[發(fā)明專利]一種核反應(yīng)堆堆芯核熱耦合分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110331425.0
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113094947B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王明軍;霍雨辰;余浩;田文喜;秋穗正;蘇光輝
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G16C10/00;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種核反應(yīng)堆堆芯核熱耦合分析方法，其特征在于：

使用有限體積法，求解描述三維核反應(yīng)堆堆芯的熱工水力學(xué)和中子動力學(xué)方程，通過構(gòu)建中子動力學(xué)反饋模型，考慮冷卻劑溫度、燃料棒溫度和硼濃度對中子動力學(xué)反饋，實(shí)現(xiàn)核熱耦合計(jì)算，能夠?yàn)楹朔磻?yīng)堆設(shè)計(jì)、安全分析和運(yùn)行提供高精度的核熱耦合計(jì)算結(jié)果；

該方法包含以下步驟：

步驟1：建立核反應(yīng)堆堆芯的幾何模型，該模型包括堆芯燃料區(qū)域、堆芯圍筒、堆芯內(nèi)冷卻劑流動區(qū)域、堆芯吊籃、熱屏蔽層、下降段冷卻劑流動區(qū)域和壓力容器外壁面，完成幾何模型建立后，使用六面體網(wǎng)格對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，構(gòu)建堆芯網(wǎng)格模型；

步驟2：建立核反應(yīng)堆堆芯物理熱工雙向反饋模型，實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)與熱工參數(shù)在計(jì)算過程中的相互影響，物理熱工雙向反饋模型包括熱工-物理數(shù)據(jù)傳遞模型和物理-熱工數(shù)據(jù)傳遞模型，具體建立方法如下：

(1)熱工-物理數(shù)據(jù)傳遞模型建立：熱工-物理數(shù)據(jù)傳遞模型中包含熱工水力求解部分、少群宏觀截面庫、中子動力學(xué)求解部分和熱工-物理數(shù)據(jù)傳遞過程，其中熱工-物理數(shù)據(jù)傳遞過程為：熱工水力求解部分得出熱工參數(shù)，將熱工參數(shù)傳遞到少群宏觀截面庫中查找少群宏觀截面，將少群宏觀截面?zhèn)鬟f給中子動力學(xué)求解部分，其中少群宏觀截面庫的建立如下：

使用中子動力學(xué)軟件對堆芯中燃料組件、控制棒組件和可燃毒物組件進(jìn)行建模，模型中包含燃料棒、可燃毒物棒控制棒、氣隙、燃料包殼和冷卻劑，使用NJOY程序加工的WIMS格式多群核數(shù)據(jù)庫，采用子群方法進(jìn)行有效自屏截面計(jì)算，計(jì)算得到組件均勻化后不同慢化劑溫度、燃料溫度和硼濃度工況下的多群中子宏觀截面參數(shù)，以多群中子宏觀截面庫為基礎(chǔ)，通過反應(yīng)率守恒將多群中子截面庫轉(zhuǎn)化為少群宏觀截面庫，少群宏觀截面庫中包含快中子吸收截面、熱中子吸收截面、快中子產(chǎn)生截面、熱中子產(chǎn)生截面、快中子擴(kuò)散系數(shù)、熱中子擴(kuò)散系數(shù)和快中子向熱中子散射截面；

(2)物理-熱工數(shù)據(jù)傳遞模型建立：

物理-熱工數(shù)據(jù)傳遞模型中包含中子動力學(xué)求解部分、內(nèi)熱源轉(zhuǎn)換部分、熱工水力求解部分和物理-熱工數(shù)據(jù)傳遞過程，其中物理-熱工數(shù)據(jù)傳遞過程為：中子動力學(xué)求解部分得出中子通量分布，將中子通量分布傳遞給內(nèi)熱源轉(zhuǎn)換部分，通過中子通量與裂變截面相乘得裂變發(fā)生次數(shù)，再乘以一次裂變產(chǎn)生的能量得到內(nèi)熱源，將內(nèi)熱源傳遞給熱工水力求解部分；

步驟3：根據(jù)堆芯網(wǎng)格模型和物理熱工雙向反饋模型，進(jìn)行核熱耦合計(jì)算：

步驟①：根據(jù)堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)對堆芯網(wǎng)格中物理熱工參數(shù)進(jìn)行初始化，初始化參數(shù)包括堆芯冷卻劑溫度、燃料棒溫度、硼濃度、中子通量分布和有效增值系數(shù)；

步驟②：根據(jù)堆芯冷卻劑溫度、燃料棒溫度和硼濃度分布，在少群宏觀截面庫中通過插值法得到不同組件在不同高度上的宏觀截面參數(shù)，宏觀截面參數(shù)包括快中子吸收截面、熱中子吸收截面、快中子產(chǎn)生截面、熱中子產(chǎn)生截面、快中子擴(kuò)散系數(shù)、熱中子擴(kuò)散系數(shù)和快中子向熱中子散射截面；

步驟③：構(gòu)建少群中子擴(kuò)散方程，使用有限體積法，將方程變形為典型擴(kuò)散方程的形式，代入步驟②得到的宏觀截面參數(shù)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件中的擴(kuò)散方程求解器求解少群擴(kuò)散方程，計(jì)算得到堆芯不同位置的中子通量分布和整體的有效增值系數(shù)；

步驟④：將步驟③得到的堆芯不同位置的中子通量分布轉(zhuǎn)化為能量分布；

步驟⑤：使用多孔介質(zhì)方法和燃料棒溫度求解方法模擬堆芯燃料組件和含硼冷卻劑流動換熱，將步驟④得到的能量分布作為內(nèi)熱源項(xiàng)添加到對應(yīng)質(zhì)量守恒方程中作為輸入條件，計(jì)算得到堆芯冷卻劑溫度、燃料棒溫度和硼濃度，其中多孔介質(zhì)方法是將堆芯區(qū)域復(fù)雜流動區(qū)域簡化為均勻流動區(qū)域，使用孔隙率和不同方向的阻力系數(shù)模擬堆芯中各組件對流動的影響，求解冷卻劑溫度和硼濃度，燃料棒溫度求解方法為將燃料組件內(nèi)燃料棒根據(jù)換熱面積不變等效為圓柱體，根據(jù)冷卻劑流速通過Dittus-Bolter公式得到對流換熱系數(shù)，根據(jù)對流換熱關(guān)系式得到燃料棒表面溫度，通過求解具有內(nèi)熱源的圓柱體導(dǎo)熱問題得到燃料棒溫度；

步驟⑥：重復(fù)步驟②到⑤進(jìn)行迭代計(jì)算，直至兩次迭代之間差值滿足精度要求，實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆堆芯核高精度穩(wěn)態(tài)熱耦合分析，得到堆芯實(shí)際熱工水力參數(shù)及中子動力學(xué)參數(shù)分布結(jié)果。