CN108846190A - 一种压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法 - Google Patents

一种压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法。建立中子输运计算网格模型；建立热工水力程序计算网格模型；建立一一对应的网格映射方案，开发传递接口；制作少群参数关系式；获得燃料组件的功率分布；将燃料组件的功率分布传递给热工子通道计算程序网格；得到各网格的冷却剂、包壳及燃料棒温度；得到燃料棒网格温度分布函数及燃料棒网格积分平均后的温度；将冷却剂温度和积分平均后的燃料棒温度传递至三维中子输运计算程序，计算燃料组件的功率分布；判定冷却剂温度、燃料棒温度及功率分布是否达到收敛标准。本发明避免了由于网格差异导致的误差；解决了由于网格内温度梯度变化大，导致网格中心点温度不能准确表示网格平均温度而引入的误差。

Description

一种压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法
技术领域
本发明涉及的是一种热工水力子通道和堆芯中子输运计算方法。
背景技术
核电厂核热耦合计算常采用求解扩散方程的中子物理程序与热工水力子通道程序耦合的方案。随着计算能力的不断提升，以组件为计算网格求解扩散方程的中子物理程序在精度上已经不足以满足现代核设计与验证的需求，为实现高精度的反应堆物理计算，需要利用基于三维输运方程的中子物理程序。特征线法(MOC)是一种基于特征理论的求解双曲型偏微分方程的近似方法，该方法早在19世纪末就已经被人们使用，随着算法的不断发展及计算机能力的提升，目前被应用在求解三维中子输运计算程序中。MOC方法可以将计算区域离散为任意形状的平源网格区，可以根据计算精度在计算区域内划分出相应的平源网格。但是MOC方法需要精细的平源网格才能保证计算精度。在使用基于特征线法的三维中子输运计算程序时，需要在燃料栅元计算网格内根据冷却剂、包壳和燃料棒的温度分布划分精细的平源区网格。传统的核热耦合方法中，热工水力子通道程序网格向物理程序网格提供冷却剂、包壳和燃料温度，并且所传递温度往往为热工水力网格中心点参数，若采用这种耦合方法进行基于MOC方法的三维中子输运程序与热工水力子通道程序的耦合开发，会引入如下问题:
1.采用传统的网格映射方式会导致程序间网格的不匹配，需要使用数据重构等方法对传递数据进行处理，数据重构导致的近似和误差不可避免。
2.热工水力子通道程序传递的物性参数为网格中心点参数，燃料网格平源区内燃料温度梯度变化较大，采用网格中心点参数并不能充分表现该网格真实的平均温度，若继续细分网格会使计算量大大增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以准确的进行程序间网格映射及数据传递的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)根据仿真对象的几何参数，使用基于特征线方法的三维中子输运计算程序建立精细化的中子输运计算网格模型；
(2)根据仿真对象的几何参数及所述中子输运计算网格模型，使用热工水力子通道程序建立具有与三维中子输运程序网格平源区一一对应的热工水力程序计算网格模型；
(3)以所述中子输运计算网格模型与所述热工水力程序计算网格模型为基础建立一一对应的网格映射方案，开发物理-热工耦合接口完成中子输运计算程序与热工水力子通道程序间的冷却剂温度、燃料温度和燃料棒功率传递；
(4)使用组件计算程序计算出各离散工况点的组件少群参数，通过拟合法制作少群参数关系式；
(5)利用所述少群参数关系式计算当前状态的少群参数，使用三维中子输运计算程序，获得燃料组件的功率分布；
(6)使用步骤(3)获得的物理-热工耦合接口将步骤(5)获得的燃料组件的功率分布传递给热工子通道计算程序网格；
(7)使用热工水力子通道程序根据步骤(6)获得的功率分布作为物理边界，计算得到各网格的冷却剂、包壳及燃料棒温度；
(8)通过得到的燃料棒温度，利用最小二乘拟合法在各扇形区域进行温度分布函数拟合，并利用温度分布函数在燃料棒网格内进行积分平均，得到各网格积分平均后的温度，避免了算术平均导致的误差；
(9)调用物理-热工耦合接口将步骤(7)中的冷却剂温度和步骤(8)中积分平均后的燃料棒温度传递至三维中子输运计算程序，并使用物理程序计算燃料组件的功率分布；
(10)调用物理-热工耦合接口对所有网格进行遍历，判定冷却剂温度、燃料棒温度及功率分布是否均达到收敛标准，如果达到收敛标准则完成耦合计算，如果不收敛则返回至步骤(5)重复迭代直至判定收敛。
本发明提供了一种当采用精细的三维中子输运计算程序进行耦合时，可以准确的进行程序间网格映射及数据传递的高保真的压水堆燃料组件的核热耦合方法。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用了三维中子输运计算网格与热工水力子通道计算网格在冷却剂和燃料棒网格的各分区一一对应的网格映射方式，避免了由于网格差异导致的误差；
(2)通过对热工燃料棒网格的温度参数进行函数拟合与积分平均，解决了由于网格内温度梯度变化大，导致网格中心点温度不能准确表示网格平均温度而引入的误差。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是网格划分示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
(1)根据仿真对象的几何设计参数，使用基于特征线方法的三维中子输运计算程序建立精细化的物理计算网格模型。具体是这样实施的：
中子输运计算网格由一个完整燃料棒和将其包裹在内的方形冷却剂流道组成的完整栅元构成。如图2中D所示，其中燃料棒等分为八个扇形平源区，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环。冷却剂通道被通过燃料棒中心的竖直和水平线等分为8个平源区域；
(2)根据仿真对象的几何参数及所述中子输运计算网格模型，使用热工水力子通道程序建立具有与三维中子输运程序网格平源区一一对应的热工水力程序计算网格模型。将网格划分为内通道网格，边通道网格和角通道网格。具体是这样实施的：
a.内通道网格由四个相邻的四分之一燃料棒及其围成的冷却剂流道构成；如图2中A所示，其中所有四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出8个区域；
b.边通道网格由两个相邻的四分之一燃料棒及其与组件边界围成的冷却剂流道构成；如图2中B所示，其中所有四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出4个区域；
c.角通道网格由一个四分之一燃料棒及其与组件边界围成的冷却剂流道构成；如图2中C所示，其中四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出2个区域；
(3)以所建立的物理网格和热工网格为基础，建立一一对应的网格映射方案，开发物理-热工耦合接口完成中子输运计算程序与热工水力子通道程序间的冷却剂温度、燃料温度和燃料棒功率传递。具体是这样实施的：
a.将热工水力子通道计算程序网格内的燃料棒分区与冷却剂分区进行编号；
b.三维中子输运计算程序网格中的各分区采用与热工水力网格相同方式编号，保证程序间网格中各分区一一对应；
c.根据网格内分区编号，开发数据传递接口程序控制热工程序与物理程序的输入输出；
(4)使用组件计算程序计算各离散工况点的组件少群参数，通过拟合法制作少群参数关系式。具体是这样实施的：
a.选定计算所处的工况范围；在该工况范围内离散工况点，并使用组件计算程序对各离散工况点进行计算，得到各离散工况点的少群参数；
b.根据各离散工况的少群参数，通过拟合法，得到少群参数关系式；
(5)利用(4)获得的少群参数关系式计算当前状态的少群参数，使用三维中子输运计算程序，获得燃料组件的功率分布。具体是这样实施的：
a.通过少群参数关系式，开发可以为三维中子输运计算程序提供当前工况下少群参数的Link接口程序；
b.将当前工况下的冷却剂温度、燃料温度输入Link接口程序，Link程序根据输入参数提供截面数据至三维中子输运计算程序；
c.调用三维中子输运程序，利用得到的截面数据，计算得到燃料组件的功率分布；
(6)调用物理-热工耦合接口将(5)获得的燃料组件功率分布传递热工程序网格；
(7)热工程序使用(6)获得的功率分布作为物理边界，计算得到冷却剂、燃料棒温度；
(8)通过得到的燃料棒温度，利用最小二乘拟合法对各扇形区域进行温度分布函数拟合，并利用温度分布函数在燃料棒网格内进行积分平均，得到各网格积分平均后的温度。具体是这样实施的：
a.根据燃料导热模型中计算得到的温度点，以半径r为自变量的三次多项式为拟合函数，拟合得到相应的温度分布函数T(r)。其中多项式形式如下所示：
T(r)＝a+br+cr2+dr3
式中，a、b、c、d为多项式拟合函数系数；
b.对所得的T(r)＝a+br+cr2+dr3在各分区内进行积分平均，得到各网格分区积分平均后的温度；
c.将各网格分区内的温度替换为积分平均后的温度。
(9)调用物理-热工耦合接口将(7)中的冷却剂温度和(8)中积分平均后的燃料棒温度传递至三维中子输运计算程序，并使用物理程序计算燃料组件的功率分布；
(10)调用物理-热工耦合接口对所有网格进行遍历，判定冷却剂温度、燃料棒温度及功率分布是否均达到收敛标准，如果达到收敛标准则完成耦合计算，如果不收敛则返回至(5)重复迭代直至判定收敛。

Claims (6)

1.一种压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是：
(1)根据仿真对象的几何参数，使用基于特征线方法的三维中子输运计算程序建立精细化的中子输运计算网格模型；
(2)根据仿真对象的几何参数及所述中子输运计算网格模型，使用热工水力子通道程序建立具有与三维中子输运程序网格平源区一一对应的热工水力程序计算网格模型；
(3)以所述中子输运计算网格模型与所述热工水力程序计算网格模型为基础建立一一对应的网格映射方案，开发物理-热工耦合接口完成中子输运计算程序与热工水力子通道程序间的冷却剂温度、燃料温度和燃料棒功率传递；
(4)使用组件计算程序计算各离散工况点的组件少群参数，通过拟合法制作少群参数关系式；
(5)利用所述少群参数关系式计算当前状态的少群参数，使用三维中子输运计算程序，获得燃料组件的功率分布；
(6)使用步骤(3)获得的物理-热工耦合接口将步骤(5)获得的燃料组件的功率分布传递给热工子通道计算程序网格；
(7)使用热工水力子通道程序根据步骤(6)获得的功率分布作为物理边界，计算得到各网格的冷却剂、包壳及燃料棒温度；
(8)通过得到的燃料棒温度，利用最小二乘拟合法在各扇形区域进行温度分布函数拟合，并利用温度分布函数在燃料棒网格内进行积分平均，得到各网格积分平均后的温度；
(9)调用物理-热工耦合接口将步骤(7)中的冷却剂温度和步骤(8)中积分平均后的燃料棒温度传递至三维中子输运计算程序，并使用物理程序计算燃料组件的功率分布；
(10)调用物理-热工耦合接口对所有网格进行遍历，判定冷却剂温度、燃料棒温度及功率分布是否均达到收敛标准，如果达到收敛标准则完成耦合计算，如果不收敛则返回至步骤(5)重复迭代直至判定收敛。
2.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是步骤(2)具体包括：
a.内通道网格由四个相邻的四分之一燃料棒及其围成的冷却剂流道构成；其中所有四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出8个区域；
b.边通道网格由两个相邻的四分之一燃料棒及其与组件边界围成的冷却剂流道构成；其中所有四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出4个区域；
c.角通道网格由一个四分之一燃料棒及其与组件边界围成的冷却剂流道构成；其中四分之一燃料棒被等份为两个扇形，且扇形内按一层包壳，一层气隙，两层燃料的方式划分为四个环；冷却剂通道根据燃料棒间的中心线与燃料棒中心点连接线，划分出2个区域。
3.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是步骤(3)具体包括：
a.将热工水力子通道计算程序网格内的燃料棒分区与冷却剂分区进行编号；
b.三维中子输运计算程序网格中的各分区采用与热工水力网格相同方式编号，保证程序间网格中各分区一一对应；
c.根据网格内分区编号，开发数据传递接口程序控制热工程序与物理程序的输入输出。
4.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是步骤(4)具体包括：
a.估算计算所处的工况范围；在该工况范围内取合理数量的离散工况点，并使用组件计算程序对各离散工况点进行计算，得到各离散工况点的少群参数；
b.根据各离散工况的少群参数，通过拟合法，得到少群参数关系式。
5.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是步骤(5)具体包括：
a.通过少群参数关系式，开发可以为三维中子输运计算程序提供当前工况下少群参数的Link接口程序；
b.将当前工况下的冷却剂温度、燃料温度输入Link接口程序，Link程序根据输入参数提供截面数据至三维中子输运计算程序；
c.调用三维中子输运程序，利用得到的截面数据，计算得到燃料组件的功率分布。
6.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件的核热耦合仿真方法，其特征是步骤(8)具体包括：
a.根据燃料导热模型中计算得到的温度点，以半径r为自变量的三次多项式为拟合函数，拟合得到相应的温度分布函数T(r)，其中多项式形式为T(r)＝a+br+cr2+dr3；
b.对所得的T(r)＝a+br+cr2+dr3在各分区内进行积分平均，得到各网格分区积分平均后的温度；
c.将各网格分区内的温度替换为积分平均后的温度。
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