CN110990158B - 一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法 - Google Patents

一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法，能够实现对燃料元件性能的并行化处理，处理速度快、耗时短。所述方法包括：分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析；通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中。本发明涉及计算材料学、核科学与技术领域。

Description

一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法
技术领域
本发明涉及计算材料学、核科学与技术领域，特别是指一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法。
背景技术
燃料元件是指由核燃料材料、结构材料和中子减速剂及中子反射材料等组成的燃料棒，是反应堆的核心部件，是反应堆运行过程中产生热量和维持链式反应的主要来源。反应堆燃料元件性能分析作为数值堆的基本模块，对反应堆的工作性能和寿命、反应堆的设计运行和安全分析均十分重要。
反应堆运行时，燃料发生链式的核裂变反应，产生大量热能，在高温、高压、强辐射的环境中直接进行温度、应力、应变、包壳腐蚀厚度的测量十分不便，计算机模拟可以很好的解决上述问题，所以燃料元件性能分析计算方法具有较高的实用价值。
燃料元件性能分析研究是在热工水力、结构力学、压力、包壳腐蚀等多种物理因素耦合作用下的燃料元件性能分析方法。主要通过模拟四个物理过程进行相关的性能分析：
1)模拟热量在燃料芯块内部传导和通过气隙、包壳最终传入冷却剂的过程，获得燃料棒内的温度分布情况；
2)模拟燃料芯块和包壳在内、外压及辐照作用下的变形，获得应力、应变；
3)模拟裂变气体产生及释放过程结合理想气体状态方程，求得燃料棒内气体压力变化情况；
4)模拟包壳在高温冷却剂中和水发生的放热反应，获得包壳的腐蚀情况。
现有的燃料元件性能分析程序，只能进行单根燃料棒计算，即每次执行程序，读取该棒的参数信息，获取该棒的输出结果。若想要获取多根燃料棒的性能分析结果，则要依次进行多次计算，多次执行性能分析程序，最终获得多个输出结果。即对多根燃料棒进行性能分析，耗时较长、输出的性能分析多且混乱，带来巨大不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法，以解决现有技术所存在的对多根燃料棒进行性能分析，耗时较长、输出的性能分析多且混乱的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法，包括：
分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析，所述进程包括：主进程和子进程；
通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；
各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；
主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中。
进一步地，主进程与子进程的数目之和与燃料棒的数目一致。
进一步地，所述输入文件中包括要进行性能分析的所有燃料棒的参数信息；
不同燃料棒的参数信息之间以空行隔开，且每个燃料棒的参数信息的对应位置、参数名称一致。
进一步地，所述参数信息包括：包壳外表面温度、时间步长数、每一时间步结束的累计时间、燃料芯块中心距节点的距离、燃料芯块长度、燃料芯块个数、初始铀-235的浓度、包壳外半径、包壳壁厚度、节点相对线功率、功率分布序号和冷却剂入口温度中的一种或多种。
进一步地，所述根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件包括：
在每个时间步内，按照步骤A1-A5对相应的燃料棒进行性能分析，直至所有时间步都执行完毕，输出各进程的性能分析文件；
A1，确定燃料芯块内部的功率分布；
A2，根据确定的功率分布，确定燃料芯块径向的温度分布；
A3，根据确定的燃料芯块径向的温度分布，确定包壳的应力和应变；
A4，判定气隙温差是否收敛，若不收敛，则返回步骤A2继续执行；若收敛，则执行步骤A5；
A5，确定气隙的气体浓度，并基于确定的气隙的气体浓度，确定燃料棒内气体压力，判定燃料棒内气体压力是否收敛，若不收敛，则更新参数信息，并根据更新后的参数信息返回步骤A1继续执行；若收敛，则确定包壳的腐蚀情况；
其中，对燃料棒进行性能分析时，第一个时间步的参数由输入文件中的参数进行初始化。
进一步地，燃料芯块内部的功率分布表示为：
Figure BDA0002315816980000031
其中，Pv为介质单位体积功率分布，∞表示正比于，Φ(r)表示燃料芯块内部中子通量分布，r表示燃料芯块中心距节点的距离，i表示核素编号，
Figure BDA0002315816980000032
表示核素平均裂变截面，C表示核素浓度，E表示核素裂变能。
进一步地，所述燃料芯块径向的温度分布包括：包壳内表面温度、燃料芯块外表面温度和节点温度；
气隙温差＝包壳内表面温度-燃料芯块外表面温度。
进一步地，所述主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中包括：
主进程按照进程顺序号读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果。
进一步地，性能分析结果包括：燃料芯块内部的功率分布、燃料芯块径向的温度分布、包壳的应力和应变、气隙的气体浓度、燃料棒内气体压力和包壳的腐蚀情况中的一种或多种。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析，所述进程包括：主进程和子进程；通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果，从而实现对燃料元件性能的并行化处理，处理速度快、耗时短，且最终输出的文件单一，便于用户查阅。
附图说明
图1为本发明实施例提供的反应堆燃料元件性能并行化处理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的每个时间步内，对燃料棒的性能分析流程示意图；
图3为本发明实施例提供的进程分配流程示意图；
图4为本发明实施例提供的反应堆燃料元件性能并行化处理方法的详细流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的对多根燃料棒进行性能分析，耗时较长、输出的性能分析多且混乱的问题，提供一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法。
如图1所示，本发明实施例提供的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，包括：
S101，分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析，所述进程包括：主进程和子进程；
S102，通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；
S103，各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；
S104，主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中。
本发明实施例所述的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析，所述进程包括：主进程和子进程；通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果，从而实现对燃料元件性能的并行化处理，处理速度快、耗时短，且最终输出的文件单一，便于用户查阅。
本实施例中，所述输入文件中包括要进行性能分析的所有燃料棒的参数信息；不同燃料棒的参数信息之间以空行隔开，且每个燃料棒的参数信息的对应位置、参数名称一致；按照这种规则可以将多根燃料棒的参数信息整合在一起。
本实施例中，主进程与子进程的数目之和与燃料棒的数目一致。
在前述反应堆燃料元件性能并行化处理方法的具体实施方式中，进一步地，所述参数信息包括：包壳外表面温度、时间步长数、每一时间步结束的累计时间、燃料芯块中心距节点的距离(也称为节点半径)、燃料芯块长度、燃料芯块个数、初始铀-235的浓度、包壳外半径、包壳壁厚度、节点相对线功率、功率分布序号和冷却剂入口温度中的一种或多种，在实际应用中，参数种类由具体应用场景确定。
本实施例中，将燃料芯块按径向分成若干圆环后，一个圆环称为一个网格，也即一个节点。
本实施例中，可以通过输入文件中的参数信息，对各燃料棒的性能分析过程中涉及的参数进行初始化。
本实施例中，为了实现全堆的性能快速模拟分析，将燃料元件堆内行为分为六个模块：中子物理模块、温度模块、力学模块、裂变气体释放模块(FGR)、内压模块和包壳腐蚀模块。
本实施例中，中子物理模块用于确定燃料芯块内部功率分布，其中，燃料芯块内部的功率分布表示为：
Figure BDA0002315816980000061
其中，Pv为燃料芯块内部单位体积的功率分布，∞表示正比于，Φ(r)表示燃料芯块内部中子通量分布，r表示燃料芯块中心距节点的距离，i表示核素编号，
Figure BDA0002315816980000062
表示核素平均裂变截面，C表示核素浓度(核素分布)，E表示核素裂变能。
本实施例中，燃料芯块内部中子通量分布Φ(r)通过单群、一维圆柱扩散理论得到，表示为：
Φ(r)＝AI0(κr)
其中，A为常数系数；κ表示增值系数；I为修正贝塞尔方程，下标0表示贝塞尔方程阶数。
本实施例中，核素分布C通过联立求解核素反应方程得到，核素分布表示为：
Figure BDA0002315816980000063
Figure BDA0002315816980000064
Figure BDA0002315816980000065
其中，Φ表示燃料芯块内部中子通量分布，U235表示铀-235，U238表示铀-238，σa、σc分别表示吸收截面和俘获截面，j表示核素(Pu239，Pu240，Pu241，Pu242)的编号，t表示时间。
本实施例中，温度模块，用于根据冷却剂温度分布及燃料芯块内部的功率分布，确定燃料芯块径向的温度分布，所述温度分布包括：包壳内表面温度、燃料芯块外表面温度和节点温度；具体的：
可以通过包壳温降方程求解包壳内表面温度，包壳温降方程表示为：
Figure BDA0002315816980000071
其中，Tci表示包壳内表面温度，Tco表示包壳外表面温度，ql(z)表示轴向z处的燃料棒线功率，kc表示包壳的平均热导率，rco表示包壳外半径，rci表示包壳内半径。
可以通过间隙温降方程求解燃料芯块外表面温度，其中，间隙温降方程表示为：
Figure BDA0002315816980000072
其中，Tfo表示燃料芯块外表面温度，Tci表示包壳内表面温度，q″(z)表示轴向z处的燃料棒表面热流密度，hgap表示气隙传热系数。
可以通过燃料芯块内部一维径向热传导方程求解节点温度，其中，所述径向热传导方程表示为：
Figure BDA0002315816980000073
其中，k表示热导率，s表示控制体(将燃料芯块分成若干网格后，一个最小的求解单元)的表面积，
Figure BDA0002315816980000074
表示曲面法向量，T表示节点温度，V表示控制体体积，r表示燃料芯块中心距节点的距离，
Figure BDA0002315816980000075
表示温度的散度，即：T的微小变化量。
(3)力学模块：计算燃料棒包壳的应力、应变，具体的：
可以通过平衡方程求解燃料棒包壳的应力，平衡方程表示为：
Figure BDA0002315816980000076
其中，σr、σθ分别表示燃料棒包壳径向、环向应力；
可以通过几何方程求解燃料棒包壳的应变，几何方程表示为：
Figure BDA0002315816980000077
Figure BDA0002315816980000078
Figure BDA0002315816980000081
其中，εθ、εr分别表示燃料棒包壳环向、径向应变，E表示弹性模量，ν表示泊松比，αr、αθ分别为径向、环向的热膨胀系数，
Figure BDA0002315816980000082
分别为径向、环向的肿胀变形，
Figure BDA0002315816980000083
分别为径向、环向的塑性变形，
Figure BDA0002315816980000084
分别为径向、环向的塑性变形增量，
Figure BDA0002315816980000085
分别为径向、环向的蠕变变形。
(4)裂变气体释放模块，用于计算气隙的气体浓度：
Figure BDA0002315816980000086
其中，ct为t时刻气隙的气体浓度，Deff为气体扩散系数，β为气体产生速率。
(5)内压模块，用于计算燃料棒内气体压力：
Figure BDA0002315816980000087
其中，P表示气体压力；n为气体摩尔数，与气隙的气体浓度相关；V为燃料棒内气隙体积；R为理想气体常数。
(6)包壳腐蚀模块，用于模拟包壳的氧化过程
包壳腐蚀一般分为两个阶段，其中，腐蚀初期反应很慢，当氧化膜达到一定程度时，腐蚀速度突然增加，进入第二阶段，氧化动力学呈现不同规律；其中，
第一阶段：
Figure BDA0002315816980000088
第二阶段：
Figure BDA0002315816980000089
其中，C1、C2为常数系数，Q1、Q2为热量，T1、T2为金属与氧化物的界面温度，S为氧化物厚度。
在前述反应堆燃料元件性能并行化处理方法的具体实施方式中，进一步地，如图2所示，所述根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件包括：
在每个时间步内，按照步骤A1-A5对相应的燃料棒进行性能分析，直至所有时间步都执行完毕，输出各进程的性能分析文件；
A1，确定燃料芯块内部的功率分布；
A2，根据确定的功率分布，确定燃料芯块径向的温度分布；
A3，根据确定的燃料芯块径向的温度分布，确定包壳的应力和应变；
A4，判定气隙温差是否收敛，若不收敛，则返回步骤A2继续执行；若收敛，则执行步骤A5；
A5，确定气隙的气体浓度，并基于确定的气隙的气体浓度，确定燃料棒内气体压力，判定燃料棒内气体压力是否收敛，若不收敛，则更新参数信息，并根据更新后的参数信息返回步骤A1继续执行；若收敛，则确定包壳的腐蚀情况；
其中，对燃料棒进行性能分析时，第一个时间步的参数由输入文件中的参数进行初始化。
本实施例中，对燃料棒从下到上进行等距划分，划分的每一个网格称为燃料芯块。在每个时间步内，对每个燃料芯块，先进入中子物理模块，计算燃料芯块内部的功率分布，将计算得到的功率分布传入温度模块中，由温度模块计算出燃料芯块径向的温度分布，将其传给力学模块，力学模块根据温度分布计算出包壳的应力和应变，然后判断气隙温差(Tci-Tfo)是否收敛，如果不收敛，接着执行温度模块、力学模块的过程；若收敛，则执行裂变气体释放模块，计算出气隙的气体浓度，将其传给内压模块，确定燃料棒内气体压力，判定燃料棒内气体压力是否收敛，若不收敛，则返回中子物理模块继续执行；若收敛，则执行包壳腐蚀模块，确定包壳的腐蚀情况。
本实施例中，在当前时间步执行完成后，根据当前时间步的执行结果，更新下一个时间步的参数，执行下一个时间步，直至所有时间步都执行完毕，输出各进程的性能分析文件。
在前述反应堆燃料元件性能并行化处理方法的具体实施方式中，进一步地，所述主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中包括：
主进程按照进程顺序号读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果。
本实施例中，如图3、图4所示，通过消息传递接口(Message Passing Interface，MPI)技术，对燃料元件性能分析进行并行化，实现对燃料元件性能并行化处理，具体的：使用主进程(例如，0号进程)读取输入文件的路径，并将读取的路径广播给所有子进程(1、2、……、n-1号进程)，以便所有子进程都能获取到输入文件的路径；所有进程读取对应燃料棒在输入文件中的参数信息(例如，0号进程对应0号棒，1号进程对应1号棒等)，并根据读取的参数信息各自对相应的燃料棒进行性能分析，进程执行完成后，将性能分析结果写到以自己进程名称命名的性能分析文件中(例如，0.plot、1.plot、……、n-1.plot)；最后由主进程，按序读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果，并删除针对单根燃料棒的性能分析文件，以实现反应堆燃料元件性能并行化处理。
在前述反应堆燃料元件性能并行化处理方法的具体实施方式中，进一步地，性能分析结果包括：燃料芯块内部的功率分布、燃料芯块径向的温度分布、包壳的应力和应变、气隙的气体浓度、燃料棒内气体压力和包壳的腐蚀情况中的一种或多种。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法，其特征在于，包括：
分配进程，每个进程用于进行单根燃料棒的性能分析，所述进程包括：主进程和子进程；
通过主进程读取输入文件的路径，将读取的路径广播给子进程，其中，输入文件包括：若干根燃料棒的参数信息；
各进程根据接收到的路径读取相应燃料棒在输入文件中的参数信息，并根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件；
主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中；
其中，所述参数信息包括：包壳外表面温度、时间步长数、每一时间步结束的累计时间、燃料芯块中心距节点的距离、燃料芯块长度、燃料芯块个数、初始铀-235的浓度、包壳外半径、包壳壁厚度、节点相对线功率、功率分布序号和冷却剂入口温度中的一种或多种；
其中，所述根据读取的参数信息对相应的燃料棒进行性能分析，输出各进程的性能分析文件包括：
在每个时间步内，按照步骤A1-A5对相应的燃料棒进行性能分析，直至所有时间步都执行完毕，输出各进程的性能分析文件；
A1，确定燃料芯块内部的功率分布；
A2，根据确定的功率分布，确定燃料芯块径向的温度分布；
A3，根据确定的燃料芯块径向的温度分布，确定包壳的应力和应变；
A4，判定气隙温差是否收敛，若不收敛，则返回步骤A2继续执行；若收敛，则执行步骤A5；
A5，确定气隙的气体浓度：
Figure FDA0003721552370000011
其中，ct为t时刻气隙的气体浓度，Deff为气体扩散系数，β为气体产生速率；
并基于确定的气隙的气体浓度，确定燃料棒内气体压力，判定燃料棒内气体压力是否收敛，若不收敛，则更新参数信息，并根据更新后的参数信息返回步骤A1继续执行；若收敛，则确定包壳的腐蚀情况；
其中，对燃料棒进行性能分析时，第一个时间步的参数由输入文件中的参数进行初始化；
其中，燃料芯块内部的功率分布表示为：
Figure FDA0003721552370000021
其中，Pv为介质单位体积功率分布，∞表示正比于，Φ(r)表示燃料芯块内部中子通量分布，r表示燃料芯块中心距节点的距离，i表示核素编号，
Figure FDA0003721552370000022
表示核素平均裂变截面，C表示核素浓度，E表示核素裂变能；
其中，性能分析结果包括：燃料芯块内部的功率分布、燃料芯块径向的温度分布、包壳的应力和应变、气隙的气体浓度、燃料棒内气体压力和包壳的腐蚀情况中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，其特征在于，主进程与子进程的数目之和与燃料棒的数目一致。
3.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，其特征在于，所述输入文件中包括要进行性能分析的所有燃料棒的参数信息；
不同燃料棒的参数信息之间以空行隔开，且每个燃料棒的参数信息的对应位置、参数名称一致。
4.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，其特征在于，所述燃料芯块径向的温度分布包括：包壳内表面温度、燃料芯块外表面温度和节点温度；
气隙温差＝包壳内表面温度-燃料芯块外表面温度。
5.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件性能并行化处理方法，其特征在于，所述主进程读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中包括：
主进程按照进程顺序号读取所有进程的性能分析文件，并将其写到同一个性能分析文件中，得到所有燃料棒的性能分析结果。
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