CN113033007B - 基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法，涉及计算机仿真技术领域，其技术方案要点是：包括计算模块和GUI模块；计算模块包括数据库、函数单元、调用单元、运行单元；GUI模块包括输入单元、可视化单元。本发明可以替代昂贵的辐照试验和辐照后检验，模拟锆合金包壳在核电站的运行工况下材料中辐照缺陷的演化过程，该软件仿真系统可以模拟辐照缺陷引起的材料物理性能和力学性能的变化，定量计算中子辐照下材料辐照生长以及辐照硬化的变化，允许用户使用图形用户界面以最直观的方式设定模拟计算初始条件，允许用户根据对计算过程的要求和实验数据来改变模型参数建立数学建模，可实时监控模拟过程。

Description

基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，更具体地说，它涉及基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法。
背景技术
众所周知，核安全关系着核能的和平利用和开发，而锆合金包壳作为核电站第二道安全屏障，保证着在长期运行工况下，不使放射性裂变产物逸出，因此在开发锆包壳时，要模拟核电站内部环境，对锆包壳进行考验。而国际通常采用在通量较高的研究堆中进行核电站工况下模拟，利用其高中子通量，以较短的时间考验其运行过程中是否安全可靠，但高通量辐照资源有限，且试验成本巨大，辐照后检验通常伴随放射性，对试验人员身体有一定伤害。
目前，欧美等发达国家已较为成熟运用反应速率理论开发了一些用于科研工作的模拟程序来研究辐照损伤问题，但这些程序并不具有普适性。比如SALOME、Grizzly软件是模拟反应堆材料微观结构演化的工具，但是它们均存在共同的问题：计算精度不足够高、计算速度不够快、界面友好性较低，对于非专业人员很难做到“零门槛”上手。更重要的是，各个国家的研究机构对于缺陷之间相互作用的理解并不一致，因此程序之间相互借鉴的只有物理机制，缺陷之间的反应项无法完全覆盖。以上问题是目前公开报道中未开发出锆基合金辐照效应仿真模拟软件的关键原因，不仅模型建立困难，还对于各种不同核材料不具有普适性，计算中需要不断优化或者改进模型，且计算结果的实验验证方法尚待探索。
因此，如何研究设计一种基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中不足，本发明的目的是提供基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统及方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统，包括计算模块和GUI模块；计算模块包括数据库、函数单元、调用单元、运行单元；GUI模块包括输入单元、可视化单元；
输入单元，用于将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息；
数据库，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息；
函数单元，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息；
调用单元，用于根据初始条件信息从数据库调取相应的参数信息、从函数单元调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件；
运行单元，用于根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果；
可视化单元，用于将仿真计算结果可视化编辑后进行显示。
进一步的，所述参数信息包括纯锆的材料常数、纯锆中缺陷的扩散系数、纯铌的材料常数、纯铌中缺陷扩散系数、锆铌合金的材料常数、锆锡合金的材料常数、计算硬化的位错相互作用参数、缺陷阱吸收点缺陷的偏置因子、用于计算<a>和<c>方向位错环数密度的模型参数。
进一步的，所述函数信息包括模拟中使用的宏定义、模拟中使用的全局变量、模拟中使用的常用数学函数、编译源文件后创建的二进制文件、仿真中使用的模型函数。
进一步的，所述仿真计算结果包括辐照剂量大小、点缺陷浓度随辐照剂量的变化、缺陷阱吸收点缺陷的效率与剂量的关系、辐照生长与剂量的关系、材料硬化变化与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、间隙环半径的与剂量的关系、空位环密度与剂量的关系、空位环半径与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、总环数密度与剂量的关系、<a>型和<c>型环数密度与剂量的关系、β-Nb沉淀半径与剂量的关系、输入参数、模拟中使用的所有常量信息。
第二方面，提供了基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，包括以下步骤：
将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息；
根据初始条件信息从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息的数据库中调取相应的参数信息、从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息的函数单元中调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件；
根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果；
将仿真计算结果可视化编辑后进行显示。
进一步的，所述仿真计算结果的计算过程配置有DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹；
DB数据库文件包含锆合金辐照缺陷模拟计算中使用的材料参数；
HDR声明文件用于声明程序中使用的函数。
LIB库文件包含模拟中使用的常用数学函数以及用于模拟的Runge-Kutta方法的数学函数；
OBJ文件夹包含编译源文件后创建的二进制文件；
SRC函数文件夹包含仿真中使用的模型函数。
进一步的，所述仿真计算结果的具体计算过程为：
通过调用read_data.cpp\rd_db_all.cpp函数读取DB数据库文件的数据库；
通过调用id_struct.cpp函数读取用户输入的参数；
通过调用mk_fname.cpp函数创建存放输出数据的文件夹；
通过调用set_par.cpp为RRT-project的内部变量赋值；
通过调用int_data.cpp函数为点缺陷初始数密度、缺陷团簇初始尺寸赋值；
通过调用calc_rrt.cpp函数运用速率理论方法分别计算点缺陷、缺陷团簇分布并获得辐照生长、辐照硬化程度；
通过调用print_info.cpp函数将所有计算数据输出到指定名称的文件。
进一步的，所述DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹均以C++语言编写方式制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统，可以替代昂贵的辐照试验和辐照后检验，模拟锆合金包壳在核电站的运行工况下材料中辐照缺陷的演化过程，该软件仿真系统可以模拟辐照缺陷引起的材料物理性能和力学性能的变化，定量计算中子辐照下材料辐照生长以及辐照硬化的变化；方便运用计算机模拟中子辐照下锆基合金中位错环的生长和演化，计算位错环的数密度和尺寸，估算因辐照引起的硬化程度，得到位错环半径、数密度等与合金元素含量、晶粒尺寸、温度以及辐照剂量率的关系，从而达到低成本预测材料性能和机理的效果；此外，还可以允许用户使用图形用户界面以最直观的方式设定模拟计算初始条件，允许用户根据对计算过程的要求和实验数据来改变模型参数建立数学建模，可实时监控模拟过程。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的系统架构图；
图2是本发明实施例中的整体流程图；
图3是本发明实施例中的仿真计算流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-3，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统，如图1所示，包括计算模块和GUI模块。计算模块包括数据库、函数单元、调用单元、运行单元；GUI模块包括输入单元、可视化单元。输入单元，用于将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息。数据库，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息。函数单元，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息。调用单元，用于根据初始条件信息从数据库调取相应的参数信息、从函数单元调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件。运行单元，用于根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果。可视化单元，用于将仿真计算结果可视化编辑后进行显示。
在本实施例中，参数信息包括但不限于纯锆的材料常数、纯锆中缺陷的扩散系数、纯铌的材料常数、纯铌中缺陷扩散系数、锆铌合金的材料常数、锆锡合金的材料常数、计算硬化的位错相互作用参数、缺陷阱吸收点缺陷的偏置因子、用于计算<a>和<c>方向位错环数密度的模型参数。
在本实施例中，函数信息包括但不限于模拟中使用的宏定义、模拟中使用的全局变量、模拟中使用的常用数学函数、编译源文件后创建的二进制文件、仿真中使用的模型函数。
在本实施例中，仿真计算结果包括但不限于辐照剂量大小、点缺陷浓度随辐照剂量的变化、缺陷阱吸收点缺陷的效率与剂量的关系、辐照生长与剂量的关系、材料硬化变化与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、间隙环半径的与剂量的关系、空位环密度与剂量的关系、空位环半径与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、总环数密度与剂量的关系、<a>型和<c>型环数密度与剂量的关系、β-Nb沉淀半径与剂量的关系、输入参数、模拟中使用的所有常量信息。
实施例2：基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，如图2所示，包括以下步骤：
S101：将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息；
S102：根据初始条件信息从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息的数据库中调取相应的参数信息、从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息的函数单元中调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件；
S103：根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果；
S104：将仿真计算结果可视化编辑后进行显示。
在本实施例中，仿真计算结果的程序文件配置有DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹。
DB数据库文件包含锆合金辐照缺陷模拟计算中使用的材料参数。材料参数包括但不限于纯锆的材料常数、纯锆中缺陷的扩散系数、纯铌的材料常数、纯铌中缺陷扩散系数、锆铌合金的材料常数、锆锡合金的材料常数、计算硬化的位错相互作用参数、缺陷阱吸收点缺陷的偏置因子、用于计算<a>和<c>方向位错环数密度的模型参数等。例如，bias表示偏置因子，Zr表示锆，Nb表示铌，diffusivities表示扩散系数，Zr-Nb表示锆铌合金，Zr-Sn表示锆锡合金，hardening表示硬化。
HDR声明文件用于声明程序中使用的函数。函数包括但不限于模拟中使用的宏定义、模拟中使用的全局变量。
例如，头文件def par.h包含模拟中使用的宏定义；vars.h包含模拟中使用的全局变量；id struct.h包含项目ID(ID_prj)和函数ID_prj ReadparamsID(char*)的结构声明，以输入文件名作为参数并返回结构ID_prj的对象；read data.h包含从数据库参数和函数创建的结构声明(Params类型)以及从数据库读取数据(readDb类型)并返回相应结构对象。rd_db_all.h包含从数据库参数创建的结构(DB\pri)的声明，ReadDataBase()的头文件以及函数读取数据库并返回结构DB\prj的对象。set par.h包含通过使用数据库计算的参数结构声明(struct SP prj)和设置其值的结构类型函数(SetParameters(ID prj，DBprj))。此函数有两个参数：ID prj是项目ID的结构，DB prj是项目总数据库的结构。init_data.h包含IN_prj结构的声明，包含计算变量的初始数据和IN_prj Initialize(SP_prj,ID_prj)中的函数，将两个结构分别作为set_par.h和ID_struct.h中声明的参数。mk_fname.h包含输出文件名结构(FN_prj)和函数FN_prj OutFileNames(char*,ID_prj)的声明，将文件夹作为一个参数输出文件位置，并将ID_struct.h中声明的结构ID_prj的对象作为另一个参数。它返回FN_prj结构的对象。calc_rrt.h是主要计算单元。prnt info.h包含函数void CreateInfoFile(ID prj,DB prj,SP prj,IN prj)的声明，创建有关计算实验细节的信息文件。
LIB库文件包含模拟中使用的常用数学函数以及用于模拟的Runge-Kutta方法的数学函数。
OBJ文件夹包含编译源文件后创建的二进制文件。
SRC函数文件夹包含仿真中使用的模型函数。例如，点缺陷浓度的计算程序，位错环半径、密度、生长和硬化的计算程序。
例如，id struct.cpp包含函数ID_prj ReadparamsID(char*)的实现。它以输入文件名作为参数，从用户或图形用户界面(GUI)生成的输入文件中读取数据。函数返回结构ID_prj的对象。read_data.cpp包含read_data.h中声明的函数的实现，这些函数从数据库中读取数据并返回结构的相应对象。rd_db_all.cpp包含函数ReadDataBase()的实现，读取数据库并返回包含总数据库的结构DB_prj的对象。set_par.cpp包含函数SetParameters(ID prj,DB prj)的实现。通过使用此函数，可以计算计算中使用的材料参数。结构SP_prj的返回对象。init_data.cpp包含函数Initialize(SP_prj，ID_prj)的实现。它设置计算变量的初始值并返回IN_sprj中结构的对象。mk_fname.cpp包含函数OutFileNames(char*,ID_prj)的实现。它在由结构ID_prj的对象定义的文件夹中创建输出文件，返回结构FN_prj的对象。
calc_rrt.cpp可以实现主要的模拟计算功能。它包含以下功能的实现：
-void Translator(ID_prj,DB_prj,SP_prj,IN_prj)将对象ID_prj，DB_prj，SP_prj，IN_prj中的所有输入和计算参数转换为全局变量；
-void Bias coefficients()计算偏置因子的当前值；
-void Sinkstrengs()计算缺陷阱的吸收强度；
-void Point defect concentrations(double,double,double)计算点缺陷浓度的当前值；
-void Writedataintoiles(FN_prj)使用对象FN prj作为参数将数据写入输出文件；
-void CalculationsRRT(ID_prj,DB_prj,SP_prj,IN_prj,FN_prj)从对象ID_prj，DB_prj，SP_prj，IN_prj，FN_prj获取数据，并使用RungeKutta方法计算位错环半径、其密度、辐照生长和硬化的当前值；
-double*Equations_f(double t,int n,double u[])它需要当前时间、要求解的方程数以及留在方程中要求解的函数数组。
prnt_info.cpp包含函数CreateInfoFile(ID_prj,DB_prj,SP_prj,IN_prj)的实现，创建有关计算实验细节的信息文件。
软件输出的所有结果都存储在输出文件夹中的*.dat文件中，输出内容应包括：辐照剂量大小，点缺陷浓度随辐照剂量的变化，缺陷阱吸收点缺陷的效率与剂量的关系，辐照生长与剂量的关系，材料硬化变化与剂量的关系，间隙环密度与剂量的关系，间隙环半径的与剂量的关系，空位环密度与剂量的关系，空位环半径与剂量的关系，间隙环密度与剂量的关系，总环数密度与剂量的关系，<a>型和<c>型环数密度与剂量的关系，β-Nb沉淀半径与剂量的关系，输入参数，模拟中使用的所有常量信息等等。
如图3所示，仿真计算结果的具体计算过程为：
第一步，通过调用read_data.cpp\rd_db_all.cpp函数读取DB数据库文件的数据库；
第二步，通过调用id_struct.cpp函数读取用户输入的参数；
第三步，通过调用mk_fname.cpp函数创建存放输出数据的文件夹；
第四步，通过调用set_par.cpp为RRT-project的内部变量赋值；
第五步，通过调用int_data.cpp函数为点缺陷初始数密度、缺陷团簇初始尺寸赋值；
第六步，通过调用calc_rrt.cpp函数运用速率理论方法分别计算点缺陷、缺陷团簇分布并获得辐照生长、辐照硬化程度；最后，通过调用print_info.cpp函数将所有计算数据输出到指定名称的文件。
在本实施例中，DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹均以C++语言编写方式制成。
例如：当锆合金中的Sn含量为2％，Nb含量为2％，模拟温度设定为600K，离位损伤率设定为10-6dpa/s，点缺陷复合效率为0.95，在不可动缺陷团簇中间隙原子的比例为0.5，在可动缺陷团簇中间隙原子的比例为0.13，在不可动缺陷团簇中空位的比例为0.5，在可动缺陷团簇中空位的比例为0.05。a1、a2、a3方向位错密度为0.33×108n/cm2，c方向位错密度为0.6×108n/cm2，β-Nb沉淀相的尺寸设为2.5×10-7cm，锆合金的晶粒尺寸设定为5.0×10- 4cm，模拟区域距离晶界的相对长度为1.0(位于晶内)，限制累计中子剂量不超过30dpa，步长设定为0.1s，间隙原子团簇、空位团簇的初始半径均设定为6.2×10-8cm。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统，其特征是，包括计算模块和GUI模块；计算模块包括数据库、函数单元、调用单元、运行单元；GUI模块包括输入单元、可视化单元；
输入单元，用于将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息；
数据库，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息；
函数单元，存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息；
调用单元，用于根据初始条件信息从数据库调取相应的参数信息、从函数单元调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件；
运行单元，用于根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果；
可视化单元，用于将仿真计算结果可视化编辑后进行显示
所述参数信息包括纯锆的材料常数、纯锆中缺陷的扩散系数、纯铌的材料常数、纯铌中缺陷扩散系数、锆铌合金的材料常数、锆锡合金的材料常数、计算硬化的位错相互作用参数、缺陷阱吸收点缺陷的偏置因子、用于计算<a>和<c>方向位错环数密度的模型参数；
所述仿真计算结果包括辐照剂量大小、点缺陷浓度随辐照剂量的变化、缺陷阱吸收点缺陷的效率与剂量的关系、辐照生长与剂量的关系、材料硬化变化与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、间隙环半径与剂量的关系、空位环密度与剂量的关系、空位环半径与剂量的关系、总环数密度与剂量的关系、<a>型和<c>型环数密度与剂量的关系、β-Nb沉淀半径与剂量的关系、输入参数、模拟中使用的所有常量信息。
2.根据权利要求1所述的基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真系统，其特征是，所述函数信息包括模拟中使用的宏定义、模拟中使用的全局变量、模拟中使用的常用数学函数、编译源文件后创建的二进制文件、仿真中使用的模型函数。
3.基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，其特征是，包括以下步骤：
将输入的模拟计算初始条件集成后得到初始条件信息；
根据初始条件信息从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的参数信息的数据库中调取相应的参数信息、从存储有辐照损伤仿真模拟过程中所需的函数信息的函数单元中调取相应的函数信息，并根据调取的参数信息、函数信息生成一个可执行文件；
根据可执行文件进行辐照损伤仿真模拟计算后得到仿真计算结果；
将仿真计算结果可视化编辑后进行显示；
所述参数信息包括纯锆的材料常数、纯锆中缺陷的扩散系数、纯铌的材料常数、纯铌中缺陷扩散系数、锆铌合金的材料常数、锆锡合金的材料常数、计算硬化的位错相互作用参数、缺陷阱吸收点缺陷的偏置因子、用于计算<a>和<c>方向位错环数密度的模型参数；
所述仿真计算结果包括辐照剂量大小、点缺陷浓度随辐照剂量的变化、缺陷阱吸收点缺陷的效率与剂量的关系、辐照生长与剂量的关系、材料硬化变化与剂量的关系、间隙环密度与剂量的关系、间隙环半径与剂量的关系、空位环密度与剂量的关系、空位环半径与剂量的关系、总环数密度与剂量的关系、<a>型和<c>型环数密度与剂量的关系、β-Nb沉淀半径与剂量的关系、输入参数、模拟中使用的所有常量信息。
4.根据权利要求3所述的基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，其特征是，所述仿真计算结果的计算过程配置有DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹；
DB数据库文件包含锆合金辐照缺陷模拟计算中使用的材料参数；
HDR声明文件用于声明程序中使用的函数；
LIB库文件包含模拟中使用的常用数学函数以及用于模拟的Runge-Kutta方法的数学函数；
OBJ文件夹包含编译源文件后创建的二进制文件；
SRC函数文件夹包含仿真中使用的模型函数。
5.根据权利要求4所述的基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，其特征是，所述仿真计算结果的具体计算过程为：
通过调用read_data.cpp\rd_db_all.cpp函数读取DB数据库文件的数据库；
通过调用id_struct.cpp函数读取用户输入的参数；
通过调用mk_fname.cpp函数创建存放输出数据的文件夹；
通过调用set_par.cpp函数为速率理论计算模块的内部变量赋值；
通过调用int_data.cpp函数为点缺陷初始数密度、缺陷团簇初始尺寸赋值；
通过调用calc_rrt.cpp函数运用速率理论方法分别计算点缺陷、缺陷团簇分布并获得辐照生长、辐照硬化程度；
通过调用print_info.cpp函数将所有计算数据输出到指定名称的文件。
6.根据权利要求4所述的基于速率理论的锆基合金辐照损伤软件仿真方法，其特征是，所述DB数据库文件、HDR声明文件、LIB库文件、OBJ文件夹以及SRC函数文件夹均以C++语言编写方式制成。
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