[發明專利]基于粒子法的核反應堆燃料早期變形分析方法

有效

• 申請號: 202110486476.0
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113191065B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 陳榮華;蔡慶航;肖鑫坤;王金順;李勇霖;田文喜;蘇光輝;秋穗正
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G16C10/00;G16C20/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

一種基于粒子法的核反應堆燃料早期變形分析方法，主要步驟如下：1、建立幾何模型，設置粒子物性和力學參數；2、建立粒子鄰居域；3、基于邊界條件和固體碰撞模型計算固體邊界粒子外力載荷；4、計算溫度并基于熱膨脹模型計算熱膨脹應變；5、基于彈性模型、彈塑性模型和塑性模型計算固體內連續介質粒子的塑性應變和彈性應力應變；6、判斷是否發生斷裂并更新粒子的速度和位置；7、輸出計算結果。本方法能夠分析核反應堆在嚴重事故中燃料早期變形行為；基于粒子法，能夠有效避免了網格法中存在的網格畸變問題；本方法為純拉格朗日核方法，能夠有效避免應力應變分析過程中存在的拉伸不穩定性。

技術領域

本發明涉及核反應堆嚴重事故下燃料早期變形研究技術領域，具體涉及一種基于粒子法的核反應堆燃料早期變形分析方法。

背景技術

當核電廠發生事故時，核反應堆堆芯如果得不到充分的冷卻，燃料的狀態會偏離正常運行工況，其溫度上升導致堆芯結構材料和燃料發生熱膨脹，從而使得燃料整體發生變形并承受額外的應力。燃料的變形使得冷卻劑通道形狀和流通面積發生改變，影響后續應急冷卻措施的效果。并且應急水的注入等措施會對堆芯結構及燃料產生外力載荷，這種情況下，處于高溫的燃料極易發生變形，存在很大不確定性。如果堆芯溫度進一步上升，燃料開始發生失效，堆芯結構材料、燃料包殼甚至芯塊可能發生熔化并向下遷移，而燃料的早期變形為后續嚴重事故中燃料熔化及熔融物的遷移提供了初始條件和邊界條件，影響嚴重事故進程。特別地，在新型燃料元件的情況中，如板狀燃料元件、彌散體微球等，其燃料元件變形行為對嚴重事故安全分析格外重要。在核反應堆嚴重事故過程中，燃料受到的環境情況復雜，其變形行為存在很大不確定，變形行為對嚴重事故的影響機理仍未被完全研究透徹，對其的研究有助于嚴重事故應急措施的分析，對于核電廠嚴重事故安全分析具有重大意義。

關于核反應堆嚴重事故下燃料早期變形的研究，國內外已經展開了一些研究，包括實驗研究和數值模擬研究。實驗研究主要為分離效應性研究，研究燃料元件在不同外力載荷、溫度、輻照條件下的應力應變情況，對于整體性實驗，這類的側重點在于燃料熔化后的行為，早期變形行為的研究較少。對于數值模擬研究，大多采用基于網格法的CFD軟件對具體的相互作用過程進行分析，但基于網格法的CFD軟件在分析大變形過程時，極易存在網格畸變的問題，且重塑網格的計算耗費過大。而對于基于拉格朗日方法的粒子法，其在處理自由表面運動上具有獨特的優勢，且不存在網格畸變的問題。在海洋研究領域中，粒子法成功應用于彈性結構材料與海浪相互作用的研究當中，但在核反應堆內嚴重事故下復雜情況應用的研究較少。因此，本研究綜合粒子法及核反應堆嚴重事故下燃料早期變形行為的機理性分析提出一種核反應堆燃料早期變形分析方法。

發明內容

為了全面研究核反應堆燃料早期變形過程，揭示變形過程中可能存在的一些機理現象，本發明在對核反應堆燃料早期變形的機理性分析的基礎上結合粒子法、基礎控制方程及相關的機力學結構模型，提出一種研究核反應堆燃料早期變形的分析方法，該方法能夠對核反應堆燃料早期變形中存在的彈性變形、塑性變形、熱膨脹變形、傳熱過程進行研究，獲得核反應堆燃料早期變形中燃料變形規律及程度，為核電廠反應堆嚴重事故安全特性研究提供重要依據。

為了實現上述目標，本發明采取了以下的技術方案予以實施：

一種基于粒子法的核反應堆燃料早期變形分析方法，步驟如下：