CN113609733A - 一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法 - Google Patents

一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法，主要步骤如下：1、确定基本六棱柱燃料元件分层策略；2、将基本网格单元分类装填为多组燃料元件结构；3、将基本燃料元件结构依次填充堆芯区域；4、完善反应堆完整功能结构建模；5、对径向不同类燃料元件进行裂变沉积能计数，确定径向分层平均燃料份额；6、确定轴向功率分配目标基准曲线，对不同分层轴向网格集合进行计数，遍历所有燃料元件，调整燃料份额直至同时满足轴/径向分配基准；7、进行核热耦合计算，更新中子物理建模中的温度分布；8、重新计数，对各区功率密度进行微调，重新达到基准要求；9、重复7～8步，实现核热耦合优化统一，完成功率展平工作。

Description

一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法
技术领域
本发明属于核反应堆系统技术领域，具体涉及到一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法。
背景技术
核热推进反应堆作为新式能源推进系统，具有比冲高、续航时间长、推力大、可多次启动等显著优势，有望突破传统化学推进的瓶颈，实现长距离的星际航行与空间探索任务。核热推进系统通常以六棱柱的燃料元件类型实现有效换热的低压降流动过程，其在平均燃料份额的未优化状态下，由于其小型、紧凑的结构特性，具有很高的功率峰值因子，由其产生的局部最高温度严重限制了反应堆的安全能量上限从而制约推进系统性能的进一步提升。因此实现核热推进反应堆全堆芯功率展平优化策略，对于研究和设计核热推进反应堆动力装置，提升推进器可靠性能指标，制定相应的运行工况、安全裕量和自动控制策略都具有重要的意义。核热推进系统理论上由基本燃料活性区、控制系统、安全系统、反射层、屏蔽层多层结构组成，存在强烈的温度反馈效应，运行的瞬态过程涉及中子物理学设计、热工流体计算与热力耦合求解等多尺度多物理场演化，对标准化、系统化的高逻辑性建模策略及控制体划分提出极高要求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法，实现对六棱柱式燃料元件的核热推进反应堆堆芯的标准化、系统化建模以及功率展平优化，本发明根据核热推进反应堆不同层级结构，对各结构建模顺序、从属规则进行统一的逻辑性路线制定，实现了六棱柱式反应堆标准设计建模流程，在保证正确性的前提下提高了建模效率，同时提供了三维优化的基本准则，为未来对不同类别不同尺寸的反应堆建模优化提供了便利。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案予以实施：
一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法，内容涉及蒙卡中子物理学建模思路与核热耦合迭代求解过程，在平均燃料份额的基础上统一轴向/径向三维燃料排布策略，实现功率分配优化工作，显著提高反应堆安全能量上限；
该方法包含以下步骤：
步骤1：根据六棱柱式燃料元件基本几何特征，确定基本燃料元件分层策略，包括径向网格控制体分层数与轴向网格控制体分层数；由于核热推进反应堆的基本特点，燃料元件轴向结构基本固定依次为屏蔽层、轴向入口反射层、活性区和轴向出口反射层，其中屏蔽层、轴向入口反射层、轴向出口反射出无燃料不产生内热源，故无需进行网格分层；因此，仅将燃活性区网格分层为轴向M×径向N，记为单元级别u＝1；
步骤2：重复生成多组类似的u＝1网格组，假设共分为X组，包括：1-1，1-2，...，1-i，1-X，则共包含X×M×N个分层网格；按屏蔽层-轴向入口反射层-活性区网格分层u＝1(M×N)-轴向出口反射层的规则进行几何填充，形成多组类似的完整燃料元件结构，记为u＝2，分为2-1，2-2，...，2-i，2-X共X类燃料元件；规定同一燃料元件内，同一轴向分层内的各径向网格内燃料含量相同，更加符合实际工程制造的应用并相应简化优化难度，根据这一特性将同一燃料元件活性区内的同一轴向区域内的所有网格表示为一层轴向网格集合：记为2-i-j，表示第i类燃料的第j个轴向区域的网格集合；
步骤3：将u＝2的X类基本燃料元件按反应堆径向几何规律依次填充堆芯区域；将各类燃料元件依次填入各层分区种形成反应堆堆芯初始基本结构；
步骤4：额外构建主控控制组件、次控控制组件、安全组件等结构，这部分结构在初期设计时不参与核热耦合计算，可由统一的宏体结构进行完整生成，不需进行网格划分；对应替换相应区域的基本燃料元件结构，并添加基本的径向反射层结构，形成具有完整功能的反应堆堆芯结构，单元级别记为u＝3；初始化不同类燃料元件内的分层网格组具有相同的燃料份额和燃料温度，同时调整平均燃料份额与控制系统位置，使得堆芯有效增殖系数接近1；
步骤5：对不同类的径向多层燃料元件进行裂变沉积能计数，得到具有X个元素的计数数组{E2-i}i＝1～X；统计各层径向分层内燃料元件使用数目，得到{Num2-i}i＝1～X，比较各层燃料元件平均功率占比E2-1/Num2-1，...，E2-i/Num2-i，E2-X/Num2-X与理论燃料元件平均功率占比
Figure BDA0003192160930000031
若分层内计算值小于理论平均值，则统一增加该类燃料元件内的全部网格的平均燃料份额，反之亦然；重复上述步骤5内过程多次，直至各层计数平均功率占比与理论平均值近似相等，则认为实现了反应堆径向功率展平，得到一组径向分层的平均燃料份额基准数据，基本表现为沿堆芯中心径向向外，燃料份额逐渐升高，靠近径向反射层区域又有所降低；对径向各层的平均燃料份额进行微调，维持有效增殖系数接近1。
步骤6：引入一种理想轴向功率分布基准曲线，基本表现为前端低温区具有高功率占比，后段高温区具有低功率占比，同时要求功率峰值因子不高于1.3。对同一类燃料元件内的不同轴向分层集合即2-i-j进行裂变沉积能计数，遍历所有燃料元件种类，则共分为X组计数，每组计数M个数据；对每一类燃料元件内的轴向M个数据进行归一化处理，并与理想轴向功率分布基准曲线进行比对；若分层集合的功率占比E2-i-j低于理想轴向功率分布基准曲线，则增加统一燃料份额，反之亦然；重复上述步骤6内过程多次，直至各层功率占比归一化曲线与理想轴向功率分布基准曲线接近，则认为实现了径向不同类燃料元件的统一轴向功率优化；在有控制棒参与的核热推进堆芯中，很难达到与理想轴向功率分布基准曲线的完全统一，此时应当允许前端低温区功率占比高于理想值不超过5％，后端高温区则低于理想值偏差不超过5％。在这种允许偏差下，该处理方法对沿程压降的影响极小，仍可认为实现了轴向优化。对径向各层分区的平均燃料份额、堆芯整体平均燃料份额、控制棒位置、轴向分层的燃料份额排布进行微调，维持有效增殖系数接近1；
步骤7：根据步骤1中的活性区径向分层规律轴向M×径向N，划分热工流体计算网格；由于轴向和径向双向统一的功率优化的实现，能够采用单通道方法进行基本的核热耦合计算；对不同类燃料元件内具有相同轴向和径向坐标区域的所有网格进行加和计数，得到轴向第j层的编号为k的径向网格总功率占比
Figure BDA0003192160930000041
进而得到单通道下的燃料元件活性区精细三维功率归一化分布，相应折合为对应的体功率密度作为内热源输入热工流体计算中；单通道热工流体特性经由CFD程序直接计算获得，得到对应的迭代计算温度分布。依此，更新中子物理学建模中的三维温度分布；
步骤8：重新进行步骤5与步骤6中堆芯径向分层与各燃料元件的轴向分层功率分布计数统计，相应调整三维分层中的燃料份额，使得各区域功率占比重新达到基准并维持有效增殖系数接近1；
步骤9：重复步骤7与步骤8，实现核热耦合优化统一，完成功率展平优化工作。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明利用标准化、系统化建模方法对六棱柱式核热推进反应堆进行建模仿真，将复杂的反应堆完整结构分级从属关系进行分类与逻辑性建模规则制定，在保证仿真准确性的前提下，有效提高了建模效率。同时制定了核热推进反应堆基本功率展平优化准则与实施方法，显著提高堆芯安全能量上限，为反应堆模型的进一步细化和优化提供了便利。本发明可适用于多种六棱柱式的核热推进反应堆堆型，也可扩展至具有六棱柱式燃料元件的其他反应堆结构(如高温气冷堆、铅铋冷却堆)，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化研究方法流程框图。
图2a和图2b为两类六棱柱燃料元件径向网格分层策略。
图3为完整燃料元件结构分层示意图。
图4为径向燃料元件分层排布方案。
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化研究方法，内容涉及蒙卡中子物理学建模思路与核热耦合迭代求解过程，在平均燃料份额的基础上统一轴向/径向三维燃料排布策略，实现功率分配优化工作，显著提高反应堆安全能量上限；
该方法包含以下步骤：
步骤1：根据六棱柱式燃料元件基本几何特征，确定基本燃料元件分层策略，包括径向网格控制体分层数与轴向网格控制体分层数；由于核热推进反应堆的基本特点，如图3所示，燃料元件轴向结构基本固定依次为屏蔽层、轴向入口反射层、活性区、轴向出口反射层，其中屏蔽层、轴向入口反射层、轴向出口反射层无燃料不产生内热源，故无需进行网格分层；因此，仅将燃活性区网格分层为轴向M×径向N，记为单元级别u＝1；如图2a和图2b所示，为两类可能的六棱柱燃料元件径向网格分层策略，上图较为符合六棱柱式燃料元件的基本温度分布规律，下图则更为符合一般热工计算的中空结构网格划分规则；轴向网格划分则直接在轴向不同位置处进行网格切分。
步骤2：重复生成多组类似的u＝1网格组，假设共分为X组，包括：1-1，1-2，...，1-i，1-X，则共包含X×M×N个分层网格；如图3所示，按屏蔽层-轴向入口反射层-活性区网格分层u＝1(M×N)-轴向出口反射层的规则进行几何填充，形成多组类似的完整燃料元件结构，记为u＝2，分为2-1，2-2，...，2-i，2-X共X类燃料元件；规定同一燃料元件内，同一轴向分层内的各径向网格内燃料含量相同，更加符合实际工程制造的应用并相应简化优化难度，根据这一特性将同一燃料元件活性区内的同一轴向区域内的所有网格表示为一层轴向网格集合：记为2-i-j，表示第i类燃料的第j个轴向区域的网格集合；例如2-6-7-8表示第6类燃料元件内第7层轴向区域的编号为8的径向网格。
步骤3：将u＝2的X类基本燃料元件按反应堆径向几何规律依次填充堆芯区域；如图4展示了一种径向燃料元件分层排布方案，主要规律在于由同心六边形分层过渡至同心圆形分层，总计共分为X层与燃料元件种类对应；同心六边形分层符合六方密排的基本结构，同心圆形分层则符合核热推进反应堆的一般几何外形；当划分层数足够多时，同心六边形划分趋近于圆形划分，因此径向划分时对过渡区域的分层较为自由；将各类燃料元件依次填入各层分区种形成反应堆堆芯初始基本结构。
步骤4：额外构建主控控制组件、次控控制组件、安全组件等结构，这部分结构在初期设计时不参与核热耦合计算，可由统一的宏体结构进行完整生成，不需进行网格划分；对应替换相应区域的基本燃料元件结构，并添加基本的径向反射层结构，形成具有完整功能的反应堆堆芯结构，单元级别记为u＝3；初始化不同类燃料元件内的分层网格组具有相同的燃料份额和燃料温度，同时调整平均燃料份额与控制系统位置，使得堆芯有效增殖系数接近1。
步骤5：对不同类的径向多层燃料元件进行裂变沉积能计数，得到具有X个元素的计数数组{E2-i}i＝1～X；统计各层径向分层内燃料元件使用数目，得到{Num2-i}i＝1～X，比较各层燃料元件平均功率占比E2-1/Num2-1，...，E2-i/Num2-i，E2-X/Num2-X与理论燃料元件平均功率占比
Figure BDA0003192160930000071
若分层内计算值小于理论平均值，则统一增加该类燃料元件内的全部网格的平均燃料份额，反之亦然；重复上述步骤5内过程多次，直至各层计数平均功率占比与理论平均值近似相等，则认为实现了反应堆径向功率展平，得到一组径向分层的平均燃料份额基准数据，基本表现为沿堆芯中心径向向外，燃料份额逐渐升高，靠近径向反射层区域又有所降低；对径向各层的平均燃料份额进行微调，维持有效增殖系数接近1。
步骤6：引入一种理想轴向功率分布基准曲线，基本表现为前端低温区具有高功率占比，后段高温区具有低功率占比，同时要求功率峰值因子不高于1.3；对同一类燃料元件内的不同轴向分层集合即2-i-j进行裂变沉积能计数，遍历所有燃料元件种类，则共分为X组计数，每组计数M个数据；对每一类燃料元件内的轴向M个数据进行归一化处理，并与理想轴向功率分布基准曲线进行比对；若分层集合的功率占比E2-i-j低于理想轴向功率分布基准曲线，则增加统一燃料份额，反之亦然；重复上述步骤6内过程多次，直至各层功率占比归一化曲线与理想轴向功率分布基准曲线接近，则实现了径向不同类燃料元件的统一轴向功率优化；在有控制棒参与的核热推进堆芯中，很难达到与理想轴向功率分布基准曲线的完全统一，此时应当允许前端低温区功率占比高于理想值偏差不超过5％，后端高温区则低于理想值偏差不超过5％；在这种允许偏差下，该处理方法对沿程压降的影响极小，仍可认为实现了轴向优化；对径向各层分区的平均燃料份额、堆芯整体平均燃料份额、控制棒位置、轴向分层的燃料份额排布进行微调，维持有效增殖系数接近1。
步骤7：根据步骤1中的活性区径向分层规律轴向M×径向N，划分热工流体计算网格；由于轴向和径向双向统一的功率优化的实现，能够采用单通道方法进行基本的核热耦合计算；对不同类燃料元件内具有相同轴向和径向坐标区域的所有网格进行加和计数，得到轴向第j层的编号为k的径向网格的总功率占比
Figure BDA0003192160930000081
进而得到单通道下的燃料元件活性区精细三维功率归一化分布，相应折合为对应的体功率密度作为内热源输入热工流体计算中；单通道热工流体特性经由CFD程序直接计算获得，得到对应的燃料元件迭代计算温度分布；依此，更新中子物理学建模中的三维温度分布。
步骤8：重新进行步骤5与步骤6中堆芯径向分层与各燃料元件的轴向分层功率分布计数统计，相应调整三维分层中的燃料份额，使得各区域功率占比重新达到基准并维持有效增殖系数接近1。
步骤9：重复步骤7与步骤8，实现核热耦合优化统一，完成功率展平优化工作。
本发明未详细写明的内容均为本领域的公知常识。

Claims (1)

1.一种六棱柱式核热推进反应堆核热耦合建模仿真优化方法，其特征在于：涉及蒙卡中子物理学建模思路与核热耦合迭代求解过程，在平均燃料份额的基础上统一轴向/径向三维燃料排布策略，实现功率分配优化工作，显著提高反应堆安全能量上限；
该方法包含以下步骤：
步骤1：根据六棱柱式燃料元件基本几何特征，确定基本燃料元件分层策略，包括径向网格控制体分层规则与轴向网格控制体分层数；由于核热推进反应堆的基本特点，燃料元件轴向结构基本固定依次为屏蔽层、轴向入口反射层、活性区和轴向出口反射层，其中屏蔽层、轴向入口反射层、轴向出口反射层无燃料不产生内热源，故无需进行网格分层；因此，仅将活性区网格分层为轴向M×径向N，记为单元级别u＝1；
步骤2：重复生成多组类似的u＝1网格组，假设共分为X组，包括：1-1，1-2，...，1-i，1-X，则共包含X×M×N个分层网格；按屏蔽层-轴向入口反射层-活性区网格分层u＝1-轴向出口反射层的规则进行几何填充，形成多组类似的完整燃料元件结构，记为u＝2，分为2-1，2-2，...，2-i，2-X共X类燃料元件；规定同一燃料元件内，同一轴向分层内的各径向网格内燃料含量相同，更加符合实际工程制造的应用并相应简化优化难度，根据这一特性将同一燃料元件活性区内的同一轴向区域内的所有网格表示为一层轴向网格集合：记为2-i-j，表示第i类燃料的第j个轴向区域的网格集合；
步骤3：将u＝2的X类基本燃料元件按反应堆径向几何规律依次填充堆芯区域；将各类燃料元件依次填入各层分区中形成反应堆堆芯初始基本结构；
步骤4：额外构建主控控制组件、次控控制组件、安全组件结构，这部分结构在初期设计时不参与核热耦合计算，由统一的宏体结构进行完整生成，不需进行网格划分；对应替换相应区域的基本燃料元件结构，并添加径向反射层结构，形成具有完整功能的反应堆堆芯结构，单元级别记为u＝3；初始化不同类燃料元件内的分层网格组具有相同的燃料份额和燃料温度，同时调整平均燃料份额与控制系统位置，使得堆芯有效增殖系数k-eff接近1；
步骤5：对不同类的径向多层燃料元件进行裂变沉积能计数，得到具有X个元素的计数数组{E2-i}i＝1～X；统计各层径向分层内燃料元件使用数目，得到{Num2-i}i＝1～X，比较各层燃料元件平均功率占比E2-1/Num2-1，...，E2-i/Num2-i，E2-X/Num2-X与理论燃料元件平均功率占比
Figure FDA0003192160920000021
若分层内计算值小于理论平均值，则统一增加该类燃料元件内的全部网格的平均燃料份额，反之亦然；重复上述步骤5内过程多次，直至各层计数平均功率占比与理论平均值近似相等，则认为实现了反应堆径向功率展平，得到一组径向分层的平均燃料份额基准数据，基本表现为沿堆芯中心径向向外，燃料份额逐渐升高，靠近径向反射层区域又有所降低；对径向各层的平均燃料份额进行微调，维持有效增殖系数k-eff接近1；
步骤6：引入一种理想轴向功率分布基准曲线，基本表现为前端低温区具有高功率占比，后段高温区具有低功率占比，同时要求功率峰值因子不高于1.3；对同一类燃料元件内的不同轴向分层集合即2-i-j进行裂变沉积能计数，遍历所有燃料元件种类，则共分为X组计数，每组计数M个数据；对每一类燃料元件内的轴向M个数据进行归一化处理，并与理想轴向功率分布基准曲线进行比对；若分层集合的功率占比E2-i-j低于理想轴向功率分布基准曲线，则增加统一燃料份额，反之亦然；重复上述步骤6内过程多次，直至各层功率占比归一化曲线与理想轴向功率分布基准曲线接近，则实现了径向不同类燃料元件的统一轴向功率优化；在有控制棒参与的核热推进堆芯中，很难达到与理想轴向功率分布基准曲线的完全统一，此时应当允许前端低温区功率占比高于理想值不超过5％，后端高温区则低于理想值不超过5％；在这种允许偏差下，该处理方法对沿程压降的影响小，实现了轴向优化；对径向各层分区的平均燃料份额、堆芯整体平均燃料份额、控制棒位置、轴向分层的燃料份额排布进行微调，维持有效增殖系数k-eff接近1；
步骤7：根据步骤1中的活性区径向分层规律轴向M×径向N，划分热工流体计算网格；由于轴向和径双向统一的功率优化的实现，能够采用单通道方法进行基本的核热耦合计算；对不同类燃料元件内具有相同轴向和径向坐标区域的所有网格进行加和计数，得到轴向第j层的编号为k的径向网格的总功率占比
Figure FDA0003192160920000031
进而得到单通道下的燃料元件活性区精细三维功率归一化分布，相应折合为对应的体功率密度作为内热源输入热工流体计算中；单通道热工流体特性经由CFD程序直接计算获得，得到对应的燃料元件迭代计算温度分布；依此，更新中子物理学建模中的三维温度分布；
步骤8：重新进行步骤5与步骤6中堆芯径向分层与各燃料元件的轴向分层功率分布计数统计，相应调整三维分层中的燃料份额，使得各区域功率占比重新达到基准并维持有效增殖系数k-eff接近1；
步骤9：重复步骤7与步骤8，实现核热耦合优化统一，完成功率展平优化工作。
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