[發明專利]一種小型模塊化超級安全氣冷堆物理熱工耦合分析方法

在審

• 申請號: 202111661576.9
• 申請日: 2021-12-30
• 公開（公告）號: CN114330169A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 陳思遠;王成龍;田文喜;秋穗正;蘇光輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;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

1.一種小型模塊化超級安全氣冷堆物理熱工耦合分析方法，其特征在于：步驟如下：

步驟1：將小型模塊化超級安全氣冷堆的堆芯根據不同組件以及不同功能劃分為若干控制體；輸入小型模塊化超級安全氣冷堆的結構幾何參數和邊界條件，給定不同控制體的群常數，設定計算時間和時間步長；

步驟2：根據小型模塊化超級安全氣冷堆的結構幾何參數和邊界條件，進行堆芯的穩態初始化計算，得到堆芯的熱功率以及每個控制體的冷卻劑質量流量、溫度和壓力，作為零時刻的初始值；

步驟3：建立堆芯的冷卻劑熱工水力模型、中子物理模型以及燃料棒導熱模塊；

堆芯的冷卻劑熱工水力模型，為實現對小型模塊化超級安全氣冷堆堆芯的快速模擬，采用多孔介質熱工水力模型，求解氦氣在堆芯內的可壓縮流動；多孔介質熱工水力模型的控制方程如下：

質量守恒方程：

式中：

γ——孔隙率

ρ——冷卻劑密度/kg·m^-3

t——時間/s

u——冷卻劑流速/m·s^-1

動量守恒方程：

式中：

μ_T——湍流運動粘度/Pa·s

p——冷卻劑壓力/Pa

p_i——冷卻劑與亞尺度結構界面間的壓力/Pa

F_g——重力引起的單位體積阻力/N·m^-3

F_ss——亞尺度結構相互作用引起的的單位體積阻力/N·m^-3

能量守恒方程：

式中：

e——冷卻劑總能量/J·kg^-1

k_T——湍流熱導率/W·(m·K)^-1

Q_ss——亞尺度結構對流體的導熱量/W·m^-3

假設p＝p_i，并定義則上三式可簡化為：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

此時，孔隙率γ的導數僅出現在動量與能量方程中等式右側的最后一項；在核工程領域的應用當中，孔隙率在多孔介質區域內不發生變化，因此將其導數項忽略不計；

動量守恒方程中，F_ss代表各控制體對流體的阻力，與速度成正比；

式中：

f_D——達西摩擦因數

——常數項

D_h——水力直徑

能量守恒方程中，Q_ss代表流體與控制體之間的熱交換；

式中：

A_V——流體與亞尺度結構間的單位體積面積/m²·m^-3

h——換熱系數/W·m^-2·K^-1

T_ss——亞尺度結構溫度/T

堆芯的中子物理模型，采用多群擴散中子動力學方程求解堆芯的裂變功率，對中子能量進行分群，根據控制體內的中子數守恒原理，即某區域內中子通量密度的變化率等于該區域內中子的產生率減去消失率，得到如下的多群擴散中子動力學方程；其中群數與群常數由用戶指定，方程考慮緩發中子和反應性反饋；多群擴散中子動力學方程如下：

其中，源項S_n,i,S_d,j和S_S,i分別為：

式中：

——能群i的中子通量/m^-2·s^-1

v_i——能群i的平均中子速度/m·s^-1

D——中子擴散系數/m

β_eff,t——總緩發中子占比

χ_f,i——瞬發中子產額

χ_d,i——緩發中子產額

k_eff——有效增值因子

λ_k——第k組緩發中子衰變常數/s^-1

燃料棒導熱模塊，采用有限體積法求解得到石墨基質、燃料溫度；取小型模塊化超級安全氣冷堆的一個最小單元，將其近似看作多層圓柱體導熱，由外到內依次是燃料層、石墨層、氦氣層；假設每個網格內存在一個燃料棒單元，使用有限體積法計算得到燃料溫度、石墨基質溫度；

首先讀取堆芯的冷卻劑熱工水力模型、中子物理模型以及燃料棒導熱模塊參數，包括燃料層和石墨層的內徑、外徑、密度、定壓比熱容、熱導率、分層數；

徑向溫度分布公式：

式中：

q——功率密度/W·m^-3

r——半徑/m

k——熱導率/W·m^-1·K^-1

C₁、C₂——常數項

多層圓柱導熱微分方程：

式中：

c_p——定壓比熱容/kJ·kg^-1·K^-1

由徑向溫度分布公式計算得到多層圓柱體各層的溫度T_rad用于后續計算；對多層圓柱體微分方程使用有限體積法進行離散，建立線性方程M·T_rad＝S進行溫度分布迭代；

其中，矩陣M為：

矩陣S為：

S＝qdA+T_old·XdA (16)

S＝T_old·XdA+2πrh(最內側點) (17)

B、C、X均由邊界條件計算得到：

X＝ρc_p/dt (20)

式中：

T_old——各節點上一次迭代的溫度/T

Δr——各節點間距/m

采用PIMPLE算法，依次求解質量守恒方程、k-ε方程、動量守恒方程、燃料棒導熱模塊中方程、能量守恒方程、多群擴散中子動力學方程，得到當前t時刻的堆芯功率分布、流場、溫度場和壓力場；

步驟4：在求解每個方程前，計算初始殘差，若小于用戶設定的公差，則方程不進行求解；當所有方程的初始殘差小于公差時，采用PIMPLE算法進行下一時刻的計算，直到設定的總計算時間，計算停止。