[發明專利]一種解決堆芯燃料棒非穩態導熱問題的模擬方法

有效

• 申請號: 201610010439.1
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN106611076B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 黃美;湯建楠;歐陽曉平;趙媛媛;張志儉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種高效解決堆芯燃料棒非穩態導熱問題的模擬方法。該方法包括：步驟1，對實際燃料棒模型進行合理簡化，建立幾何模型，并對模型進行離散編號；步驟2，采用降階的方法使原有的二階偏微分方程變成了兩個一階偏微分方程組；步驟3，建立數學模型上任意一點的各物理量關于初始點物理量的關系式；步驟4，利用已知邊界條件求解關系式中的未知量；步驟5，求解所需位置在不同時刻的溫度參數。本發明無論如何變換幾何模型，在計算過程中最高階矩陣始終保持在二維，因此占用計算機資源小，可以用于快速、精確預測模型溫度參數，尤其對于求解邊界條件變化快速的導熱問題非常有效。

技術領域

本發明屬于核電廠溫度測量控制領域，特別涉及一種解決堆芯燃料棒非穩態導熱問題的模擬方法。

背景技術

核電站堆芯燃料棒是反應堆中溫度最高的部分，因此為了避免堆芯熔毀，就需要時刻掌握燃料棒各個位置的溫度，通過控制堆芯反應性，使燃料棒溫度在合理范圍內運行。

為了獲取堆芯燃料棒的溫度，我們在需要的位置插入溫度探測器。但探測器的個數是十分有限的，并且為了避免高溫損壞溫度探測器，溫度探測器大都被安置在堆芯燃料棒兩端，溫度較低的位置。這種通過溫度探測器得到的溫度參數雖然較為準確，但由于探測器個數、位置的限制導致所得的溫度參數是離散的幾個溫度點，并且由于探測器本身在測量溫度時具有一定的滯后性，因此單純的利用溫度探測器得到的燃料棒溫度分布情況局限性較大。正如切爾諾貝利核電站在1986年4月26日進行半烘烤實驗時發生事故，正是由于實驗人員不能掌握到堆芯燃料棒整體的溫度分布情況，并且由于反應性控制、溫度探測器的滯后性，以及沒有科學可靠的燃料棒上的溫度預測，因此使得實驗人員誤操作，造成了難以彌補的損失。

在此次事故之后，人們增加了對反應堆燃料棒溫度的監控，在加入了更多的溫度探測器后添加了數值模擬方法，因此可以得到燃料棒上整體的溫度分布情況，用于為調節堆芯反應性提供參考。現有方法是在得到探測器所測得的溫度數據后，利用有限體積法對燃料棒溫度分布進行模擬。

上述計算方法存在不足之處：

(1)單純的利用溫度探測器只能得到幾個離散的溫度點，并不能得到燃料棒上整體的溫度分布；

(2)有限體積法在溫度場求解上具有較好的應用，但其采用區域離散的方法未知量涉及到全域,因此所建立的矩陣較大,所需計算時間較長，計算效率不高；

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種解決堆芯燃料棒非穩態導熱問題的模擬方法，本方法占用資源小，計算快速，結果可靠，尤其適用于在燃料棒功率發生波動的時候。

本發明采用的技術方案為：

步驟1，對實際燃料棒模型進行合理簡化，建立幾何模型，并對模型進行離散編號：

將總長為L的燃料棒平均(或不均勻)地分成長度為Δx的n端，從上到下編號依次為：1、2、3…i、i+1…n、n+1。

步驟2，采用降階的方法使原有的導熱二階偏微分方程轉化為兩個一階偏微分方程組：

非穩態能量守恒方程的偏微分方程為：

式中T為溫度，t為時間，ρ為材料密度，c為材料比熱容，S為內熱源。

設則V是溫度T在x方向上的溫度梯度于是有：

步驟3，建立數學模型上某一點i的溫度和熱流量關于初始點溫度和熱流量的關系式；

通過積分化簡步驟2中的偏微分方程組，首先得到穩態情況下，燃料棒上某一點i的溫度場與初始點1的溫度場之間的關系：