انتقال حرارت در راکتورهای هسته ای، پایان نامه مهندسي مکانیک | شبیه سازی، برنامه نویسی، پایان نامه

پایان نامه انتقال حرارت در راکتورهای هسته ای، مهندسی مکانیک

عنوان: پایان نامه انتقال حرارت در راکتورهای هسته ای، مهندسی مکانیک

رشته:  پروژه پایانی دوره کارشناسی‌،مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات

فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحه: ۱۵۸

چکیده:
مجموعه حاضر مشتمل بر ۶ فصل می باشد که در فصل اول سعی شده است که راجع به واکنش های هسته ای توضیحات مختصری ارائه گردد. فصل دوم شامل رآکتور و بررسی اجزای تشکیل دهنده آن به طور تقریبا کامل در زمینه انتقال حرارتی می باشد و همچنین انواع رآکتور را به اختصار معرفی کرده ایم.
قابل ذکر است در مبحث رآکتور سعی شده بیشتر راجع به اجزاء قلب رآکتور صحبت شود تا جهت تحقیق به سمت بررسی های انتقالی حرارتی در قلب رآکتور معطوف شود و زمینه برای بررسی های بیشتر در فصل های بعدی فراهم گردد.
در فصل سوم پیرامون منابع انرژی و جریان های سیالاتی موجود در رآکتور و همچنین انتقال حرارت جاری بین سیال خنک کننده و میله های سوخت به بحث می نشینیم.
فصل چهارم نگاهی دارد به دما و حرارتهای بحرانی که باعث تخریب رآکتور می شوند.
فصل پنجم روشهای انتقال گرمای تولید شده در نیروگاه های هسته ای را مورد بررسی قرار می دهد.
فصل ششم چگالنده ها و خنک کننده را مورد بررسی قرار می دهد.

فهرست مطالب
عنوان
مقدمه
فصل اول: واکنش های هسته ای
۱-۱- تعریف واکنش های هسته ای
۱-۲ – روش های انجام واکنش های هسته ای
۱-۳- راه های مختلف تولید انرژی هسته ای
۱-۴- شکافت هسته‌ای
۱-۵- مراحل شکست اورانیوم ۲۳۵
۱-۶- مواد قابل شکست
۱-۷- محصولات شکست اورانیوم
فصل دوم: رآکتور و انواع آن
۲-۱- معرفی
۲-۲- تاریخچه
۲-۳- نظریه راکتورهای هسته ای-راکتورهای حرارتی همگن
۲-۳-۱- راکتورهای آب سبک
۲-۳-۲- راکتور آب تحت فشار
۲-۳-۲-۱- قسمتهای مختلف راکتور آب تحت فشار
۲-۳-۲-۲- عملکرد
۲-۳-۳- راکتور آب جوش
۲-۳-۴- راکتورهای آب سنگین
۲-۳-۴- راکتور CANDU
۲-۳-۵- راکتورهایی که با گاز خنک می شوند
۲-۳-۶- راکتورهایی که دمای بسیار زیاد تولید می کنند
۲-۳-۷- راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا
۲-۳-۸- راکتورهای با دمای بالای توریوم
۲-۳-۹- راکتور RBMK
۲-۳-۱۰- راکتورهای زایای سریع
۲-۳-۱۱- راکتورهای همجوشی هسته‌ای
۲-۳-۱۱-۱- کاربردهای راکتورهای هسته ای
۲-۳-۱۱-۲- مواد مورد نیاز در راکتورهای هسته ای
۲-۳-۱۲- راکتورهای با دمای بالای توریوم
۲-۴- معیارهای مقایسه و انتخاب موادراکتور
۲-۵- تشریح کامل رآکتور
۲-۵-۱- پوسته رآکتور
۲-۵-۱-۱- بخش درونی پوسته
۲-۵-۲- قلب رآکتور
۲-۵-۲-۱- بلوک الکترو مغناطیسی
۲-۵-۲-۲- بلوک جابجا شونده
۲-۵-۲-۳- بلوک فوقانی
۲-۶- راکتورB-320
۲-۷- انواع سوخت
۲-۷-۱- اورانیم
۲-۷-۲-پلوتونیم
۲-۷-۳- توریم
۲-۸- خنک کننده ها
۲-۹- مواد مناسب برای غلاف
۲-۱۰- مواد کنترل
۲-۱۱- کند کننده ها
۲-۱۱-۱- آب
۲-۱۱-۲- آب سنگین
۲-۱۱-۳-گرافیت :
۲-۱۲- انواع رآکتورهای گرمایی
۲-۱۲-۱- رآکتور آب تحت فشار
۲-۱۲-۲- رآکتور آب جوشان
۲-۱۲-۳- رآکتور D2G
۲-۱۳- روش های محاسبه هیدروگرمایی قلب رآکتورهای هسته ای
۲-۱۴- محاسبات هیدرو حرارتی قلب رآکتور در جریان های تک فازی
۲-۱۴-۱- ضریب مبدل حرارتی در بسته های سوخت
۲-۱۴-۲- محاسبه ضریب انتقال حرارت در fuel assembly
۲-۱۴-۳- ارتباطات بین کانالی
۲-۱۴-۴- محاسبه توزیع سرعت (دبی)
۲-۱۴-۵- محاسبه افزایش دمای سیال عامل
۲-۱۴-۶- محاسبه اختلاف دمایی سطح با سیال
۲-۱۶-۷- محاسبه دما در میله های سوخت
۲-۱۶-۷-۱- فرم فیزیکی میله های سوخت
۲-۱۶-۷-۲- تغییرات دما در حین تغییرات پروسه های حرارتی رآکتور
۲-۱۶-۷-۳- زمان تاخیری بواسطه مقاومت حرارتی درونی میله های سوخت
فصل سوم: حرارت شکافت در رآکتورهای هسته ای
۳-۱ – منابع انرژی
۳-۲- توزیع انرژی حاصل از شکافت در رآکتور
۳-۲-۱- انتشار حرارت در کانال های همراه با انرژی حرارتی شکافت
۳-۳- حرارت ناشی از شکافت در سازه
۳-۴- جریان های اجباری در کانال ها
۳-۵- انتقال حرارت در جریان های چرخشی
فصل چهارم: جوشش هسته ای
۴-۱- معرفی
۴-۲- تأثیر فاکتورهای متفاوت بر روی حالت بحرانی
۴-۲-۱- تشدید تبادل حرارتی جریان توربولنت
۴-۲-۲- تشدید جریان های چرخش مبدل حرارتی
فصل پنجم: روشهای انتقال گرما
۵-۱- معرفی
۵-۱-۱- تولید و خارج کردن گرما:
۵-۲- دور ریختن گرمای تلف شده
۵-۳- خلاصه
فصل ششم: چگالنده ها و آب خنک کننده
۶-۱- معرفی
۶-۱-۱- جداکننده آب و گرمکن میانی بخار
۶-۲- مخزن آب تغذیه
۶-۳- پمپهای آب تغذیه
۶-۴- خطوط پیش گرمکن
۶-۵- ژنراتور، مبدل برقی توربین
نتیجه گیری:
منابع :
پیوست
فهرست اشکال
عنوان
شکل۱-۱: واکنش هسته ای
شکل ۱-۲: روش های انجام واکنش های هسته ای
شکل ۱-۳: شکافت هسته‌ای
شکل۱-۴: همجوشی هسته ای
شکل ۱-۵: شکست هسته ای
شکل ۱-۶: مراحل شکست اورانیوم
شکل ۱-۷: محصولات شکست هسته ای
شکل ۱-۸- عناصر حاصل از شکست اورانیوم۲۳۵
شکل ۲-۱: شماتیک یک نیروگاه هسته ای pwr
شکل ۲-۲: نمایی از راکتورهای آب سبک
شکل ۲-۳: نمایی از راکتور آب تحت فشار
شکل ۲-۴: نمایی از راکتور آب جوش
شکل ۲-۵: نمایی از راکتورهای آب سنگین
شکل ۲-۶: نمایی از راکتور CANDU
شکل ۲-۷: نمایی از راکتورهایی که با گاز خنک می شوند
شکل ۲-۸: نمایی از راکتورهای با دمای بالای توریوم
شکل ۲-۹: نمایی از راکتور RBMK
شکل ۲-۱۰: نمایی از راکتورهای زایای سریع
شکل ۲-۱۱: ساختار راکتور
شکل ۲-۱۲: پوسته راکتور
شکل ۲-۱۳: بخش درونی پوسته
شکل ۲-۱۴: قلب راکتور
شکل ۲-۱۵: سیستم مکانیکی control rods
شکل ۲-۱۶: نمودارهای نمایش ضریب K
شکل ۲-۱۷: گروه کاری بخش فوقانی قلب راکتور
شکل ۲-۱۸: بلوک جابه جا شونده
شکل ۲-۱۹ : سطح مقطع بسته های سوخت رآکتورهای PWR-Ho-(a)
شکل ۲-۲۰: نقش میله های سوخت با غلاف های آنها و توزیع دما در طول سطح مقطع میله های سوخت و محیط غلافها.
شکل ۲-۲۱: طرح جابجایی بین کانالی و توزیع حرارتی بین کانال ها.
شکل۲-۲۲: جریان سیال عامل در بسته های سوخت با میله های دارای لبه.
شکل ۲-۲۳ : نمایی از تقابلات جریان جرمی از سلول i در ارتباط با سلول های مجاور و ۳و۲و۱ j= و ۳و۲و۱ k= سطح میله های سوخت در ارتباط سلولi.
شکل ۲-۲۴: محاسبه اختلاف دمایی سطح با سیال
شکل ۲-۲۵ : مقایسه های نقاط حاصل شده در مورد تبادل حرارت مایع با در میله های شبکه سه گوشه ای با نتایج محاسبات با فرمول های تجربی برای مختلف
شکل ۲-۲۶ : تبادل حرارت فلزات مایع به صورت میله های شبکه منظم
شکل ۲-۲۷ : ساختار سیلندری شکل میله های سوخت A-A میله های سوخت PWR و BN- میله های سوخت رآکتور با نوترون سریع و (a،b،B) 1- سوخت با فرم های مختلف شکل ۲- پوسته ۳- عمل جمع آوری گاز ۴- فاصله اندازهای مفتولی شکل.
شکل ۲-۲۸ : ماکزیمم دمای سوخت (۱) و دما در سطح قلب (۲) در ارتباط با توان میله های سوخت (۴۰۰-PWR) 3-دمای ذوب در وضعیت ابتدایی ۴- دمای ذوب بعد از سوختن سوخت در حدود
شکل۲-۲۹ : ماکزیمم دمای قابل حصول در میله های سوخت سیلندری شکل، خنک شونده توسط آب با سوخت و با بدنه از آلیاژ زیر کونیوم.
شکل۲-۳۰ : سطح مقطع میله های سوخت سیلندری شکل و افت دما در آنها.
شکل ۲-۳۱ : قابلیت انتقال حرارت دی اکسید اورانیوم از نظر ساختار نزدیک به استوکیومتری و عملکرد
شکل ۲-۳۲ : تاثیرات ضریب انتقال حرارت معادل میله های سوخت در نایکنواختی دمایی در پیرامون میله های سوخت
شکل ۲-۳۳ : تاثیر عدد پکلت بر نایکنواختی دمایی میله های سوخت برای رآکتورهای با خنک کننده آب
شکل ۲-۳۴: تاثیر اجرایی فرم میله های سوخت برنحوه توزیع حرارتی میله های سوخت (ثابت = pe )
شکل ۲-۳۵: توزیع حرارت در میله های سوخت بدون پوسته و غلاف
شکل ۲-۳۶:تغییرات دمای متوسط میله های سوخت (t) به هنگام افزایش خطی دمای یکسان.
شکل ۲-۳۷: توزیع حرارتی در میله های سوخت با شکاف گازی مابین سوخت و بدنه
شکل ۳-۱: انرژی پیوندی باهسته در نوکلئون ها
شکل ۳-۲ : انتشار جریان حجم نوترون ها (جرم حجمی انرژی ناشی از شکافت) در قلب رآکتور به فرم سیلندری شکل (بدون سطوح منعکس کننده) و مواد افزودنی فوق العاده صیقلی.
شکل ۳-۳: انتشار جریان حجمی نوترون ها در رآکتور با منعکس کننده ها
شکل ۳-۴: مقدار ضریب میکرو نایکنواختی انرژی شکافت در بسته های سوخت در کناره ها با منعکس کننده ها (آب).
شکل ۳-۵: نمایی از توزیع دمای سیال خنک کننده در طول کانال
شکل ۳-۶: طرح غلاف های سوخت سیلندری شکل و افت حرارت در آنها.
شکل ۳-۷-توزیع دمای سیال عامل و غلاف های سوخت در طول کانال رآکتورهای
شکل ۳-۸: توزیع دمای سیال عامل و غلاف های سوخت در طول کانال رآکتورهای نوترون سریع.
شکل ۳-۹: حالات قرار گیری میله های سوخت fuel assembly نسبت به همدیگر
شکل ۳-۱۰: متدهای افزایش راندمان حرارتی غلاف های سوخت خنک شونده توسط گاز
شکل ۳-۱۱: اشکال مختلف اجزاء جهت ایجاد جریان های چرخشی
شکل ۴-۱: تغییرات آنتالپی نسبت به طول در سلول های مختلف از بسته های سوخت.
شکل ۴-۲: تأثیرات سرعت و مخلوط بخار بر ضریب اختلاط در بسته های حاوی میله های سوخت
شکل ۴-۳: افزایش ضریب انتقال حرارت به هنگام جوشش در لوله با مشخصات
شکل ۴-۴ : طرح جریان تک فازی همرفتی در سطح مقطع بسته های سوخت بعد از تشدید چرخش محوری
شکل ۵-۱: دما در داخل سوخت
شکل ۵-۲- توزیع دما در طول محور راکتور با قدرت یکنواخت
شکل ۵-۳: توزیع دما در طول کانال با تابع سینوسی قدرت
شکل ۵-۴: بیرون برگرما از کانال راکتور
شکل ۵-۵: رابطه فشار دما برای آب
شکل ۵-۶: برج خنک کننده ( از آلودگی گرمایی آبزیان توسط جان آر. کلارک)
شکل ۶-۱: نمایش چگالنده یک توربین
شکل ۶-۲: اصول خنک سازی با آب رود خانه
شکل ۶-۳: برج خننک کننده مرطوب ( سمت چپ) و برج خنک کننده خشک( سمت راست)
شکل ۶-۴: سیستم خنک سازی چند گانه
شکل ۶-۵: نمای برش خورده ی یک برج خنک کننده ی مرطوب با جریان طبیعی هوا
شکل ۶- ۶: سیستم مرکب جدا کننده آب و گرمکن میانی
شکل ۶-۷: نمای برش خورده یک ژنراتور

مقدمه

راکتور های هسته ای نقش تولید انرژی را به عهده دارند. امروزه، گرمای تولید شده در راکتور های هسته‌ای، بیشتر برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده های دیگر میتواند شامل تولید گرمای مورد نیاز برای فرآیند های صنعتی، نمک زدایی(شیرین سازی) آب دریا، تأمین حرارت منطقه‌ای در شهر های بزرگ و کوچک، حرکت کشتی ها و مخصوصاً در زیر دریایی ها باشد.
انگیزه اقتصادی ساخت راکتور های هسته ای، به دلیل چگالی انرژی خیلی زیاد در سوخت اورانیم آنهاست که به طور نسبی سبب قیمت پایین تر واحد انرژی تولید شده می شود. یک کیلو گرم اورانیم (با ۳ درصد از اورانیم _۲۳۵) KJ109×۵/۲کیلو ژول انرژی تولید میکند. در مقابل، یک تن سوخت فسیلی، KJ107×۴ کیلو ژول انرژی تولید می کند. انرژی هسته ای در سال ۱۹۹۶، حدود ۷ درصد کل مصرف انرژی و برابر ۱۷ درصد مصرف انرژِی الکتریکی جهان بوده است.این مقدار در آخر سال ۲۰۰۴برابر با ۵/۱۶ درصد انرژِی الکتریکی مصرفی جهانی است. با توجه به اهمیت موضوع این پایان نامه سعی دارد پیرامون موضوع راکتور هسته ای و انتقال حرارت در آن مطالبی مفید را بیان نماید باشد که مورد قبول خوانندگان قرار گیرد.

این پایان نامه با آیین نامه نحوه نگارش و تدوین پایان نامه تهیه شده و آماده ارائه میباشد.