CN109994242B - 一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于溶液堆领域，具体涉及一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法。步骤一、将溶液堆对芯按几何位置进行分区；步骤二、将辐解气泡按照其产生的位置和时间被分为若干气泡组；步骤三、从0时刻开始计算；步骤四、计算每个燃料分区内的空泡份额VFn；步骤五、计算辐解气体摩尔总量nntotal；步骤六、对产生的辐解气体进行分配完成了对t+Δt时刻各气泡组的参数更新；步骤七、从零时刻开始按照步骤四到步骤六进行不断进行计算。本发明采用的方法介于常用的只考虑辐解气泡轴向匀速运动的模型和利用CFD方法对全堆进行两相流模拟之间，能够在保证一定精度的同时保证计算效率。

Description

一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法
技术领域
本发明属于溶液堆领域，具体涉及一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法。
背景技术
溶液堆是指利用易裂变燃料可溶盐水溶液作燃料的反应堆，常用的燃料包括硝酸铀酰水溶液、硫酸铀酰水溶液、氟化铀酰水溶液或是这几种的混合水溶液，与常用固态燃料的反应堆相比，液体形态的燃料以及慢化剂与燃料均匀混合是其最鲜明的特征。
溶液堆在功率运行条件下，裂变反应产生的高能碎片与溶液中的水分子碰撞使之分解产生氢气和氧气；在硝酸铀酰溶液受到辐照时，还会产生氮气和氮氧化物。通常将这些气体统称为辐照裂解气体。辐照裂解气体产生后溶解在燃料溶液中，当达到其饱和浓度后将形成气泡，称为辐解气泡。辐解气泡受浮力作用会在燃料溶液中运动并从自由液面脱离堆芯。
溶液堆中的辐解气泡会对燃料体积和密度产生影响进而带来负反馈，对溶液堆的稳态或瞬态运行产生影响。为此，在溶液堆的建模分析中，对辐解气泡在溶液堆中的运动进行建模分析，进而获得辐解气泡在反应堆稳态或者瞬态工况下在堆内的分布情况十分重要。
辐解气泡在溶液堆中运动的同时可能存在着生长、聚合、破裂等行为，对这些行为的分析是模拟其运动过程的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法，为溶液堆的全面建模分析提供技术支持。
为解决上述技术问题，本发明一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将溶液堆堆芯按几何位置进行分区，由中子输运计算给出各燃料分区的功率分布Pn，固定该功率分布；
步骤二、将辐解气泡按照其产生的位置和时间被分为若干气泡组，利用一个矩阵储存各气泡组的信息，对于第i组气泡来说，这些信息包括：
(a)初始产生时间点t0i
(b)初始产生位置h0i
(c)当前时间点t时刻该气泡组所在位置hi
(d)当前时间点t时刻该气泡组平均半径
Figure GDA0002676667880000021
(e)当前时间点t时刻该气泡组气体摩尔总量ni
(f)当前时间点t时刻该气泡组总体积Vi；
步骤三、从0时刻开始计算，一旦在位置h处的燃料分区内辐解气体在t时刻达到了饱和，就开始产生气泡；新的一组气泡产生时，记录其产生时间点t0＝t，记录其产生的位置h0＝h，在最初产生时气泡的半径相同，
Figure GDA0002676667880000024
该组气泡的摩尔总量为t-Δt到t时间段燃料区内产生的辐解气体总量，其体积通过理想气体方程计算；
步骤四、在t时刻，确定该组气泡在一个时间段t到t+Δt内的上升速度，在一个新的时刻t+Δt，根据t时刻所在位置h和气泡速度更新t+Δt时刻所在位置，判断这一位置所属于的燃料分区，对所有的气泡组都进行这样的处理，并计算每个燃料分区内的空泡份额VFn；
步骤五、计算第n个燃料溶液分区在t到t+Δt时间内产生的辐解气体摩尔总量nntotal；
步骤六、对产生的辐解气体进行分配，其中用于造成现有辐解气泡生长的辐解气泡摩尔量为nntotalVFn；对于该分区内气泡总体积为V的单个气泡组来说，其摩尔总量增加nntotalV/Vn，Vn为分区内辐解气泡总体积，更新该气泡组的摩尔总量，并更新该气泡组的总体积V和平均半径
Figure GDA0002676667880000025
该气泡组的产生时间点t0和产生位置h0不变；除去造成气泡生长的部分，剩余的辐解气体将形成新一组辐解气泡，其摩尔总量为：nntotal(1-VFn)；按照上述步骤，完成了对t+Δt时刻各气泡组的参数更新；
步骤七、从零时刻开始按照步骤四到步骤六进行不断进行计算，当一个气泡组所在位置h超出堆芯时就认为该气泡组离开堆芯，便不再计算。
所述步骤四中，空泡份额VFn
Figure GDA0002676667880000031
其中VFn为第n个燃料分区的空泡份额，hn为第n个燃料分区的范围，Vnl为第n个燃料分区的体积。
所述步骤五中，辐解气体摩尔总量nntotal
Figure GDA0002676667880000032
其中，Pn为第n个燃料分区的功率，G(H2)为辐解氢气的产量，mol/J；
Figure GDA0002676667880000033
为其他辐解气体产量与氢气之比。
本发明的有益技术效果在于：本发明所阐述的适用于对溶液堆的建模分析，该方法从溶液堆的实际出发，探索了辐解气泡在堆内可能出现的各种物理现象，结合物理实际和合理的简化假设，对辐解气泡从产生到不断运动和生长的过程进行了完整的建模。本发明能够运用于针对溶液堆的模拟程序之中，并计算辐解气泡在溶液堆稳态或者瞬态运行时在堆内的分布情况，对辐解气泡分布的良好模拟对溶液堆的模拟至关重要。本发明采用的方法介于常用的只考虑辐解气泡轴向匀速运动的模型和利用CFD方法对全堆进行两相流模拟之间，能够在保证一定精度的同时保证计算效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如果在溶液堆模拟中使用本发明计算零时刻辐解气泡在堆内的稳态分布情况，将按照以下步骤：
步骤1：将溶液堆堆芯按几何位置进行分区，由中子输运计算给出各燃料分区的功率分布Pn，固定该功率分布。
步骤2：将辐解气泡按照其产生的位置和时间被分为若干气泡组，利用一个矩阵储存各气泡组的信息，对于第i组气泡来说，这些信息包括：
(a)初始产生时间点t0i
(b)初始产生位置h0i
(c)当前时间点t时刻该气泡组所在位置hi
(d)当前时间点t时刻该气泡组平均半径
Figure GDA0002676667880000043
(e)当前时间点t时刻该气泡组气体摩尔总量ni
(f)当前时间点t时刻该气泡组总体积Vi
步骤3：从0时刻开始计算，一旦在位置h处的燃料分区内辐解气体在t时刻达到了饱和，就开始产生气泡；新的一组气泡产生时，记录其产生时间点t0＝t，记录其产生的位置h0＝h，在最初产生时气泡的半径相同，
Figure GDA0002676667880000044
该组气泡的摩尔总量为t-Δt到t时间段燃料区内产生的辐解气体总量，其体积通过理想气体方程计算。
步骤4：在t时刻，确定该组气泡在一个时间段t到t+Δt内的上升速度，在一个新的时刻t+Δt，根据t时刻所在位置h和气泡速度更新t+Δt时刻所在位置，判断这一位置所属于的燃料分区，对所有的气泡组都进行这样的处理，并计算每个燃料分区内的空泡份额VFn。
Figure GDA0002676667880000041
其中VFn为第n个燃料分区的空泡份额，hn为第n个燃料分区的范围，Vnl为第n个燃料分区的体积。
气泡速度的定义使用Stokes方程来计算：
Figure GDA0002676667880000042
式中Vt为辐解气泡的上浮速度；Δρ为气泡与周围液相的密度差；r为气泡半径；g为重力加速度；μ为液相的黏性系数。
步骤5：计算第n个燃料溶液分区在t到t+Δt时间内产生的辐解气体摩尔总量nntotal。
Figure GDA0002676667880000051
其中，Pn为第n个燃料分区的功率，G(H2)为辐解氢气的产量，mol/J；
Figure GDA0002676667880000052
为其他辐解气体产量与氢气之比。
步骤6：对产生的辐解气体进行分配，其中用于造成现有辐解气泡生长的辐解气泡摩尔量为nntotalVFn；对于该分区内气泡总体积为V的单个气泡组来说，其摩尔总量增加nntotalV/Vn，Vn为分区内辐解气泡总体积，更新该气泡组的摩尔总量，并更新该气泡组的总体积V和平均半径
Figure GDA0002676667880000053
该气泡组的产生时间点t0和产生位置h0不变。除去造成气泡生长的部分，剩余的辐解气体将形成新一组辐解气泡，其摩尔总量为：nntotal(1-VFn)。按照上述步骤，完成了对t+Δt时刻各气泡组的参数更新。
步骤7：从零时刻开始按照步骤4到步骤6进行不断进行计算，当一个气泡组所在位置h超出堆芯时就认为该气泡组离开堆芯，便不再计算。
步骤8：当堆芯各分区的空泡份额都收敛时，认为堆内的气泡分布达到稳定，即为零时刻的气泡分布。

Claims (3)

1.一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、将溶液堆堆芯按几何位置进行分区，由中子输运计算给出各燃料分区的功率分布Pn；
步骤二、将辐解气泡按照其产生的位置和时间被分为若干气泡组，利用一个矩阵储存各气泡组的信息，对于第i组气泡来说，这些信息包括：
(a)初始产生时间点t0i
(b)初始产生位置h0i
(c)当前时间点t时刻该气泡组所在位置hi
(d)当前时间点t时刻该气泡组平均半径
Figure FDA0002676667870000011
(e)当前时间点t时刻该气泡组气体摩尔总量ni
(f)当前时间点t时刻该气泡组总体积Vi；
步骤三、从0时刻开始计算，一旦在位置h处的燃料分区内辐解气体在t时刻达到了饱和，就开始产生气泡；新的一组气泡产生时，记录其产生时间点t0＝t，记录其产生的位置h0＝h，在最初产生时气泡的半径相同，
Figure FDA0002676667870000012
该组气泡的摩尔总量为t-Δt到t时间段燃料区内产生的辐解气体总量，其体积通过理想气体方程计算；
步骤四、在t时刻，确定该组气泡在一个时间段t到t+Δt内的上升速度，在一个新的时刻t+Δt，根据t时刻所在位置h和气泡速度更新t+Δt时刻所在位置，判断这一位置所属于的燃料分区，对所有的气泡组都进行这样的处理，并计算每个燃料分区内的空泡份额VFn，该变量将用于计算辐解气泡带来的反馈；
步骤五、计算第n个燃料溶液分区在t到t+Δt时间内产生的辐解气体摩尔总量nntotal；
步骤六、对产生的辐解气体进行分配，其中用于造成现有辐解气泡生长的辐解气泡摩尔量为nntotalVFn；对于该分区内气泡总体积为V的单个气泡组来说，其摩尔总量增加nntotalV/Vn，Vn为分区内辐解气泡总体积，更新该气泡组的摩尔总量，并更新该气泡组的总体积V和平均半径
Figure FDA0002676667870000013
该气泡组的产生时间点t0和产生位置h0不变；除去造成气泡生长的部分，剩余的辐解气体将形成新一组辐解气泡，其摩尔总量为：nntotal(1-VFn)；按照上述步骤，完成了对t+Δt时刻各气泡组的参数更新；
步骤七、从零时刻开始按照步骤四到步骤六进行不断进行计算，当一个气泡组所在位置h超出堆芯时就认为该气泡组离开堆芯，便不再计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法，其特征在于：
所述步骤四中，气泡速度的定义使用Stokes方程来计算：
Figure FDA0002676667870000021
式中Vt为辐解气泡的上浮速度；Δρ为气泡与周围液相的密度差；r为气泡半径；g为重力加速度；μ为液相的黏性系数。
3.根据权利要求2所述的一种用于模拟辐解气泡在溶液堆中运动的方法，其特征在于：
所述步骤五中，辐解气体摩尔总量nntotal
Figure FDA0002676667870000022
其中，Pn为第n个燃料分区的功率，G(H2)为辐解氢气的产量，mol/J，
Figure FDA0002676667870000023
为其他辐解气体产量与氢气之比。
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