CN111291494B - 用于核反应堆triso燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法 - Google Patents

Abstract

用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法，步骤如下：1、建立零维中子燃耗模型，建立一维几何模型，建立三维几何模型；2、在不同尺度设置求解域，初始条件和边界条件；3、在每个时间步长完成中子燃耗计算，在燃料芯块一维几何模型中初步计算裂变气体释放量，在燃料颗粒三维几何模型中完成传热和力学的初步计算；4、使用步骤3燃料芯块一维几何模型中计算结果作为下一时间步长的燃料颗粒三维几何模型中的计算输入，使用步骤3燃料颗粒三维几何模型中的计算结果作为下一时间步长的燃料芯块一维几何模型中的计算输入，传热和力学的计算结果相互传递；5、重复步骤4的耦合过程直到计算收敛，否则应返回至步骤3直至计算收敛。

Description

用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟 方法

技术领域

本发明属于方法发明技术领域，具体涉及到一种用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法。

背景技术

为了提高反应堆在事故工况下的安全性能，新一代燃料的性能分析是研发过程中的关键技术内容之一。在多种燃料设计方案中，弥散型燃料元件具有多重有效屏障(TRISO颗粒和基体)来加强裂变产物包容能力，因此弥散型燃料是重要耐事故燃料候选方案之一。在弥散型燃料元件中，TRISO燃料颗粒弥散于基体组成柱状芯块，在辐照条件下，需要考虑中子燃耗、裂变气体释放行为、热学性能(如间隙导热、温度分布)、力学性能(如应力分布状态)所产生的影响。各行为和物理场间相互影响，对其进行耦合方法研究对TRISO燃料的设计与安全分析具有重要意义。而对核燃料进行堆内或堆外试验，成本高，周期长，因此，有必要建立起一套多尺度、多物理场燃料设计分析方法以尽可能模拟实际核燃料的复杂情况，分析辐照条件下TRISO燃料颗粒的核-热-力性能及其关键影响因素，为燃料的设计和优化提供必要工具。

国内外研究

由于实际运行过程中，反应堆燃料元件涉及的物理现象复杂，实验研究成本很高，周期较长，因此国内外研究者首先选用数值模拟的方法对TRISO颗粒的辐照行为特性进行研究。

目前国内外大部分燃料分析程序都采用一维球对称假设针对单个燃料颗粒进行性能分析。这种方法无法获得燃料颗粒中重要的三维物理场详细信息，而且会导致整体预测结果出现偏差。为了获得更加精确的结果，部分燃料分析程序如美国开发的BISON程序中添加了三维计算分析模块，但在其程序中简化了燃料芯块尺度下的裂变气体释放行为并采用了大量经验公式，因此精度有限。

近年来，INL、TU DELFT、CEA、BNFL&NS、MIT、GA和JAERI等机构均开发了用于TRISO辐照行为特性的燃料分析程序。这些燃料分析程序多基于有限元(FEA)方法，但其在计算维度、耦合方法、模型和公式的选择上各不相同。参考文献《J.J.Powers,B.D.Wirth.A reviewof TRISO fuel performance models.Journal of Nuclear Materials,405,2010,74–82.》所述。

美国爱达荷国家实验室INL开发PARFUME程序，该程序可进行球床堆中采用的TRISO燃料颗粒辐照行为分析。PARFUME程序中的传热模块采用的是一维有限差分方法，仅在一维尺度有封闭形式的解，因此只能预测燃料整体的破损。同时PARFUME程序通过使用ABAQUS软件计算的三维结果来辅助一维模型。

MIT开发的TIMCOAT程序和TU Delft开发的PASTA程序都是基于PARFUME代码开发的。TIMCOAT程序在裂变气体模型的选取上较为粗糙，PASTA可以进行TRISO颗粒的一维的应力分析。但一维程序均无法获得燃料颗粒中重要的三维物理场详细信息。

法国CEA基于有限元方法开发了ATLAS燃料分析程序。ATLAS可以通过有限元方法进行三维燃料分析。ATLAS和PARFUME的性能相近。

英国BNFL&NS开发了重点关注燃料颗粒应力分布状态的程序STRESS3。该程序对于核燃料的裂变气体释放行为和传热行为，分析能力有限。

德国GA开发FZJ程序的和日本JAERI开发的JAERI程序都只专注于力学模块的计算，均没有位移计算的模块，并且程序中的传热模块只采用简单的辐照温度输入。

近年来美国开发的BISON程序具备了燃料颗粒性能的三维分析能力，能够计算典型体积装载比下的TRISO燃料颗粒在SiC基体中随机分布的情况。但程序中仍然只采用简单裂变气体释放行为公式。

除了以上自主开发的程序之外，国内研究者主要基于商用有限元软件如ABAQUS和COMSOL进行二次开发并进行TRISO颗粒的燃料性能分析。中国核动力研究设计院陈平等人采用COMSOL软件开展了TRISO燃料颗粒三维多物理场耦合计算模型开发。复旦大学丁淑蓉等人基于ABAQUS分析了TRISO燃料颗粒的应力分布情况。

综上所述，国外在TRISO颗粒燃料分析程序开发方面具有较好的基础，且开发出了以PARFUME和BISON为代表的商用程序，但是这些程序开发年代较早，模型和分析方法存在缺陷。国内已有研究的重点集中在TRISO燃料颗粒的力学特性，且多为单一维度下的研究。此外国内外已有程序对于裂变气体行为的处理较为粗糙，基本采用单一边界条件，未能将燃料芯块和燃料颗粒真正耦合起来。为了提高TRISO颗粒燃料分析程序在燃料组件设计中的精度，以保证其在运行过程中的安全性和经济性，对其进行多尺度多物理场的耦合计算十分必要。

发明内容

为了解决上述问题，能够满足多尺度、多物理现象分析的程序耦合方法便成为了一个最佳方案。本发明提供了一种用于核反应堆TRISO(三包覆层各向同性)燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法，针对核反应堆TRISO燃料颗粒中的裂变气体释放行为、传热行为和力学行为，在不同维度对燃料芯块和燃料颗粒分别进行模拟计算，通过不同物理场之间边界参数的传递实现多维度，多物理场的燃料性能耦合分析。该方法通过合理假设和边界设置，将TRISO颗粒燃料分析中涉及的不同物理场在不同维度的优点综合在一起，在极大的提高计算效率的同时获得准确而详尽的反应堆中热工水力参数。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：(1)通过体积裂变率、初始燃料密度和时间建立零维中子燃耗计算模型，建立零维计算域，即只有时间项，不建立几何实体；(2)建立燃料芯块一维几何模型以计算裂变气体释放量，具体方法为：假设燃料芯块为理想球体，设定球对称坐标系，为减少计算消耗，消除球对称坐标系中的仰角及方位角两个空间角度坐标，建立一维计算域，同时划分节点网格；(3)建立燃料颗粒三维几何模型以计算传热和力学行为，建立三维计算域，同时划分全结构化网格即六面体网格，具体方法为：在球状燃料颗粒中心构建边长为10微米的小正方体，连接小正方体的体心即球心和正方体的八个端点，延伸这八条直线至球面，则小正方体的六个面和延伸线构成的切面将会把球状燃料颗粒分割成6个同样大小的六面体，在此基础上实现对燃料颗粒全结构化网格的建立；

步骤2：在不同尺度设置求解域、初始条件和边界条件；(1)零维中子燃耗计算模型的参数设置包括体积裂变率、初始燃料密度、瞬态运行时间和时间步长；(2)在燃料芯块一维几何模型中，设置的参数包括气体原子扩散系数、晶粒半径、气泡半径、晶界气泡覆盖率、晶界气泡密度、温度、体积裂变率、每次裂变产生的气体原子数、晶内扩散系数和静水压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中，设置传热和力学两个物理场求解域，根据实际计算对象设置初始条件和边界条件，其中初始条件包括燃料颗粒的半径和热源功率，边界条件包括边界温度、力学约束的位置和边界压力；

步骤3：(1)在每个时间步长完成中子燃耗计算；(2)在燃料芯块一维几何模型中，计算初步的裂变气体释放量，采用的裂变气体行为公式计算，在每个节点中计算燃料芯块裂变气体释放量，并积分得到裂变气体释放总量，根据裂变气体释放总量计算出气体换热系数，根据理想气体状态方程公式计算出气体释放量对应的气隙压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中通过求解统一形式的控制方程实现计算的全耦合，完成传热和力学行为的初步计算，其中传热计算包括三维温度场分布、热通量，力学行为计算包括位移、辐照变形量、三维应力应变分布；

步骤4：使用步骤3在燃料芯块一维几何模型中计算裂变气体行为得到的气体换热系数和气隙压力分别作为下一时间步长的燃料颗粒三维几何模型中传热和力学计算输入；使用步骤3燃料颗粒三维几何模型中中传热计算得到的芯块平均温度和力学计算得到的辐照变形量作为下一时间步长的在燃料芯块一维几何模型中裂变气体释放量计算输入；传热和力学的结果相互传递，进行下一时间步长的热-力耦合；

步骤5：在由步骤2设定的瞬态运行时间内，重复步骤4的耦合过程，由相邻两个时间步结果的相对误差判断计算是否收敛，如不收敛则应返回至步骤3重新计算；如计算收敛，输出结果；

最终能够获得稳态和瞬态下燃料芯块的裂变气体释放量，同时能够获得TRISO燃料颗粒全三维的温度及力学参数场。

最终能够获得稳态和瞬态下燃料芯块的裂变气体释放量，同时能够获得TRISO燃料颗粒全三维的温度及力学参数场。

所述的步骤5，当相邻两个时间步结果的相对误差小于等于0.01时，计算收敛。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法，对燃料芯块进行一维建模的同时对燃料颗粒进行三维建模，综合考虑了燃料分析计算的精确性和效率。能够实现一维与三维多尺度耦合，能够实现核-热-力多物理场耦合。

2、通过对燃料芯块几何进行简化，减小工作量，同时能够保证裂变气体释放行为结果的精确性。

3、模型独立，方法创新，可根据计算精度要求选择不同的空间离散方法以及不同类型的求解器。

4、该耦合方法在每个时间步长计算结束后交换边界参数，实现简单，程序耦合完成后，只需要设置相关参数就可以改变计算模型，获得不同工况下计算结果。

本发明提出的多尺度多物理场耦合模拟方法适用于核反应堆TRISO燃料颗粒中物理现象模拟，但本发明中提到的思想和方法同样适用于核燃料领域中所有涉及到的以包覆型颗粒为基本燃料单元的各类弥散型燃料元件。

附图说明

图1为TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法流程图。

图2为耦合跨尺度建模和物理场示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做出进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法包括如下步骤：

步骤1：(1)通过体积裂变率、初始燃料密度和时间建立零维中子燃耗计算模型，建立零维计算域，即只有时间项，不建立几何实体；(2)建立燃料芯块一维几何模型以计算裂变气体释放量，具体方法为：假设燃料芯块为理想球体，设定球对称坐标系，为减少计算消耗，消除球对称坐标系中的仰角及方位角两个空间角度坐标，建立一维计算域，同时划分节点网格；(3)建立燃料颗粒三维几何模型以计算传热和力学行为，建立三维计算域，同时划分全结构化网格即六面体网格，具体方法为：在球状燃料颗粒中心构建边长为10微米的小正方体，连接小正方体的体心即球心和正方体的八个端点，延伸这八条直线至球面，则小正方体的六个面和延伸线构成的切面将会把球状燃料颗粒分割成6个同样大小的六面体，在此基础上实现对燃料颗粒全结构化网格的建立；

步骤2：在不同尺度设置求解域、初始条件和边界条件；(1)零维中子燃耗计算模型的参数设置包括体积裂变率、初始燃料密度、瞬态运行时间和时间步长；(2)在燃料芯块一维几何模型中，设置的参数包括气体原子扩散系数、晶粒半径、气泡半径、晶界气泡覆盖率、晶界气泡密度、温度、体积裂变率、每次裂变产生的气体原子数、晶内扩散系数和静水压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中，设置传热和力学两个物理场求解域，根据实际计算对象设置初始条件和边界条件，其中初始条件包括燃料颗粒的半径和热源功率，边界条件包括边界温度、力学约束的位置和边界压力；

步骤3：(1)在每个时间步长完成中子燃耗计算；(2)在燃料芯块一维几何模型中，计算初步的裂变气体释放量，采用的裂变气体行为公式计算，在每个节点中计算燃料芯块裂变气体释放量，并积分得到裂变气体释放总量，根据裂变气体释放总量计算出气体换热系数，根据理想气体状态方程公式计算出气体释放量对应的气隙压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中通过求解统一形式的控制方程实现计算的全耦合，完成传热和力学行为的初步计算，其中传热计算包括三维温度场分布、热通量，力学行为计算包括位移、辐照变形量、三维应力应变分布；

步骤4：使用步骤3在燃料芯块一维几何模型中计算裂变气体行为得到的气体换热系数和气隙压力分别作为下一时间步长的燃料颗粒三维几何模型中传热和力学计算输入；使用步骤3燃料颗粒三维几何模型中中传热计算得到的芯块平均温度和力学计算得到的辐照变形量作为下一时间步长的在燃料芯块一维几何模型中裂变气体释放量计算输入；传热和力学的结果相互传递，进行下一时间步长的热-力耦合；

步骤5：在由步骤2设定的瞬态运行时间内，重复步骤4的耦合过程，由相邻两个时间步结果的相对误差小于等于0.01时，计算收敛，输出结果，如不收敛则应返回至步骤3重新计算。

结合图2给出的耦合跨尺度建模和物理场示意图，进一步解释本发明主要涉及的模型和行为：

针对核反应堆TRISO燃料颗粒中的裂变气体释放行为、传热行为和力学行为，在不同维度对燃料芯块和燃料颗粒分别进行模拟计算，通过不同物理场之间边界参数的传递实现多维度，多物理场的燃料性能耦合分析。

其中通过1D-燃料芯块尺度建模，计算燃料芯块中的裂变气体释放行为，通过3D-TRISO燃料颗粒的建模，计算燃料颗粒的传热和力学行为。

通过不同维度、不同物理场之间边界参数的传递，实现物理场之间的耦合。传递的参数包括：气体换热系数、气隙压力、芯块平均温度、辐照变形。最终能够获得稳态和瞬态下燃料芯块的裂变气体释放量，同时能够获得TRISO燃料颗粒全三维的温度及力学参数场。

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 (2)

1.一种用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法，其特征在于：针对核反应堆TRISO燃料颗粒中的裂变气体释放行为、传热行为和力学行为，在不同维度对中子燃耗、燃料芯块和燃料颗粒分别进行模拟计算，通过不同物理场之间边界参数的传递实现多尺度、多物理场的燃料性能耦合分析；具体步骤如下：

步骤1：(1)通过体积裂变率、初始燃料密度和时间建立零维中子燃耗计算模型，建立零维计算域，即只有时间项，不建立几何实体；(2)建立燃料芯块一维几何模型以计算裂变气体释放量，具体方法为：假设燃料芯块为理想球体，设定球对称坐标系，为减少计算消耗，消除球对称坐标系中的仰角及方位角两个空间角度坐标，建立一维计算域，同时划分节点网格；(3)建立燃料颗粒三维几何模型以计算传热和力学行为，建立三维计算域，同时划分全结构化网格即六面体网格，具体方法为：在球状燃料颗粒中心构建边长为10微米的小正方体，连接小正方体的体心即球心和正方体的八个端点，延伸这八条直线至球面，则小正方体的六个面和延伸线构成的切面将会把球状燃料颗粒分割成6个同样大小的六面体，在此基础上实现对燃料颗粒全结构化网格的建立；

步骤2：在不同尺度设置求解域、初始条件和边界条件；(1)零维中子燃耗计算模型的参数设置包括体积裂变率、初始燃料密度、瞬态运行时间和时间步长；(2)在燃料芯块一维几何模型中，设置的参数包括气体原子扩散系数、晶粒半径、气泡半径、晶界气泡覆盖率、晶界气泡密度、温度、体积裂变率、每次裂变产生的气体原子数、晶内扩散系数和静水压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中，设置传热和力学两个物理场求解域，根据实际计算对象设置初始条件和边界条件，其中初始条件包括燃料颗粒的半径和热源功率，边界条件包括边界温度、力学约束的位置和边界压力；

步骤3：(1)在每个时间步长完成中子燃耗计算；(2)在燃料芯块一维几何模型中，计算初步的裂变气体释放量，采用的裂变气体行为公式计算，在每个节点中计算燃料芯块裂变气体释放量，并积分得到裂变气体释放总量，根据裂变气体释放总量计算出气体换热系数，根据理想气体状态方程公式计算出气体释放量对应的气隙压力；(3)在燃料颗粒三维几何模型中通过求解统一形式的控制方程实现计算的全耦合，完成传热和力学行为的初步计算，其中传热计算包括三维温度场分布、热通量，力学行为计算包括位移、辐照变形量、三维应力应变分布；

步骤4：使用步骤3在燃料芯块一维几何模型中计算裂变气体行为得到的气体换热系数和气隙压力分别作为下一时间步长的燃料颗粒三维几何模型中传热和力学计算输入；使用步骤3燃料颗粒三维几何模型中传热计算得到的芯块平均温度和力学计算得到的辐照变形量作为下一时间步长的在燃料芯块一维几何模型中裂变气体释放量计算输入；传热和力学的结果相互传递，进行下一时间步长的热-力耦合；

步骤5：在由步骤2设定的瞬态运行时间内，重复步骤4的耦合过程，由相邻两个时间步结果的相对误差判断计算是否收敛，如不收敛则应返回至步骤3重新计算；如计算收敛，输出结果；

最终能够获得稳态和瞬态下燃料芯块的裂变气体释放量，同时能够获得TRISO燃料颗粒全三维的温度及力学参数场。

2.根据权利要求1所述的一种用于核反应堆TRISO燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法，其特征在于：所述的步骤5，当相邻两个时间步结果的相对误差小于等于0.01时，计算收敛。

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