CN112964748B - 熔融池的形态确定方法、装置及电子设备 - Google Patents

熔融池的形态确定方法、装置及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种熔融池的形态确定方法、装置及电子设备，涉及核反应堆技术领域，上述熔融池的形态确定方法包括以下步骤：基于重金属层、氧化层与轻金属层之间的换热关系计算确定轻金属层的底部温度，得到第一温度；基于轻金属层与压力容器之间的辐射换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第二温度；基于第一温度和第二温度确定熔融池的传热方式；传热方式包括重金属层向氧化层传递热量，及氧化层向重金属层传递热量；基于传热方式确定氧化层的形态；其中，氧化层的形态包括熔融态和固态。本发明通过确定氧化层的形态可以提升熔融池传热计算的准确性，进而提升核能系统传热过程分析的可靠性。

Description

熔融池的形态确定方法、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其是涉及一种熔融池的形态确定方法、装置及电子设备。
背景技术
自核能发展之初，核安全就一直是公众关注的焦点，安全分析一直以来都是核能科学研究的重点，制定严重事故缓解措施，缓解、减轻堆芯熔融严重后果，是核反应堆严重事故研究的重要内容。目前核电站主要采用熔融物堆内滞留策略处理堆芯熔融物，对于具有完整压力容器下封头结构的反应堆，利用压力容器外部流道冷却技术带走下封头内部熔融物衰变热，保持下封头完整性。当前的商用轻水堆严重事故分析中认为下封头熔融物碎片最终会形成稳态熔融池，一般包括两层或三层结构，两层熔融池包括上部金属层和下部氧化层，三层熔融池结构包括上部轻金属层、中部氧化层和下部重金属层。
反应堆严重事故下压力容器及熔融池的传热过程分析是严重事故缓解措施中的重要环节，当熔融池中重金属层较厚时，不同内热源与热量传递能力可能导致熔融池处于不同形态，氧化层是否凝固与氧化层内热源、重金属层向上传递热量密切相关，然而，现有的熔融池传热分析是直接对熔融池进行传热计算的，忽略了对熔融池形态的判断。因此，现有的核能系统传热分析还存在可靠性较差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种熔融池的形态确定方法、装置及电子设备，能够提升熔融池传热计算的准确性，进而提升核能系统传热过程分析的可靠性。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种熔融池的形态确定方法，所述熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，所述熔融池位于压力容器中，所述方法包括：基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度；基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式；所述传热方式包括所述重金属层向所述氧化层传递热量，及所述氧化层向所述重金属层传递热量；基于所述传热方式确定所述氧化层的形态；其中，所述氧化层的形态包括熔融态和固态。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度的步骤，包括：将所述重金属层的顶部温度作为所述重金属层的最大温度；基于所述重金属层的最大温度及第一计算算式确所述氧化层的顶部温度；其中，所述第一计算算式为：
Figure BDA0002916546630000021
Tp,t为所述氧化层的顶部温度，Qp为所述氧化层的释热率，hp为所述氧化层的高度，kp为所述氧化层的热导率，Th,max为所述重金属层的最大温度；将所述氧化层的顶部温度作为所述轻金属层的底部温度，得到第一温度。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度的步骤，包括：对所述轻金属层顶部与所述压力容器进行辐射换热计算，确定所述轻金属层的顶部温度及所述轻金属层的顶部热流密度；基于所述轻金属层的顶部温度、所述轻金属层的顶部热流密度及第二计算算式确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；其中，所述第二计算算式为：
Figure BDA0002916546630000031
Tm,b为所述轻金属层的底部温度，Tm,t为所述轻金属层的顶部温度，qm,t为所述轻金属层的顶部热流密度，hm为所述轻金属层的高度，km为所述轻金属层的热导率。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式的步骤，包括：当所述第一温度大于所述第二温度时，确定所述熔融池的传热方式为所述氧化层向所述重金属层传递热量；当所述第一温度小于所述第二温度时，确定所述熔融池的传热方式为所述重金属层向所述氧化层传递热量。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基于所述传热方式确定所述氧化层的形态的步骤，包括：当所述传热方式为所述重金属层向所述氧化层传递热量时，确定所述氧化层的状态为固态；当所述传热方式为所述氧化层向所述重金属层传递热量时，获取所述氧化层的最大温度，基于所述氧化层的最大温度确定所述氧化层的形态。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述获取所述氧化层的最大温度，基于所述氧化层的最大温度确定所述氧化层的形态的步骤，包括：确定所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额；基于所述传递份额及所述第三计算算式确定所述氧化层的最大温度；其中，所述第三计算算式为：
Figure BDA0002916546630000041
Tp,max为所述氧化层的最大温度，Th,t为所述重金属层的顶部温度，fph为所述传递份额，Qp为所述氧化层的释热率，hp为所述氧化层的高度，kp为所述氧化层的热导率；当所述氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为熔融态；当所述氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为固态。
进一步，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述确定所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额的步骤，包括：步骤a，将所述传递份额的取值范围中的最大值作为目标传递份额；步骤b，获取氧化层的底部温度，基于所述氧化层的底部温度及所述目标传递份额确定所述轻金属层的底部温度，得到第三温度；步骤c，计算所述第三温度与所述第二温度的温度差值，当所述温度差值未处于预设差值范围内时，将所述目标传递份额减小预设数值，得到新的目标传递份额；重复执行上述步骤b～步骤c，直至所述温度差值处于所述预设差值范围内，得到所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额。
第二方面，本发明实施例还提供了一种熔融池的形态确定装置，所述熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，所述熔融池位于压力容器中，所述装置包括：第一确定模块，用于基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度；第二确定模块，用于基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；方式确定模块，用于基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式；所述传热方式包括所述重金属层向所述氧化层传递热量，及所述氧化层向所述重金属层传递热量；形态确定模块，用于基于所述传热方式确定所述氧化层的形态；其中，所述氧化层的形态包括熔融态和固态。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：处理器和存储装置；所述存储装置上存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时执行如第一方面任一项所述的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面任一项所述的方法的步骤。
本发明实施例提供了一种熔融池的形态确定方法、装置及电子设备，熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，熔融池位于压力容器中，该方法主要包括：基于重金属层、氧化层与轻金属层之间的换热关系计算确定轻金属层的底部温度，得到第一温度；基于轻金属层与压力容器之间的辐射换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第二温度；基于第一温度和第二温度确定熔融池的传热方式；传热方式包括重金属层向氧化层传递热量，及氧化层向重金属层传递热量；基于传热方式确定氧化层的形态；其中，氧化层的形态包括熔融态和固态。本发明通过对熔融池进行换热计算，并对轻金属层和压力容器进行辐射换热计算，可以确定熔融池中氧化层与重金属层的传热方式，通过重金属层与氧化层之间的热量传递方式，可以确定氧化层的形态，由于氧化层形态对熔融池及压力容器的传热过程有重要影响，通过确定氧化层的形态可以提升熔融池传热计算的准确性，进而提升核能系统传热过程分析的可靠性。
本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种三层熔融池结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种熔融池的形态确定方法流程图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种固态氧化层温度分布图；
图4a示出了本发明实施例所提供的一种氧化层最高温度位于右侧时的温度分布图；
图4b示出了本发明实施例所提供的一种氧化层最高温度位于左侧时的温度分布图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种反应堆三层熔融池结构热流密度分布图；
图6示出了本发明实施例所提供的一种熔融池的形态确定装置结构示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
目前，当共晶析出重金属铀较多时，下部重金属层较厚，内热源主要集中在下部熔融池，倾向于从压力容器壁面传递，可能导致氧化层与金属层凝固，形成非典型三层结构，参见如图1所示的三层熔融池结构示意图，三层熔融池包括下部重金属层、中间氧化层、上部轻金属层，重金属层中有共晶析出重金属铀、不锈钢、锆合金，衰变热形成内热源，衰变热与氧化层热量传递加热重金属层，氧化层、轻金属层与两层结构类似。一般认为重金属铀析出量较少，重金属层较薄，重金属铀换热性能好，重金属层热量仅通过压力容器内壁面传递。当重金属层较厚时，不同内热源与热量传递能力可能导致熔融池处于不同形态，氧化层是否凝固与氧化层内热源、重金属层向上传递热量密切相关，然而，现有的熔融池传热分析是直接对熔融池进行传热计算的，忽略了对熔融池形态的判断。因此，现有的核能系统传热分析还存在可靠性较差的问题。为改善此问题，本发明实施例提供的一种熔融池的形态确定方法、装置及电子设备，该技术可应用于提升核能系统传热过程分析的可靠性。以下对本发明实施例进行详细介绍。
本实施例提供了一种熔融池的形态确定方法，如图1所示，该熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，熔融池位于压力容器中，该方法可以由诸如计算机等电子设备执行，参见图2所示的熔融池的形态确定方法流程图，该方法主要包括以下步骤S202～步骤S208：
步骤S202，基于重金属层、氧化层与轻金属层之间的换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第一温度。
在确定重金属层与氧化层之间的热量传递关系时，可以先假设重金属层与氧化层之间没有热量传递，氧化层的温度分布抛物线顶点在重金属层与氧化层接触面，重金属层最大温度等于其顶部温度，氧化层顶部温度等于金属层底部温度，基于重金属换热关系计算得到轻金属层的底部温度，记为第一温度。
步骤S204，基于轻金属层与压力容器之间的辐射换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第二温度。
为了确定熔融池的传热方式，使用另一种方式再次计算轻金属层的底部温度。由于轻金属层会向堆芯上部空间进行辐射换热，通过轻金属层与堆内构件内表面之间的辐射换热计算，及堆内构件外表面与压力容器上部内表面之间的辐射换热计算，可以计算得到轻金属层的底部温度，记为第二温度。
步骤S206，基于第一温度和第二温度确定熔融池的传热方式。
上述传热方式包括重金属层向氧化层传递热量，及氧化层向重金属层传递热量。通过比较通过重金属层换热计算得到的轻金属层的底部温度(第一温度)与通过辐射换热计算得到的轻金属层的底部温度(第二温度)，可以确定熔融池的传热方式，当第一温度大于第二温度时，表示氧化层向重金属层传递热量，当第二温度大于第一温度时，表示重金属层向氧化层传递热量。
步骤S208，基于传热方式确定氧化层的形态。
氧化层形态与氧化层内热源、重金属层向氧化层热量传递有关，当氧化层内热源足够时，氧化层向轻金属层与重金属层传递热量，氧化层最高温度在氧化层内部，当氧化层最高温度高于氧化层固相线时，形成氧化层熔融池(即氧化层的形态为熔融状态)，具有硬壳结构；当氧化层内热源不足时，重金属层向氧化层传递热量，氧化层最高温度在氧化层底部。轻金属层形态与金属层内热源、氧化层向上热量传递相关，一般认为金属层内热源较低，金属层形态主要与氧化层向上热量传递相关。重金属层最厚，内热源明显，氧化层与轻金属层较薄，轻金属层基本不具有内热源。氧化层形态是熔融池结构的关键，对于较薄固态氧化层与轻金属层，认为是平板导热，可以忽略侧面热量传递。
本实施例提供的上述熔融池的形态确定方法，通过对熔融池进行换热计算，并对轻金属层和压力容器进行辐射换热计算，可以确定熔融池中氧化层与重金属层的传热方式，通过重金属层与氧化层之间的热量传递方式，可以确定氧化层的形态，由于氧化层形态对熔融池及压力容器的传热过程有重要影响，通过确定氧化层的形态可以提升熔融池传热计算的准确性，进而提升核能系统传热过程分析的可靠性。
为了准确计算得到轻金属层的底部温度，本实施例提供了基于重金属层、氧化层与轻金属层之间的换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第一温度的实施方式，具体可参照如下步骤(1)～步骤(3)执行：
步骤(1)：将重金属层的顶部温度作为重金属层的最大温度。
在判断重金属层与氧化层之间的热量传递方式时，利用重金属层的换热关系求解轻金属层的底部温度，可以假设重金属层与氧化层之间没有热量传递，氧化层的温度分布抛物线顶点在重金属层与氧化层接触面，重金属层的最大温度等于其顶部温度，氧化层的顶部温度等于轻金属层的底部温度。
步骤(2)：基于重金属层的最大温度及第一计算算式确氧化层的顶部温度。
将重金属层的最大温度输入上述第一计算算式，可以计算得到氧化层的顶部温度，第一计算算式为：
Figure BDA0002916546630000091
Tp,t为氧化层的顶部温度，Qp为氧化层的释热率，hp为氧化层的高度，kp为氧化层的热导率，Th,max为重金属层的最大温度。由于重金属层的最大温度等于其顶部温度，则：
Figure BDA0002916546630000101
上述氧化层导热率为物性参数，通过查阅物性表可以得到，上述氧化层高度为熔融池的几何参数，可以通过熔融池的几何输入得到。
步骤(3)：将氧化层的顶部温度作为轻金属层的底部温度，得到第一温度。
氧化层与轻金属层中热量传递分别为带内热源平板导热与无内热源平板导热，参见如图3所示的固态氧化层温度分布图，氧化层内温度呈抛物线分布，轻金属层内温度呈线性分布。当重金属层向氧化层传递热量时，氧化层最高温度在重金属层与氧化层接触面，且不是抛物线顶点；当氧化层向重金属层传递热量时，氧化层最高温度在氧化层内部，为抛物线顶点，氧化层与轻金属层接触面仅存在氧化层向轻金属层传递热量。
假设氧化层与重金属层之间没有热量传递，氧化层的顶部温度等于轻金属层的底部温度，在计算得到氧化层的顶部温度后，将氧化层的顶部温度作为轻金属层的底部温度，即：
Figure BDA0002916546630000102
其中，上述Tm,b为轻金属层的底部温度，Th,t为重金属层的顶部温度，Qp为氧化层的体积释热率，hp为氧化层的高度，kp为氧化层的热导率，Tp,t为氧化层的顶部温度，Th,max为重金属层的最大温度。通过上式可以计算得到换热后轻金属层的底部温度，记为第一温度。
为了准确计算得到轻金属层的底部温度，本实施例提供了基于轻金属层与压力容器之间的辐射换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第二温度的实施方式，具体可参照如下步骤1)～步骤2)执行：
步骤1)：对轻金属层顶部与压力容器进行辐射换热计算，确定轻金属层的顶部温度及轻金属层的顶部热流密度。
轻金属层与压力容器进行辐射换热，主要包括两部分，轻金属层顶部与压力容器堆内构件内表面辐射换热，堆内构件外表面与压力容器上部内表面辐射换热，忽略轻金属层顶部与压力容器内上部内表面间辐射换热，简化堆内构件几何形式，将圆筒结构简单考虑为平板导热过程。
轻金属层产生的顶部辐射可以通过以下算式计算：
Figure BDA0002916546630000111
其中，qm，s为轻金属层与堆内构件之间的热流密度，εs为堆内构件的发射率，εm，t为轻金属层的顶部发射率，Tm，t为轻金属层的顶部温度，Ts，in为堆内构件的内侧温度，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，sm，t为轻金属层的顶部表面积，ss为堆内构件的表面积。
堆内构件之间的内部导热，可以近似认为是一维导热，通过对堆内构件进行一维导热计算，可以得到以下算式：
Figure BDA0002916546630000112
其中，δs为堆内构件的厚度，ks为堆内构件的热导率，qs为堆内构件的热流密度，Ts,o为堆内构件的外侧温度。堆内构件外表面与压力容器上部内表面面积近似相等、发射率相同，根据以下算式对堆内构件外表面和压力容器内壁进行辐射换热计算：
Figure BDA0002916546630000113
其中，qs,ves为堆内构件与压力容器内壁面之间的热流密度，Tves,in为压力容器的内壁面温度。将压力容器上部壁面导热近似为一维导热，根据以下算式对压力容器上部壁面进行一维导热计算：
Figure BDA0002916546630000114
其中，qves为压力容器上部壁面的热流密度，kves为压力容器的热导率，Tves，o为压力容器的外侧温度，δves为压力容器的厚度。由于上述换热过程中传递的热量相等，则可以得到以下算式：
qm，tsm,t＝qm,ssm，t＝qsss＝qs，vessves＝qvessves
其中，qm，t为轻金属层的顶部热流密度，qm,s为轻金属层与堆内构件之间的热流密度，qs为堆内构件的热流密度，sves为压力容器上部壁面的表面积。联立上述轻金属层产生的顶部辐射的计算算式、堆内构件一维导热计算算式、堆内构件外表面和压力容器内壁进行辐射换热计算算式、压力容器上部壁面一维导热计算算式及换热过程热量计算算式，可以计算得到轻金属层的顶部温度及轻金属层的顶部热流密度。
步骤2)：基于轻金属层的顶部温度、轻金属层的顶部热流密度及第二计算算式确定轻金属层的底部温度，得到第二温度。
第二计算算式为：
Figure BDA0002916546630000121
其中，
qm,t＝qm,b＝qp,t＝Qphp
Tm,b为轻金属层的底部温度，Tm，t为轻金属层的顶部温度，qm，t为轻金属层的顶部热流密度，hm为轻金属层的高度，km为轻金属层的热导率，Qp为氧化层的体积释热率，hp为氧化层的高度，qm,t为轻金属层的顶部热流密度，qm,b为轻金属层的底部热流密度，qp,t为氧化层的顶部热流密度。将轻金属层的顶部温度、轻金属层的顶部热流密度输入上述第二计算算式，可以计算得到轻金属层的底部温度，记为第二温度。
为了准确确定熔融池的传热方式，本实施例提供了基于第一温度和第二温度确定熔融池的传热方式的具体实施方式：当第一温度大于第二温度时，确定熔融池的传热方式为氧化层向重金属层传递热量；当第一温度小于第二温度时，确定熔融池的传热方式为重金属层向氧化层传递热量。上述第一温度是通过重金属层换热得到的轻金属层底部温度值，上述第二温度是通过辐射换热得到的轻金属层底部温度值，将通过重金属层换热得到的第一温度与通过辐射换热得到的第二温度进行比较，如果通过重金属层换热得到的轻金属层底部温度值大于通过辐射换热得到的轻金属层底部温度值，表明氧化层向重金属层传递热量；如果通过重金属层换热得到的轻金属层底部温度值小于等于通过辐射换热得到的轻金属层底部温度值，表面重金属层向氧化层传递热量。
本实施例提供了基于传热方式确定氧化层的形态的实施方式，具体可参照如下步骤1～步骤2执行：
步骤1：当传热方式为重金属层向氧化层传递热量时，确定氧化层的状态为固态。
轻金属层的最高温度发生在底部，最低温度发生在顶部。当重金属层向氧化层传递热量时，重金属层的最高温度在氧化层与重金属层接触面，在当前熔融池衰变功率密度下，氧化层与重金属层接触面的温度不超过氧化层固相线。由于重金属层的熔点(通常为1700度左右)低于氧化层固相线(通常为2000～2500度左右)，当重金属层向氧化层传递热量时，氧化层温度低于重金属层的温度，进而低于氧化层固相线，因此，氧化层的状态为固态。
当重金属层较厚时，熔融池内形成类似氧化层熔融池的自然循环，利用沿角度分布Nu数，可以得到重金属熔融池侧面热流密度分布：
Figure BDA0002916546630000131
Figure BDA0002916546630000132
其中，Nuh,dn(θ)为重金属层向下沿角度分布的努塞尔数，qh,ves(θ)为重金属熔融池侧面沿角度分布的热流密度，Tw,in为压力容器下封头内壁面的温度，kh为重金属层的热导率，qp,b为氧化层底部的热流密度，sp,b为氧化层底部的截面积，Vh为重金属层的体积，Q为重金属层的体积释热率，θ为沿重金属层的角度，qh,ves为重金属层与压力容器之间的热流密度，rin为压力容器下封头的内侧半径。当重金属层向氧化层传递热量时，还可以计算得到重金属层的传递份额，重金属传递份额fhp的取值范围是[0，1]，首先令fhp取值为1，将fhp＝1代入以下热量传递算式：
Figure BDA0002916546630000141
Figure BDA0002916546630000142
Figure BDA0002916546630000143
Tm,b为轻金属层的底部温度，Th,t为重金属层的顶部温度，Nuh,up为重金属层向上沿角度分布的努塞尔数，hh为重金属层的高度，sh,t为重金属层的顶部面积，qm,t为轻金属层的顶部热流密度，qm,b为轻金属层的底部热流密度，qp,t为氧化层的顶部热流密度，Qp为氧化层的体积释热率，hp为氧化层的高度。根据以下算式计算轻金属层的底部温度：
Figure BDA0002916546630000144
Tp,t为氧化层的顶部温度，kp为氧化层的热导率。将上述计算得到的轻金属层的底部温度与通过辐射换热计算得到的第二温度进行比较(计算上述算式得到的轻金属层的底部温度与第二温度的差值)，当上述计算得到的轻金属层的底部温度与第二温度的差值不处于预设差值范围内时，即上述计算得到的轻金属层的底部温度未达到收敛状态，重新调整fhp的值，令fhp从1开始逐渐减小，将重新取值后的fhp代入上述热量传递算式，并计算轻金属层的底部温度，直至计算得到的轻金属层的底部温度与第二温度的差值处于预设差值范围内，即上述计算得到的轻金属层的底部温度达到收敛状态，得到重金属层向氧化层的热量传递份额。
步骤2：当传热方式为氧化层向重金属层传递热量时，获取氧化层的最大温度，基于氧化层的最大温度确定氧化层的形态。
首先，确定氧化层向重金属层传递热量的传递份额。具体可参照如下步骤a～步骤c执行：
步骤a，将传递份额的取值范围中的最大值作为目标传递份额。
当氧化层向重金属层传递热量时，传递份额fhp的取值范围是[0，1]，首先设fhp取值为1。
步骤b，获取氧化层的底部温度，基于氧化层的底部温度及目标传递份额确定轻金属层的底部温度，得到第三温度。
将传递份额fhp代入以下热量传递算式：
Figure BDA0002916546630000151
qm,t＝qm,b＝qp,t＝(1-fph)Qphp
由氧化层底部温度等于重金属层顶部温度，可以得到以下算式：
Figure BDA0002916546630000152
其中，Vp为氧化层的体积，Tp,b为氧化层的底部温度，Th,t为重金属层的顶部温度。根据上式可以计算得到氧化层的底部温度，基于氧化层的底部温度及目标传递份额确定轻金属层的底部温度。氧化层温度分布存在对称性，参见如图4a所示的氧化层最高温度位于右侧时的温度分布图，氧化层的最高温度在右侧时，对称性温度Tsym等于氧化层底部温度Tp,b。参见如图4b所示的氧化层最高温度位于左侧时的温度分布图，氧化层的最高温度在左侧时，对称性温度Tsym等于氧化层顶部温度Tp,t。
当氧化层的最高温度位于右侧时，即当fph<0.5时，将传递份额fph及氧化层底部温度Tp,b代入以下右侧算式计算轻金属层底部温度：
hsym,t＝(1-2fph)hp
Figure BDA0002916546630000161
其中，hsym,t为图4a中对称性温度Tsym所在的高度(即称性温度Tsym点的纵坐标)，Tp,b为氧化层的底部温度。
当氧化层的最高温度位于左侧时，即当fph>0.5时，将传递份额fph及氧化层底部温度Tp,b代入以下左侧算式计算轻金属层底部温度：
hsym,b＝(2fph-1)hp
Figure BDA0002916546630000162
其中，hsym,b为图4b中对称性温度Tsym所在的高度(即称性温度Tsym点的纵坐标)。诸如当fph＝1时，氧化层的最高温度位于左侧，根据上述左侧算式计算得到轻金属层的底部温度，记为第三温度。
步骤c，计算第三温度与第二温度的温度差值，当温度差值未处于预设差值范围内时，将目标传递份额减小预设数值，得到新的目标传递份额。
将计算得到的第三温度与通过辐射换热计算得到的第二温度(轻金属层的底部温度)进行比较，并计算差值，当温度差值未处于预设差值范围(可以根据实际情况进行设定，诸如可以是[-0.1，+0.1])内时，将传递份额的值从1开始逐渐减小预设数值，该预设数值诸如可以是0.1或0.05，将传递份额的值减小预设数值后，得到新的目标传递份额，将新的目标传递份额输入上述步骤b，并基于上述步骤b重新计算第三温度，直至第三温度与第二温度的温度差值处于预设差值范围内(诸如当第三温度的值趋近于第二温度的值时，即第三温度与第二温度的温度差值收敛趋近于0时)时，将第三温度与第二温度的温度差值处于预设差值范围时所对应的目标传递份额值，作为最终得到的氧化层向重金属层传递热量的传递份额。
然后，基于传递份额及第三计算算式确定氧化层的最大温度。
当氧化层向重金属层传递热量时，最高温度在氧化层内部，氧化层的最高温度可能超过氧化层固相线，形成熔融池，将最终得到的氧化层向重金属层传递热量的传递份额输入第三计算算式，得到氧化层最高温度，第三计算算式为：
Figure BDA0002916546630000171
Tp,max为氧化层的最大温度，Th,t为重金属层的顶部温度，fph为传递份额，Qp为氧化层的释热率，hp为氧化层的高度，kp为氧化层的热导率。当计算得到氧化层最高温度后，通过比较氧化层最高温度与氧化层固相线的大小，可以确定氧化层的形态。当氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定氧化层形态为熔融态；当氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定氧化层形态为固态。
在实际应用中，上述熔融池的形态确定方法可以应用于对1700MW级反应堆三层熔融池结构开展点估计计算，为了展示上述熔融池的形态确定方法的效果，分布计算了氧化层二氧化铀质量份额分别为50％、30％、10％、1％时熔融池参数，判断氧化层的形态。参见如图5所示的反应堆三层熔融池结构热流密度分布图，氧化层二氧化铀份额减少，重金属熔融池高度增加，不同熔融物质量下功率密度相等，对沿角度热流密度分布(横轴坐标为角度值，纵轴坐标为热流密度)没有明显影响。沿角度热流密度分布与重金属层熔融池中心温度有关，尽管不同熔融物质量下衰变热密度形同，但来自氧化层热量传递不同，氧化层二氧化铀份额越大，向重金属测传递热量越高，重金属层区域平均热流密度越高，熔融池中心温度也提高，导致相同角度下，氧化层二氧化铀份额越大时，重金属层区域热流密度偏大。实际上，重金属层熔融池换热能力较好，氧化层向重金属层热量传递对压力容器内壁面热流密度沿角度热流分布影响较小。氧化层析出重金属铀质量对金属层热流密度有明显影响，当析出较多二氧化铀时，氧化层向金属层传递热量减小，金属层侧面热流密度减小。当氧化层中二氧化铀份额低于90％时，热流密度高于CHF值的危险区域就转到重金属层区域。
如图5所示，随着析出重金属铀增多，氧化层与金属层结构发生明显变化，当氧化层二氧化铀份额为10％时，氧化层向轻金属层传递热量已不足以支撑形成完整熔融池，轻金属层顶部温度低于金属熔点，但底部温度高于金属层熔点。当氧化层二氧化铀份额为1％时，重金层向氧化层传递，氧化层与重金属层均为固体层。实际上当氧化层二氧化铀份额为5％时，熔融态氧化层开始想固态氧化层过渡。实际压水堆熔融池中，重金属铀析出份额一般不超过10％，通过上述分析，此时熔融池结构呈现出典型三层结构，仅当极端假设重金属铀析出份额超过90％时，会出现向固态氧化层、金属层结构转变。
本实施例提供的上述熔融池的形态确定方法，根据重金属层与氧化层之间的热量传递方式，可以确定热量传递份额，进而判断氧化层是否处于熔融态，得到熔融池的形态，根据熔融池的形态可以确定是否需要开展熔融池换热计算，提升了熔融池换热计算的准确性。
对于上述实施例所提供的熔融池的形态确定方法，本发明实施例提供了一种熔融池的形态确定装置，熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，熔融池位于压力容器中，参见图6所示的一种熔融池的形态确定装置结构示意图，该装置包括以下模块：
第一确定模块61，用于基于重金属层、氧化层与轻金属层之间的换热关系计算确定轻金属层的底部温度，得到第一温度。
第二确定模块62，用于基于轻金属层与压力容器之间的辐射换热计算确定轻金属层的底部温度，得到第二温度。
方式确定模块63，用于基于第一温度和第二温度确定熔融池的传热方式；传热方式包括重金属层向氧化层传递热量，及氧化层向重金属层传递热量。
形态确定模块64，用于基于传热方式确定氧化层的形态；其中，氧化层的形态包括熔融态和固态。
本实施例提供的上述熔融池的形态确定方法，通过对熔融池进行换热计算，并对轻金属层和压力容器进行辐射换热计算，可以确定熔融池中氧化层与重金属层的传热方式，通过重金属层与氧化层之间的热量传递方式，可以确定氧化层的形态，由于氧化层形态对熔融池及压力容器的传热过程有重要影响，通过确定氧化层的形态可以提升熔融池传热计算的准确性，进而提升核能系统传热过程分析的可靠性。
在一种实施方式中，上述第一确定模块61，进一步用于将重金属层的顶部温度作为重金属层的最大温度；基于重金属层的最大温度及第一计算算式确氧化层的顶部温度；其中，第一计算算式为：
Figure BDA0002916546630000191
Tp,t为氧化层的顶部温度，Qp为氧化层的释热率，hp为氧化层的高度，kp为氧化层的热导率，Th,max为重金属层的最大温度；将氧化层的顶部温度作为轻金属层的底部温度，得到第一温度。
在一种实施方式中，上述第二确定模块62，进一步用于对轻金属层顶部与压力容器进行辐射换热计算，确定轻金属层的顶部温度及轻金属层的顶部热流密度；基于轻金属层的顶部温度、轻金属层的顶部热流密度及第二计算算式确定轻金属层的底部温度，得到第二温度；其中，第二计算算式为：
Figure BDA0002916546630000201
Tm,b为轻金属层的底部温度，Tm，t为轻金属层的顶部温度，qm，t为轻金属层的顶部热流密度，hm为轻金属层的高度，km为轻金属层的热导率。
在一种实施方式中，上述方式确定模块63，进一步用于在第一温度大于第二温度时，确定熔融池的传热方式为氧化层向重金属层传递热量；当第一温度小于第二温度时，确定熔融池的传热方式为重金属层向氧化层传递热量。
在一种实施方式中，上述形态确定模块64，进一步用于在传热方式为重金属层向氧化层传递热量时，确定氧化层的状态为固态；当传热方式为氧化层向重金属层传递热量时，获取氧化层的最大温度，基于氧化层的最大温度确定氧化层的形态。
在一种实施方式中，上述形态确定模块64，进一步用于确定氧化层向重金属层传递热量的传递份额；基于传递份额及第三计算算式确定氧化层的最大温度；其中，第三计算算式为：
Figure BDA0002916546630000202
Tp,max为氧化层的最大温度，Th,t为重金属层的顶部温度，fph为传递份额，Qp为氧化层的释热率，hp为氧化层的高度，kp为氧化层的热导率；当氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定氧化层形态为熔融态；当氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定氧化层形态为固态。
在一种实施方式中，上述形态确定模块64，进一步用于执行以下步骤：步骤a，将传递份额的取值范围中的最大值作为目标传递份额；步骤b，获取氧化层的底部温度，基于氧化层的底部温度及目标传递份额确定轻金属层的底部温度，得到第三温度；步骤c，计算第三温度与第二温度的温度差值，当温度差值未处于预设差值范围内时，将目标传递份额减小预设数值，得到新的目标传递份额；重复执行上述步骤b～步骤c，直至温度差值处于预设差值范围内，得到氧化层向重金属层传递热量的传递份额。
本实施例提供的上述熔融池的形态确定装置，根据重金属层与氧化层之间的热量传递方式，可以确定热量传递份额，进而判断氧化层是否处于熔融态，得到熔融池的形态，根据熔融池的形态可以确定是否需要开展熔融池换热计算，提升了熔融池换热计算的准确性。
本实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本发明实施例提供了一种电子设备，如图7所示的电子设备结构示意图，电子设备包括处理器71、存储器72，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例提供的方法的步骤。
参见图7，电子设备还包括：总线74和通信接口73，处理器71、通信接口73和存储器72通过总线74连接。处理器71用于执行存储器72中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器72可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口73(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线74可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(ExtendedIndustry Standard Architecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器72用于存储程序，所述处理器71在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器71中，或者由处理器71实现。
处理器71可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器71中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器71可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等。还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器72，处理器71读取存储器72中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机可读介质，其中，所述计算机可读介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使所述处理器实现上述实施例所述的方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的熔融池的形态确定方法、装置及电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种熔融池的形态确定方法，其特征在于，所述熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，所述熔融池位于压力容器中，所述方法包括：
基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度；所述第一温度的计算步骤包括：设所述重金属层与所述氧化层之间没有热量传递，所述重金属层的最大温度等于其顶部温度，所述氧化层的顶部温度等于所述轻金属层的底部温度，基于所述重金属层的换热关系计算得到所述轻金属层的底部温度，记为第一温度；
基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；所述第二温度的计算步骤包括：对所述轻金属层与堆内构件内表面进行辐射换热计算，以及对堆内构件外表面与所述压力容器上部内表面进行辐射换热计算，计算得到所述轻金属层的底部温度，记为第二温度；
基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式；所述传热方式包括所述重金属层向所述氧化层传递热量，及所述氧化层向所述重金属层传递热量；
基于所述传热方式确定所述氧化层的形态；其中，所述氧化层的形态包括熔融态和固态；所述基于所述传热方式确定所述氧化层的形态的步骤，包括：当所述传热方式为所述重金属层向所述氧化层传递热量时，确定所述氧化层的状态为固态；
当所述传热方式为所述氧化层向所述重金属层传递热量时，获取所述氧化层的最大温度，当所述氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为熔融态；当所述氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为固态；其中，所述氧化层的最大温度位于所述氧化层内部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度的步骤，包括：
将所述重金属层的顶部温度作为所述重金属层的最大温度；
基于所述重金属层的最大温度及第一计算算式确所述氧化层的顶部温度；其中，所述第一计算算式为：
Figure FDA0003549957520000021
Tp,t为所述氧化层的顶部温度，Qp为所述氧化层的释热率，hp为所述氧化层的高度，kp为所述氧化层的热导率，Th,max为所述重金属层的最大温度；
将所述氧化层的顶部温度作为所述轻金属层的底部温度，得到第一温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度的步骤，包括：
对所述轻金属层顶部与所述压力容器进行辐射换热计算，确定所述轻金属层的顶部温度及所述轻金属层的顶部热流密度；
基于所述轻金属层的顶部温度、所述轻金属层的顶部热流密度及第二计算算式确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；其中，所述第二计算算式为：
Figure FDA0003549957520000022
Tm,b为所述轻金属层的底部温度，Tm,t为所述轻金属层的顶部温度，qm,t为所述轻金属层的顶部热流密度，hm为所述轻金属层的高度，km为所述轻金属层的热导率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式的步骤，包括：
当所述第一温度大于所述第二温度时，确定所述熔融池的传热方式为所述氧化层向所述重金属层传递热量；
当所述第一温度小于所述第二温度时，确定所述熔融池的传热方式为所述重金属层向所述氧化层传递热量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述氧化层的最大温度，基于所述氧化层的最大温度确定所述氧化层的形态的步骤，包括：
确定所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额；
基于所述传递份额及第三计算算式确定所述氧化层的最大温度；其中，所述第三计算算式为：
Figure FDA0003549957520000031
Tp,max为所述氧化层的最大温度，Th,t为所述重金属层的顶部温度，fph为所述传递份额，Qp为所述氧化层的释热率，hp为所述氧化层的高度，kp为所述氧化层的热导率；
当所述氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为熔融态；当所述氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为固态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额的步骤，包括：
步骤a，将所述传递份额的取值范围中的最大值作为目标传递份额；
步骤b，获取氧化层的底部温度，基于所述氧化层的底部温度及所述目标传递份额确定所述轻金属层的底部温度，得到第三温度；
步骤c，计算所述第三温度与所述第二温度的温度差值，当所述温度差值未处于预设差值范围内时，将所述目标传递份额减小预设数值，得到新的目标传递份额；
重复执行上述步骤b～步骤c，直至所述温度差值处于所述预设差值范围内，得到所述氧化层向所述重金属层传递热量的传递份额。
7.一种熔融池的形态确定装置，其特征在于，所述熔融池包括重金属层、氧化层和轻金属层，所述熔融池位于压力容器中，所述装置包括：
第一确定模块，用于基于所述重金属层、所述氧化层与所述轻金属层之间的换热关系计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第一温度；所述第一温度的计算步骤包括：设所述重金属层与所述氧化层之间没有热量传递，所述重金属层的最大温度等于其顶部温度，所述氧化层的顶部温度等于所述轻金属层的底部温度，基于所述重金属层的换热关系计算得到所述轻金属层的底部温度，记为第一温度；
第二确定模块，用于基于所述轻金属层与所述压力容器之间的辐射换热计算确定所述轻金属层的底部温度，得到第二温度；所述第二温度的计算步骤包括：对所述轻金属层与堆内构件内表面进行辐射换热计算，以及对堆内构件外表面与所述压力容器上部内表面进行辐射换热计算，计算得到所述轻金属层的底部温度，记为第二温度；
方式确定模块，用于基于所述第一温度和所述第二温度确定所述熔融池的传热方式；所述传热方式包括所述重金属层向所述氧化层传递热量，及所述氧化层向所述重金属层传递热量；
形态确定模块，用于基于所述传热方式确定所述氧化层的形态；其中，所述氧化层的形态包括熔融态和固态；所述基于所述传热方式确定所述氧化层的形态的步骤，包括：当所述传热方式为所述重金属层向所述氧化层传递热量时，确定所述氧化层的状态为固态；
当所述传热方式为所述氧化层向所述重金属层传递热量时，获取所述氧化层的最大温度，当所述氧化层的最大温度大于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为熔融态；当所述氧化层的最大温度小于氧化层固相线时，确定所述氧化层形态为固态；其中，所述氧化层的最大温度位于所述氧化层内部。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储装置；
所述存储装置上存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时执行如权利要求1至6任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求1至6任一项所述的方法的步骤。
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