[發明專利]堆芯逐棒計算中柵元等效均勻化常數的計算方法及系統

有效

• 申請號: 202110671199.0
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113312792B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 張斌;趙文博;劉琨;蔡云;于穎銳;宮兆虎;李慶
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

本發明公開了堆芯逐棒計算中柵元等效均勻化常數的計算方法及系統，涉及核反應堆堆芯設計和反應堆物理計算領域，解決了現有柵元等效均勻化少群常數的存儲需求及參數化計算量較大的問題，其技術方案要點是：本發明通過計算與柵元類型相關的均勻化截面，然后根據均勻化截面采用超級均勻化方法計算各柵元超級均勻化因子，由此組成柵元等效均勻化常數，降低堆芯逐棒計算中柵元等效均勻化常數的空間相關性，從而降低了柵元等效均勻化少群常數的存儲需求及參數化計算量，為全堆芯逐棒計算實現工程應用提供了重要支撐作用。

技術領域

本發明涉及核反應堆堆芯設計和反應堆物理計算領域，更具體地說，它涉及堆芯逐棒計算中柵元等效均勻化常數的計算方法及系統。

背景技術

壓水堆堆芯一般是由數百個燃料組件和圍板/反射層等復雜的結構材料組成。每個燃料組件包含有數百個不同類型的柵元，比如燃料棒柵元、可燃毒物棒柵元、水洞柵元等。另一方面，核反應堆堆芯內中子的能量分布在從裂變中子的10MeV到熱中子的10^-2eV的寬廣范圍內。這兩方面的因素使得對精細描述的反應堆進行直接計算時計算代價大，計算時間長。受限于計算條件和計算方法的水平，三維全堆芯非均勻一步法計算在反應堆中子學計算中尚無法得到廣泛應用。傳統反應堆中子學計算一般利用兩步法思想來簡化計算：首先利用柵格程序在近似的邊界條件下對部分堆芯進行二維多群輸運計算，通過一次或者多次均勻化處理以等效均勻介質代替精細非均勻介質；其次，對均勻化后的三維全堆芯進行少群低階輸運計算，獲得安全分析所需的燃料棒功率密度分布。

在兩步法計算中，以組件均勻化理論和粗網節塊方法為理論框架的兩步法計算方案是目前壓水堆工程計算中普遍采用的傳統燃料管理數值計算方法。隨著科學研究的不斷深入、計算條件和對核設計計算精度要求的不斷提高，傳統的兩步法計算方案面臨著越來越嚴峻的挑戰。首先，堆芯核設計的目標結果是三維全堆芯內的單棒功率密度分布，但在傳統兩步法中卻先將組件內的所有燃料棒(柵元)通過均勻化技術進行統一考慮，只保證總核反應率和中子泄漏率守恒，無法區分對待每一根燃料棒，然后在全堆芯粗網節塊計算之后，采用精細功率分布重構技術，拼湊組件內各個燃料棒的功率密度分布，引入了較大的誤差。其次，隨著新型核反應堆概念的不斷提出、反應堆燃料及堆芯設計的不斷革新，新一代壓水堆堆芯的非均勻性變強、中子泄漏變強、燃料類型的增加使相鄰組件間的中子能譜干涉效應增強等特性使得組件均勻化的傳統兩步法計算精度越來越無法滿足工程計算精度的要求，如小型壓水堆、MO_X-UO₂混合裝載等情況。

為提高堆芯設計計算精度且滿足對新型反應堆堆芯計算的精度要求，全堆芯逐棒計算成為了下一代堆芯數值計算方法的研究熱點。全堆芯逐棒計算是基于均勻化理論的改進型兩步法計算方案，該計算方案先在全反射邊界條件的單組件非均勻一步計算之后進行柵元均勻化計算，得到堆芯用的柵元均勻化常數，再由柵元均勻化的細網代替組件均勻化的粗網，采用多于兩群的能群結構、低階輸運計算方法進行堆芯中子學計算。

然而，隨著堆芯計算的空間網格由組件均勻化的粗網轉變為柵元均勻化的細網，均勻化區域也由光厚介質轉變為了光薄介質，堆芯計算在變得更為精確地同時也更為復雜。以現階段的均勻化方法進行全堆芯逐棒計算時，其少群常數存儲量及參數化的計算量是非常巨大的，每個柵元的均勻化截面、擴散系數、不連續因子/超級均勻化因子都是需要存儲的。考慮能群數的差異，與組件均勻化方法比較，其存儲量及參數化計算量均擴大了上千倍不止。且由于堆芯中各個位置所處環境均有所不同，因此每個燃料柵元的等效均勻化常數理論上而言是各不相同的，其空間相關性很強，在堆芯計算過程中所有柵元的等效均勻化常數均需要存儲。因此，如何研究設計一種堆芯逐棒計算中柵元等效均勻化常數的計算方法及系統是我們目前急需解決的問題。

因此需要提出一種降低堆芯逐棒計算柵元等效均勻化常數空間相關性的計算方法來保證堆芯逐棒計算精度的同時降低柵元等效均勻化少群常數的存儲需求及參數化計算量。

發明內容