[發明專利]一種快堆邊界下的裂變氣體釋放的數值確定方法

在審

• 申請號: 202011320006.9
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112380719A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 陳紅麗;廖海龍;楊廣亮
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

本發明提供一種快堆邊界下的裂變氣體釋放的數值計算方法，包括穩態工況下的模擬和事故瞬態條件下的數值計算。本發明通過數值手段詳細地描述了穩態下晶粒內自由氣體原子擴散行為，以及晶粒內氣泡生長與俘獲?再溶解平衡過程；根據晶粒間氣泡的生長與融合模型，考慮了晶面氣泡與晶棱氣泡的生長所引發的晶間氣體腫脹，利用數值的手段模擬了晶粒間氣泡的聯通以及氣體釋放通道的形成過程；考慮了高溫下晶內大尺寸氣泡的移動行為，并基于此建立了高溫下的裂變氣體釋放的數值計算模型；此外，本發明還描述了瞬態下晶內氣泡的生長、融合、移動、釋放等行為，得出了針對快堆瞬態下裂變氣體的數值計算模型。

技術領域

本發明涉及裂變氣體釋放數值計算領域，尤其涉及一種快堆邊界下的裂變氣體釋放的數值確定方法，其為快堆邊界下的穩態、瞬態工況下的裂變氣體釋放的數值計算方法。

背景技術

裂變氣體釋放的模擬對燃料棒整體行為有著極其重要的作用。首先，裂變氣體降低了燃料棒內的氣體熱導率，因此降低了包殼-芯塊間隙熱導率，而這會導致芯塊溫度的升高，同時更高的芯塊溫度又會引起更多裂變氣體釋放，這種反饋機制會給安全設計帶來挑戰。其次，裂變氣體釋放會導致燃料棒內壓增加，由裂變氣體引起的氣態腫脹也會直接加劇芯塊-包殼的力學接觸，這些都會造成包殼的損傷，影響燃料棒的壽命。這些放射性氣體原子的釋放會降低反應堆的安全邊界。因此，對裂變氣體行為的準確模擬是對反應堆安全分析與總體設計的關鍵環節。但是裂變氣體行為由于其本身過程的復雜性以及理論發展的局限性，無論是理論模擬和數值模擬都存在很大的困難。

而在快堆所特有的高溫、高中子通量邊界下，燃料棒所處的環境更為嚴峻，裂變氣體無論是產生率還是釋放份額往往都比水堆更高，其特征行為也更為復雜。由裂變氣體所導致的氣體腫脹等對燃料棒的熱、力反饋作用更加強烈。因此，裂變氣體釋放行為在快堆邊界下對反應堆整體性能有著更為顯著的影響。

目前，關于裂變氣體釋放的理論模型還在發展中，國際上相對成熟的燃料棒行為分析程序也大多針對水堆邊界，對快堆邊界下的裂變氣體釋放行為的數值模擬開展的工作較少。國內對裂變氣體釋放行為的模擬主要還是針對水堆穩態情況下的自由氣體原子擴散行為，對裂變氣體行為以及氣態腫脹的模擬主要采用經驗關系式的方法，對快堆穩態與瞬態工況下的晶內氣泡的模擬以及對晶間氣體行為的模擬還有很大的不足。尤其是對快堆邊界下的裂變氣體演化機理的認識還有很大的不足，缺少一套完整的針對快堆穩態-瞬態情況下的裂變氣體模擬機制。

發明內容

基于現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種完善的快堆裂變氣體釋放的計算方法，能夠解決現有快堆裂變氣體行為模型不全面，內在機理認識不清晰，氣體腫脹模型只能采取經驗關系式以及計算結果不準確等問題。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明實施方式提供一種快堆邊界下的裂變氣體釋放的數值計算方法，包括：

步驟1，確定晶內氣體行為的數值計算方法：對穩態情況下的晶內自由氣體原子擴散行為采用等效輻照方法進行數值模擬，得到裂變氣體擴散至晶粒邊界的份額；將氣泡的生長行為同自由氣體原子的擴散行為結合起來，最終通過迭代的方式得出對晶內氣泡行為的綜合描述；

步驟2，確定晶間氣泡行為的數值計算方法：對擴散至晶間的氣體進行模擬，包括氣體原子在晶面氣泡和晶棱氣泡之間的分配，晶面氣泡生長所導致的融合，晶棱氣泡與自由氣腔的聯通，裂變氣體的釋放等行為的數值模擬。通過聯立求解氣體行為方程組的方式，利用迭代的思想，構建晶間氣體行為的數值模擬方法；

步驟3，確定高溫下晶內氣泡的數值計算模型：根據高溫下(1600℃)晶內氣體行為的特性，考慮高溫下晶內大尺寸氣泡在溫度梯度下的移動行為，以及由此所導致的氣泡攜帶裂變氣體擴散至晶粒邊界的效應。綜合考慮氣泡遷移和氣體原子自由擴散所導致的氣體釋放，實現高溫條件下對裂變氣體釋放行為的數值模擬；