Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

asnt2012

Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

Bahman Zohuri
University of New Mexico
Department of Electrical and Computer
Engineering
Galaxy Advanced Engineering, Inc.
Albuquerque, NM, USA
Patrick McDaniel
Department of Chemical and Nuclear
Engineering
University of New Mexico
Albuquerque, NM, USA

A solution manual for this book is available on Springer.com.
ISBN 978-3-319-93918-6 ISBN 978-3-319-93919-3 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-319-93919-3
Library of Congress Control Number: 2018949907
© Springer International Publishing AG, part of Springer Nature 2015, 2019

Contents
1 Definitions and Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Typical Pressurized Water Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Scope of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Fundamental Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Thermal Energy Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Unit Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Classical Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Open and Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 System Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.2 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6.3 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Properties of the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.8 The Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Properties of Pure Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Properties of Pure Substances: Phase Changes . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Phases of Pure Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Equations of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Real Gases and Vapors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Simple Real Gas Equations of State . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Determining the Adjustable Parameters . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 Other Useful Two-Parameter Equations of State . . . . . 36
3 Mixture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 Ideal Gas Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Avogadro’s Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2 Mass Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3 Mole Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4 Dalton’s Law and Partial Pressures . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.5 Amagat’s Law and Partial Volumes . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Real Gas Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Pseudo-critical States for Mixtures: Kay’s Rule . . . . . 59
3.2.2 Real Gas Equations of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Liquid Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 Conservation of Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.2 Non-conservation of Volumes and Molecular
Packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Work and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Introduction of the Work and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Definition of Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Quasi-static Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Quasi-equilibrium Work Due to Moving Boundary . . . . . . . . . . 69
4.5 Definition of a Cycle in Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6 Path Functions and Point or State Functions . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7 PdV Work for Quasi-static Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.8 Non-equilibrium Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.9 Other Work Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.10 Reversible and Irreversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.11 Definition of Energy (Thermal Energy or Internal Energy) . . . . . 90
4.12 Definition of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.13 Comparison of Work and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.14 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 System and Surroundings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12 Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
12.1 Fundamental Modes of Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
12.2 Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.3 Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.4 Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.5 Heat Conduction in a Slab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.6 Heat Conduction in Curvilinear Geometries . . . . . . . . . . . . . . 271
12.7 Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.8 Boundary Layer Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
12.9 Dimensionless Numbers or Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.10 Correlations for Common Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.11 Enhanced Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
12.12 Pool Boiling and Forced Convection Boiling . . . . . . . . . . . . . 294
12.13 Nucleate Boiling Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.14 Peak Heat Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.15 Film Boiling Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.16 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
13 Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.1 Heat Exchangers Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.2 Classification of Heat Exchanger by Construction Type . . . . . . 320
13.2.1 Tubular Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
14 Gas Power Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
14.1.1 Open Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.1.2 Closed Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
14.2 Gas Compressors and Brayton Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.3 The Non-ideal Brayton Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.4 The Air-Standard Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
14.5 Equivalent Air Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.6 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.7 Otto Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.7.1 Mean Effective Pressure (Otto Cycle) . . . . . . . . . . . 379
14.8 Diesel Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
14.8.1 Mean Effective Pressure (Diesel Cycle) . . . . . . . . . . 385
14.9 Comparison of Otto and Diesel Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.10 Dual Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.10.1 Mean Effective Pressure for Dual Cycle . . . . . . . . . . 391
14.11 Stirling Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.12 Ericsson Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
14.13 Atkinson Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14.14 Lenoir Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
14.15 Deviation of Actual Cycles from Air-Standard Cycles . . . . . . . 400
14.16 Recuperated Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
14.17 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
15 Vapor Power Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
15.1 The Basic Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
15.2 Process Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
15.3 The Rankine Cycle with a Superheater . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
15.4 External Reversibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
15.5 Superheated Rankine Cycle with Reheaters . . . . . . . . . . . . . . . 427
15.6 Feedwater Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
15.6.1 Open or Direct Contact Feedwater Heaters . . . . . . . . 430
15.6.2 Closed Feedwater Heaters with Drain Pumped
Forward Second Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
15.6.3 Closed Feedwater Heaters with Drain Pumped
Forward Third Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
15.7 The Supercritical Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
15.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
16 Circulating Water Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
16.2 Cooling Power Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
17 Electrical System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
17.2 Balancing the Circuit to Maximize the Energy Delivered
to the Load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
17.3 Optimizing the Transmission of Energy to the Load . . . . . . . . 455
17.4 Overview of an Electrical Grid System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
17.5 How Power Grids System Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
17.5.1 Electrical Alternating (AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
17.5.2 Three-Phase Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
17.5.3 Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
17.5.4 Substation (Terminal Station) System . . . . . . . . . . . . 461
17.5.5 Zone Substation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
17.5.6 Regulator Bank System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
17.5.7 Taps System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
17.5.8 At the House Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
17.5.9 Safety Devices: Fuses, Circuit Breakers, Plugs,
and Outlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
17.5.10 Control Centers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
17.5.11 Interstate Power Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.6 United States Power Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
17.7 The Smart Power Grid (SG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
17.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
18 Nuclear Power Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
18.1 Fission Energy Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
18.2 The First Chain Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
18.3 Concepts in Nuclear Criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
19 Nuclear Fuel Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
19.1 The Nuclear Fuel Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
19.2 Fuel Cycle Choices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
19.3 In Core Fuel Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
19.4 Nuclear Fuel and Waste Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
20 The Economic Future of Nuclear Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
20.2 Overall Costs: Fuel, Operation, and Waste Disposal . . . . . . . . 566
20.2.1 Fuel Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
20.2.2 Future Cost Competitiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
20.2.3 Major Studies on Future Cost Competitiveness . . . . . 572
20.2.4 Operations and Maintenance (O&M) Costs . . . . . . . 578
20.2.5 Production Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
20.2.6 Costs Related to Waste Management . . . . . . . . . . . . 581
20.2.7 Life Cycle Costs (US Figures) . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
20.2.8 Construction Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
20.3 Comparing the Economics of Different Forms of Electricity
Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
20.4 System Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
20.5 External Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
21 Safety, Waste Disposal, Containment, and Accidents . . . . . . . . . . . . 591
21.1 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
21.2 Nuclear Waste Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
21.3 Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
21.4 Accidents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Appendix A: Table and Graphs Compilations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709

yuwen

Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

小蜜蜂

资料不错，感谢               

CCY

多谢楼主分享资料

songzf2885630

不错的资料，谢谢分享！

a_feng

不错的资料，谢谢分享！

ntlcg

谢谢分享Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

yangtzeliu

Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

xxy000111

谢谢分享Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems - Springer 2ND Edition 2019

liuhongcan

很好的资料，感谢分享！！！！！！！