III ст. територію розселення варварських племен...