CN111209690B - Fcm燃料元件中triso燃料颗粒随机分布的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法，该方法包括如下步骤：1.设定TRISO燃料颗粒个数，燃料元件尺寸，无燃料区宽度，TRISO燃料颗粒的各层半径；2.随机生成TRISO燃料颗粒的球心坐标，并判断该坐标是否在FCM燃料元件界限之内，如不在则重新生成坐标；3.从第i(i>1)个TRISO燃料颗粒开始，判断和之前构建的每个燃料颗粒是否有几何重叠，如重合则重新生成坐标；4.建立TRISO燃料颗粒的多层几何并储存第i个燃料颗粒的坐标；5.判断TRISO燃料颗粒的个数是否满足，如不满足返回步骤2继续生成坐标；6.创建FCM燃料元件几何，运用布尔运算区分燃料元件和TRISO燃料颗粒，建模结束。

Description

FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法

技术领域

本发明涉及TRISO燃料颗粒随机分布建模属于技术领域，具体涉及一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法。

背景技术

全陶瓷微封装(FCM)燃料是一种弥散型燃料元件，是新一代燃料概念耐事故燃料(ATF)中的重要候选方案之一。在结构形式上，FCM燃料元件包含大量三层包覆各向同性(TRISO)燃料颗粒，即TRISO燃料颗粒弥散于基体组成FCM燃料元件。将Buffer(疏松热解碳层)、IPyC(内致密热解碳层)、CVD-SiC(碳化硅层)和OPyC(外致密热解碳层)逐层包裹在燃料核芯的外部，形成TRISO燃料颗粒，再将TRISO颗粒随机的弥散在基体中构成FCM燃料。因此，有必要建立起一套FCM燃料元件建模分析方法以尽可能模拟实际燃料的复杂制造过程，为FCM燃料元件的数值分析提供手段和方法。

国内外研究

近年来，因此国内外研究者选用数值模拟的方法对FCM燃料元件展开建模并在此基础上对其进行燃料性能分析研究。

如文献《D.Schappela,K.Terrani.Modeling the performance of TRISO-basedfully ceramic matrix(FCM)fuel in an LWR environment using BISON.NuclearEngineering and Design 335(2018)116–127.》中，作者采用了一种随机分布的脚本建立了半径4.72mm，高13.5mm的FCM燃料芯块模型，但不足之处在于，为了节省计算资源，将TRISO燃料颗粒的五层结构简化为了单层结构，即只构建出了最外层OPyC的几何，物性也选取外致密热解碳层的物性。这种建模方法虽然实现了FCM燃料元件随机分布，但过于粗糙，不能完全模拟FCM燃料元件的堆内行为。

又如文献《刘振海，李文杰，陈平。FCM燃料热学性能分析，核动力工程，第37卷，第6期，2016年12月》中，作者采用一种三维切片的策略构建了FCM的燃料模型结构，并对FCM燃料元件进行参数化建模，模型中TRISO颗粒以六边形的形式规律弥散于基体中。这种建模方法虽然实现了FCM燃料元件的模型构建，但分布非随机的，且只进行了一个固有厚度切面的建模，仍然不能完全模拟FCM燃料元件的堆内行为。

又如文献《尹文，祖铁军，贺清明。全陶瓷微密封燃料有效多群截面计算方法研究，FCM燃料热学性能分析，原子能科学技术，第53卷第7期，2019年7月》中，作者利用丹可夫修正因子等价得到FCM燃料组件各燃料棒的等效一维棒模型，对一维棒模型求解超细群慢化方程从而得到共振能量段的有效自屏截面。这种建模方法是反应堆物理计算时的简化，在对FCM燃料进行燃料分析时，该简化方法并不可取。

综上所述，国内外针对FCM燃料的研究文献较少，且针对FCM燃料元件的建模方法均存在一定的局限性，对于TRISO燃料颗粒几何的处理较为粗糙，不能完全模拟FCM燃料元件的几何结构和堆内行为。为了提高燃料分析程序时的可靠性和在燃料设计中的计算精度，针对FCM燃料元件开发一种随机分布建模方法的十分必要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法，该方法适用于核反应堆中所有涉及到的TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件，通过一种优化随机的策略实现对FCM燃料元件的全三维建模。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法，通过一种优化随机的策略实现对FCM燃料元件的全三维建模，该建模方法适用于核反应堆中所有涉及到的TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件；该建模方法能够实现不同无燃料区宽度下，FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布建模，具体步骤如下：

步骤1：设定基体内TRISO燃料颗粒的个数，颗粒个数不超过1000；设定FCM燃料元件的尺寸，设定无燃料区宽度，设定TRISO燃料颗粒的各层半径；在对TRISO燃料颗粒建模时，将TRISO燃料颗粒原有的五层结构简化为三层，分别为内致密热解碳层IPyC、碳化硅层CVD-SiC和外致密热解碳层OPyC，以减小建模方法实施过程中的网格生成代价；

步骤2：通过调用随机分布方法，生成TRISO燃料颗粒的球心坐标，并判断该球心坐标是否在FCM燃料元件的界限之内，如不在则重新生成球心坐标；该随机分布方法的主体为JAVA语言中的Math.Random函数，该函数能够返回带正号的双精度值，该值大于等于0.0且小于1.0，即取值范围是[0.0,1.0)的左闭右开区间，随机分布函数的公式为:

x_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (1)

y_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (2)

z_i＝Math.random()*P_H (3)

式中：

x_i——x_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_i——y_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_i——z_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

Math.random()——随机函数，其范围为[0.0,1.0)；

P_R——FCM燃料元件的半径；

P_H——FCM燃料元件的高度；

判断TRISO燃料颗粒的坐标是否在FCM燃料元件界限之内的公式为：

z_i-r_i＜d (5)

z_i+r_i＞P_H-d (6)

式中：

r_i——r_i表示第i个TRISO燃料颗粒最外层的半径；

d——无燃料区宽度；

步骤3：从第i个TRISO燃料颗粒开始，判断和之前所有燃料颗粒是否有几何重叠，i>1，如重叠则重新生成坐标；判断是否有几何重叠方法为：建立循环算法，分别计算第i个TRISO燃料颗粒和之前构建的每个TRISO燃料颗粒的球心距，若球心距大于两TRISO燃料颗粒最外层的半径之和，则判定为无几何重叠，执行步骤4，否则返回重新生成球心坐标，判定公式为：

式中：

x_n——x_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_n——y_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_n——z_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

r_n——r_n表示第n个TRISO燃料颗粒的最外层半径；

步骤4：建立TRISO燃料颗粒的多层几何并储存第i个燃料颗粒的坐标；

步骤5：判断TRISO燃料颗粒的个数是否满足步骤1中设定的燃料颗粒的个数，，如不满足返回步骤2继续生成球心坐标，如满足，则进行步骤6；

步骤6：创建FCM燃料元件的几何，运用布尔运算中的差集，区分FCM燃料元件和TRISO燃料颗粒，建模结束。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明建模方法适用于核反应堆FCM燃料元件，对FCM燃料元件进行全三维建模，能够实现不同无燃料区宽度下TRISO燃料颗粒在基体内的随机分布。

2、简化了TRISO燃料颗粒的层数，但同时保留了反应堆运行过程中和基体接触的三层结构，能够保证模拟燃料行为时的模型精度和结果的精确性。

3、本发明方法不限制几何模型，其随机分布策略和方法能够推广到其他核反应堆中所有涉及到的TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件，通用性较广。

4、模型独立，方法创新，本发明方法为参数化建模方法，只需要根据算法改变相关参数就可以改变计算模型，获得不同几何下计算结果。

本发明提出的一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒的随机分布建模方法适用于核反应堆FCM燃料的建模，但本发明中提到的思想和方法同样适用于核反应堆中所有涉及到的TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件。

附图说明

图1为FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒的随机分布建模方法流程图。

图2a和图2b分别为FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒的随机分布示意图和FCM燃料元件截面图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做出进一步详细描述，本发明中提出的建模方法包括如下步骤：

步骤1：设定基体内TRISO燃料颗粒的个数，颗粒个数不超过1000；设定FCM燃料元件的尺寸，设定无燃料区宽度，设定TRISO燃料颗粒的各层半径；在对TRISO燃料颗粒建模时，将TRISO燃料颗粒原有的五层结构简化为三层，分别为IPyC/内致密热解碳层、CVD-SiC/碳化硅层和OPyC/外致密热解碳层，以减小建模方法实施过程中的网格生成代价；

步骤2：通过调用随机分布方法，生成TRISO燃料颗粒的球心坐标，并判断该球心坐标是否在FCM燃料元件的界限之内，如不在则重新生成球心坐标；该随机分布方法的主体为JAVA语言中的Math.Random函数，该函数能够返回带正号的双精度值，该值大于等于0.0且小于1.0，即取值范围是[0.0,1.0)的左闭右开区间，随机分布函数的公式为:

x_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (1)

y_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (2)

z_i＝Math.random()*P_H (3)

式中：

x_i——x_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_i——y_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_i——z_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

Math.random()——随机函数，其范围为[0.0,1.0)；

P_R——FCM燃料元件的半径；

P_H——FCM燃料元件的高度；

判断TRISO燃料颗粒的坐标是否在FCM燃料元件界限之内的公式为：

z_i-r_i＜d (5)

z_i+r_i＞P_H-d (6)

式中：

r_i——r_i表示第i个TRISO燃料颗粒最外层的半径；

d——无燃料区宽度；

步骤3：从第i个TRISO燃料颗粒开始，判断和之前所有燃料颗粒是否有几何重叠，i>1，如重叠则重新生成坐标；判断是否有几何重叠方法为：建立循环算法，分别计算第i个TRISO燃料颗粒和之前构建的每个TRISO燃料颗粒的球心距，若球心距大于两TRISO燃料颗粒最外层的半径之和，则判定为无几何重叠，执行步骤4，否则返回重新生成球心坐标，判定公式为：

式中：

x_n——x_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_n——y_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_n——z_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

r_n——r_n表示第n个TRISO燃料颗粒的最外层半径；

步骤4：建立TRISO燃料颗粒的多层几何并储存第i个燃料颗粒的坐标；

步骤5：判断TRISO燃料颗粒的个数是否满足步骤1中设定的燃料颗粒的个数，如不满足返回步骤2继续生成球心坐标，如满足，则进行步骤6；

步骤6：创建FCM燃料元件的几何，运用布尔运算中的差集，区分FCM燃料元件和TRISO燃料颗粒，建模结束。

本发明涉及的建模方法最终能够实现不同无燃料区宽度下，FCM燃料芯块的TRISO颗粒随机分布三维建模。

图2a为根据此随机分布建模方法建立的FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒的随机分布的模型，为了直观地显示出TRISO燃料颗粒的随机分布状态，模型中隐藏了基体的几何。图2b为FCM燃料元件截面，FCM燃料元件外层为无燃料区，在此部分内没有TRISO燃料颗粒，在FCM燃料元件内部，TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布的建模方法，通过一种优化随机的策略实现对FCM燃料元件的全三维建模，该建模方法适用于核反应堆中所有涉及到的TRISO燃料颗粒弥散于基体构成的FCM燃料元件；该建模方法能够实现不同无燃料区宽度下，FCM燃料元件中TRISO燃料颗粒随机分布建模，具体步骤如下：

步骤1：设定基体内TRISO燃料颗粒的个数，颗粒个数不超过1000；设定FCM燃料元件的尺寸，设定无燃料区宽度，设定TRISO燃料颗粒的各层半径；在对TRISO燃料颗粒建模时，将TRISO燃料颗粒原有的五层结构简化为三层，分别为内致密热解碳层IPyC、碳化硅层CVD-SiC和外致密热解碳层OPyC，以减小建模方法实施过程中的网格生成代价；

步骤2：通过调用随机分布方法，生成TRISO燃料颗粒的球心坐标，并判断该球心坐标是否在FCM燃料元件的界限之内，如不在则重新生成球心坐标；该随机分布方法的主体为JAVA语言中的Math.Random函数，该函数能够返回带正号的双精度值，该值大于等于0.0且小于1.0，即取值范围是[0.0,1.0)的左闭右开区间，随机分布函数的公式为:

x_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (1)

y_i＝(2.0*Math.random()-1.0)*P_R (2)

z_i＝Math.random()*P_H (3)

式中：

x_i——x_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_i——y_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_i——z_i表示第i个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

Math.random()——随机函数，其范围为[0.0,1.0)；

P_R——FCM燃料元件的半径；

P_H——FCM燃料元件的高度；

判断TRISO燃料颗粒的坐标是否在FCM燃料元件界限之内的公式为：

z_i-r_i＜d (5)

z_i+r_i＞P_H-d (6)

式中：

r_i——r_i表示第i个TRISO燃料颗粒最外层的半径；

d——无燃料区宽度；

步骤3：从第i个TRISO燃料颗粒开始，判断和之前所有燃料颗粒是否有几何重叠，i>1，如重叠则重新生成坐标；判断是否有几何重叠方法为：建立循环算法，分别计算第i个TRISO燃料颗粒和之前构建的每个TRISO燃料颗粒的球心距，若球心距大于两TRISO燃料颗粒最外层的半径之和，则判定为无几何重叠，执行步骤4，否则返回重新生成球心坐标，判定公式为：

式中：

x_n——x_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的x方向坐标；

y_n——y_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的y方向坐标；

z_n——z_n表示第n个TRISO燃料颗粒直角坐标系下的z方向坐标；

r_n——r_n表示第n个TRISO燃料颗粒的最外层半径；

步骤4：建立TRISO燃料颗粒的多层几何并储存第i个燃料颗粒的坐标；

步骤5：判断TRISO燃料颗粒的个数是否满足步骤1中设定的燃料颗粒的个数，如不满足返回步骤2继续生成球心坐标，如满足，则进行步骤6；

步骤6：创建FCM燃料元件的几何，运用布尔运算中的差集，区分FCM燃料元件和TRISO燃料颗粒，建模结束。

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