[發(fā)明專利]獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法

有效

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• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107066745B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭友琦;何明濤;曹良志;吳宏春
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G21C17/108
• 代理公司: 61215 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 何會俠

獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法，對快堆堆芯各向異性的中子通量密度采用多邊形棱柱網(wǎng)格進行全三維輸運空間離散，并以六十度區(qū)域的半球面為單位進行交替掃描，減弱角度并行過程中的迭代格式退化；考慮快堆堆芯的中子通量密度局部效應(yīng)較弱以及全局空間耦合的特點，對瞬態(tài)過程中子通量密度變化采用預(yù)估校正準(zhǔn)靜態(tài)策略進行時間離散，分解中子通量密度中隨時間不同變化率的成分，并在不同時間尺度上分離求解，同時避免上述成分間的非線性迭代，提高計算效率；本發(fā)明中獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法計算準(zhǔn)確度高，計算量合理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及快中子堆堆芯運行和安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法。

背景技術(shù)

快中子堆是第四代核能系統(tǒng)中的主要堆型，其堆芯平均中子能量比傳統(tǒng)熱中子裂變占主導(dǎo)的壓水堆高百萬倍以上，同時，快中子引發(fā)裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)更多。富余的中子既可以增殖核燃料，提高鈾資源的利用率；也可以用于嬗變核廢料中高放射性長壽命的次錒系核素(镎、镅、鋦等的同位素)，能夠極大縮短核廢料地質(zhì)儲藏所需的年限。因此，發(fā)展快中子堆是解決核能可持續(xù)發(fā)展瓶頸問題的重要途徑。

快中子堆和壓水堆具有不同的特性，從堆芯中子學(xué)和瞬態(tài)計算的角度出發(fā)，快中子堆最主要的特點是采用原子數(shù)更高的材料做冷卻劑和載熱劑，導(dǎo)致堆芯中子能譜相比于輕水冷卻的壓水堆偏硬許多。能譜的差異導(dǎo)致堆芯的設(shè)計理念以及瞬態(tài)安全相關(guān)的特征區(qū)別明顯，比如：快中子堆堆芯進出口的溫升更高，使得堆內(nèi)材料膨脹引入的反應(yīng)性更加重要；功率反應(yīng)性系數(shù)相比輕水堆偏小；冷卻劑的空泡效應(yīng)可能為正。因此，快中子堆的瞬態(tài)中子通量密度的計算對其瞬態(tài)安全以及運行的經(jīng)濟性至關(guān)重要。

快中子堆的瞬態(tài)中子通量密度計算存在以下特征：堆芯中的反應(yīng)性控制主要由控制棒提供，且控制棒占據(jù)整個組件范圍，導(dǎo)致該組件附近的中子通量密度各向異性較強；較高的中子能量會導(dǎo)致散射反應(yīng)的各向異性增加；對于時間相關(guān)特征，燃料裝載形式以及硬中子能譜一方面使得堆芯的緩發(fā)中子份額減少，同時也使得中子代時間從數(shù)十微秒降低到約0.1到1微秒量級，瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子的時間行為差距增大，系統(tǒng)的剛性增強。這些物理特征都對現(xiàn)有的快中子堆瞬態(tài)計算過程提出挑戰(zhàn)，所以需要發(fā)明一種高精度的、計算效率高的獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述物理現(xiàn)象的困難、解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法，通過分解中子通量密度中隨時間不同變化率的成分，并在不同的時間尺度上分離求解，減少計算量。同時將上述過程應(yīng)用于更嚴格的中子輸運計算，從而保證計算精度。該方法能夠用于快中子堆的瞬態(tài)安全分析，獲取更加準(zhǔn)確的設(shè)計裕量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案予以實施：

獲取快中子堆堆芯瞬態(tài)過程三維中子通量密度分布的方法，其中，所述快中子堆堆芯為典型的六角形幾何排布或異形非結(jié)構(gòu)幾何排布，所述中子通量密度分布計算基于全三維輸運計算，該方法包括以下步驟：

步驟1：讀取快中子堆的瞬態(tài)計算所需參數(shù)，包括反應(yīng)堆堆芯幾何尺寸、堆芯材料布置、預(yù)制的均勻化截面參數(shù)、預(yù)制的均勻化動力學(xué)參數(shù)、堆芯入口溫度和堆芯流量分布的邊界條件；同時對所涉及的反應(yīng)堆堆芯進行計算預(yù)處理，包括進行幾何建模、劃分計算區(qū)域、生成計算網(wǎng)格、離散角度空間，其中，針對不同幾何排布的快堆堆芯采用相適應(yīng)的三棱柱網(wǎng)格進行幾何建模；

步驟2：指定各計算區(qū)域的材料，獲取區(qū)域的宏觀截面參數(shù)，設(shè)置反應(yīng)堆堆芯計算的邊界條件、計算迭代過程的初始值、計算迭代過程的收斂限值，計算穩(wěn)態(tài)條件下各區(qū)域相關(guān)的中子通量密度分布，并且按照堆芯的輸入功率水平進行歸一化處理；

步驟3：進行快中子堆芯的熱工水力計算，包括燃料棒的導(dǎo)熱計算以及冷卻劑通道與燃料棒的對流換熱計算；以此得到均勻化截面以及動力學(xué)參數(shù)的反饋參數(shù)，包括燃料多普勒溫度T_f.e以及冷卻劑密度D_c；