CN113963759A - 弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法及装置 - Google Patents
弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法及装置，其中方法包括：根据燃料基质栅元的几何参数，建立微观精细模型；将所述燃料层和所述可燃毒物颗粒球的空间结构进行混合，获得与所述微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及可燃毒物的有效份额；根据所述有效份额，将燃料棒中的燃料基质和可燃毒物颗粒球进行混合，并对混合后的燃料棒做燃耗计算，以及统计N、n、φ等重要燃耗数据，实现多尺度耦合的燃耗计算。本发明提供一种基于多尺度耦合的计算方法，使求解燃耗过程中避开了过密的计算网格，减少了相应的计算量，在能反映真实燃耗表现的同时，极大地提高了计算效率。本发明可广泛应用于核工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及核工程领域，尤其涉及一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法及装置。
背景技术
在反应堆安全运行过程中，反应性的控制尤为重要；而在堆内可燃毒物的设置是其中一种重要途径。有利于减少反应堆寿期初的初始反应性，对反应堆的无人值守控制起着重要作用。其中，在均匀燃料中嵌入弥散的可燃毒物颗粒，能够长期、灵活地控制反应性进程。基于其特殊的空间结构导致的空间自屏效应，燃耗过程中会出现分层燃烧的现象；在当前计算方法中，精确还原这种现象需要将网格划分得很细，需要极大的计算量，计算负担很大。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法及装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，包括以下步骤：
S1、根据燃料基质栅元的几何参数，建立微观精细模型；其中，微观精细模型中包括燃料层和被划分为多层的可燃毒物颗粒球；
S2、将所述燃料层和所述可燃毒物颗粒球的空间结构进行混合，获得与所述微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及可燃毒物的有效份额；
S3、根据所述有效份额，将燃料棒中的燃料基质和可燃毒物颗粒球进行混合，获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量；
S4、根据所述有效增殖因子和所述平均通量做燃耗计算，获得燃料基质的新核子密度N；
S5、在微观精细模型中，根据所述平均通量做燃耗计算，获得所述可燃毒物颗粒球的新核子密度n；
S6、将新核子密度N和新核子密度n返回步骤S1，并执行步骤S1-S5，以实现多尺度耦合的燃耗计算。
进一步，所述微观精细模型还包括包壳层和慢化剂层；
所述可燃毒物颗粒球、所述燃料层、所述包壳层以及所述慢化剂层各球层的尺寸均按照宏观中燃料棒束栅元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
进一步，所述反应性相同指的是所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等。
进一步，通过以下步骤使所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等：
对所述微观精细模型进行建模，计算获得所述微观精细模型的有效增殖因子；
根据可燃毒物颗粒球在燃料基质中的占比，将所述燃料层和可燃毒物颗粒球混合之后，调整燃料成分的核子密度，以保持燃料总量不变；
通过调整可燃毒物的有效平均核子密度，以使所述微观等效均匀模型的有效增殖因子等于所述微观精细模型的有效增殖因子；
其中，通过调整获得的有效平均核子密度作为可燃毒物的有效份额。
进一步，采用中子物理分析栅元程序对所述微观精细模型进行建模。
进一步，所述获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量，包括：
对混合后的整个燃料棒的束栅元进行建模，并做临界计算，获得有效增殖因子和平均通量。
进一步，所述可燃毒物颗粒球被划分为10层。
进一步，在所述微观等效均匀模型中，所述包壳层以及所述慢化剂层保持不变。
进一步，所述慢化剂层的压水堆中采用轻水。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
本发明所采用的另一技术方案是：
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于多尺度耦合的计算方法，使求解燃耗过程中避开了过密的计算网格，减少了相应的计算量，在能反映真实(精细)燃耗表现的同时，极大地提高了计算效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法的流程图；
图2是本发明实施例中微观精细模型的示意图；
图3是本发明实施例中微观等效均匀模型的示意图；
图4是本发明实施例中多尺度耦合算法的误差图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，包括以下步骤：
S101、根据燃料基质栅元的几何参数，建立微观精细模型；其中，微观精细模型中包括燃料层和被划分为多层的可燃毒物颗粒球。
根据嵌入弥散可燃毒物颗粒的均匀燃料基质栅元的相应的几何参数，建立一个微观精细球层模型，如图2所示；最内部为被精细划分成10层的可燃毒物颗粒球，其外包围着一层均匀燃料层，次外层是包壳层，最外层为慢化剂层(一般压水堆中采用轻水)；其中，各球层的尺寸均按照宏观燃料棒束栅元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
S102、将燃料层和可燃毒物颗粒球的空间结构进行混合，获得与微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及可燃毒物的有效份额。
根据上述的微观精细模型，根据反应性等效策略，将其等效均匀化，获得一个微观均匀模型，如图3所示。等效模型中，外部的慢化剂层和包壳层保持不变，将燃料层和毒物颗粒层混合。等效化的策略是使得两个微观模型具有相同的反应性；即保证有效增殖因子K相等。
其中，通过以下步骤A1-A3使微观精细模型与微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等：
A1、采用中子物理分析栅元程序对微观精细模型进行建模并获得其K值，作为参考值。
A2、根据毒物颗粒在燃料基质中的占比，将燃料层和毒物层混合之后，改变燃料成分的核子密度，保持燃料总量不变(即，当前混合之后，燃料体积份额相应增加，核子密度应相应减少以保持总量不变)。
A3、调整毒物材料的有效平均核子密度(即有效份额为fv)，使得新均匀模型与原精细模型有相等的K值。
S103、根据有效份额，将燃料棒中的燃料基质和可燃毒物颗粒球进行混合，获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量。
S104、根据有效增殖因子和平均通量做燃耗计算，获得燃料基质的新核子密度N。
S105、在微观精细模型中，根据平均通量做燃耗计算，获得可燃毒物颗粒球的新核子密度n；
S106、将新核子密度N和新核子密度n返回步骤S101，并执行步骤S101-S105，以实现多尺度耦合的燃耗计算。
在本实施例中，将燃料棒束栅元模型作为宏观模型。根据图3中的微观等效均匀模型中的可燃毒物的有效份额fv，将宏观精细燃料棒中的燃料基质和弥散毒物颗粒球均匀混合，根据可燃毒物的有效核子密度来计算。
用中子物理分析栅元程序对整个棒束栅元进行建模，并做临界计算，获得整体的有效增殖因子K1、平均通量φ；做燃耗计算，获得燃料基质的新核子密度N(除毒物外)。
最后，在微观精细模型中，在平均通量φ的水平下，做燃耗计算，获得毒物颗粒的新核子密度n。将微观模型重新更新其毒物层核子密度n和燃料层核子密度N，重复步骤S101-S106，即可完成多尺度耦合的燃耗计算。
以下结合实施例及附图对本实施例方法作进一步详细的描述，但本实施例的实施方式不限于此。
计算实例1：在富集度为5％的UO2均匀燃料中嵌入1％的半径为500um的可燃毒物颗粒Gd2O3；本案例是基于燃料棒束栅元进行建模计算，其中，正方形栅元边长为1.6cm，均匀燃料棒束半径0.5cm，燃料包壳外半径为0.55cm。具体采用的技术方案包括：
S201、建立微观精细模型。
根据嵌入弥散可燃毒物颗粒的均匀燃料基质栅元的相应的几何参数，建立一个微观精细球层模型；其中直径为500um的可燃毒物颗粒球被等体积划分成10份，外层燃料球层半径为0.2321cm，包壳层外径为0.2473cm，慢化剂层外径为0.3435cm。用其中一种中子物理分析计算程序DRAGON，对上述微观精细模型进行临界计算获得其有效增殖因子k-ref。
S202、微观等效均匀化。
建立一个微观均匀模型，其中，慢化剂层和包壳层和精细模型保持一致，燃料层和可燃毒物球的空间结构均匀混合。根据混合比例，调整燃料UO2的核子密度；此处可燃毒物的体积份额为1％，因此，UO2分子所占据的空间由99％拓展到100％，因此核子密度需要乘上0.99以保持燃料总量不变。对该模型进行临界计算获得其有效增殖因子k，并且通过不断调整可燃毒物的有效份额fv，改变其核子密度，最终得到k＝k-ref。其中初始状态下，fv＝0.0126。
S203、微观-宏观耦合计算。
建立一个均匀燃料棒束栅元作为宏观模型，将均匀燃料UO2与可燃毒物颗粒Gd2O3均匀混合。并将S2获得的可燃毒物的有效份额fv，用于宏观的燃料棒束模型中，用来确定可燃毒物在均匀燃料棒束中的核子密度。整体做临界计算获得其有效增殖因子K1和平均通量φ，做燃耗计算获得燃料UO2及其相关产物的新核子密度N。将φ和N再次用于微观模型中做燃耗计算，获得新的可燃毒物核子密度n。用N和n更新S1微观模型中的相应区间的成分，重复S1-S2-S3以获得下一燃耗步的计算。统计N、n、φ等重要燃耗数据。
S204、验证与结论。
现有的碰撞概率法能够求解这种分层燃烧现象，虽然计算量消耗较大，不过依然可以作为参考解。如图4所示，通过与现有的碰撞概率法求解的结果进行比较，本实施例公开的多尺度耦合算法，在计算求解均匀燃料中嵌入的弥散可燃毒物颗粒的整个分层燃耗过程中，整体误差水平在200pcm以内，初始误差水平在100pcm以内，只有最终一个寿期末的误差稍微偏大，也在300pcm以内；这是由于误差随着燃耗不断累积和寿期末核素密度过低而导致的。总体来说，该方法具有较高的精度；以及本发明的高效率、计算量少等固有优势。
综上所述，本实施例的方法相对于现有技术，具有如下有益效果：本实施例公开了一种基于多尺度耦合的计算方法，使求解燃耗过程中避开了过密的计算网格，减少了相应的计算量，在能反映真实(精细)燃耗表现的同时，极大地提高了计算效率。其中，在更大规模的计算工况下(如，组件级别和全堆级别计算)，会有更加优秀的计算性能。
本实施例还提供一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如图1所示的方法。
本实施例的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据燃料基质栅元的几何参数，建立微观精细模型；其中，微观精细模型中包括燃料层和被划分为多层的可燃毒物颗粒球；
S2、将所述燃料层和所述可燃毒物颗粒球的空间结构进行混合，获得与所述微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及可燃毒物的有效份额；
S3、根据所述有效份额，将燃料棒中的燃料基质和可燃毒物颗粒球进行混合，获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量；
S4、根据所述有效增殖因子和所述平均通量做燃耗计算，获得燃料基质的新核子密度N；
S5、在微观精细模型中，根据所述平均通量做燃耗计算，获得所述可燃毒物颗粒球的新核子密度n；
S6、将新核子密度N和新核子密度n返回步骤S1，并执行步骤S1-S5，以实现多尺度耦合的燃耗计算。
2.根据权利要求1所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述微观精细模型还包括包壳层和慢化剂层；
所述可燃毒物颗粒球、所述燃料层、所述包壳层以及所述慢化剂层各球层的尺寸均按照宏观中燃料棒束栅元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
3.根据权利要求1所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述反应性相同指的是所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等。
4.根据权利要求3所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，通过以下步骤使所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等：
对所述微观精细模型进行建模，计算获得所述微观精细模型的有效增殖因子；
根据可燃毒物颗粒球在燃料基质中的占比，将所述燃料层和可燃毒物颗粒球混合之后，调整燃料成分的核子密度，以保持燃料总量不变；
通过调整可燃毒物的有效平均核子密度，以使所述微观等效均匀模型的有效增殖因子等于所述微观精细模型的有效增殖因子；
其中，通过调整获得的有效平均核子密度作为可燃毒物的有效份额。
5.根据权利要求4所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述对所述微观精细模型进行建模，包括：
采用中子物理分析栅元程序对所述微观精细模型进行建模。
6.根据权利要求1所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量，包括：
对混合后的整个燃料棒的束栅元进行建模，并做临界计算，获得有效增殖因子和平均通量。
7.根据权利要求1所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述可燃毒物颗粒球被划分为10层。
8.根据权利要求2所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，在所述微观等效均匀模型中，所述包壳层以及所述慢化剂层保持不变。
9.根据权利要求2所述的一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算方法，其特征在于，所述慢化剂层的压水堆中采用轻水。
10.一种弥散可燃毒物颗粒分层燃耗的多尺度耦合计算装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-9任一项所述方法。
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2021
- 2021-09-17 CN CN202111092453.8A patent/CN113963759B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE335890B (zh) * | 1970-10-12 | 1971-06-14 | Asea Atom Ab | |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 娄磊等: "弥散燃料与可燃毒物双重非均匀性分析", 《中国核电》, no. 01, 15 February 2020 (2020-02-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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