CN115331855A - 用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法 - Google Patents

用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法 Download PDF

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CN115331855A
CN115331855A CN202210799817.4A CN202210799817A CN115331855A CN 115331855 A CN115331855 A CN 115331855A CN 202210799817 A CN202210799817 A CN 202210799817A CN 115331855 A CN115331855 A CN 115331855A
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nuclide
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刘晓晶
杨清
潘清泉
张滕飞
柴翔
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Abstract

一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法，包括：中子物理模拟模块、热工水力模拟模块、功率转换模块、主函数模块、燃耗核素更新模块以及控制鼓位置更新模块，本发明通过在燃耗耦合计算的过程中，藉由控制鼓位置更新模块始终动态调整控制鼓的位置。而常规的多物理场耦合方法中，控制鼓的位置固定不变，因此堆芯的有效增殖因子始终大于1.0，其耦合计算的结果不能反映反应堆在实际运行时的状态。当采用本发明的多物理场耦合方法计算时，通过对控制鼓位置的不断调整，反应堆的有效增殖因子始终处于1.0附近，更加接近真实反应堆的运行工况，能够更加准确地模拟反应堆的状态。

Description

用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种微型反应堆控制领域的技术，具体是一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法。
背景技术
现有多物理场的耦合方法未曾考虑反应堆燃耗，因为反应堆寿期初，寿期中，寿期末的功率分布以及核素均有较大的不同；微型反应堆通常通过控制鼓来进行反应性的控制，随着反应堆的持续运行，反应性逐渐下降，此时需要调整控制鼓的位置，使反应堆始终保持在临界状态，而常规的耦合并未考虑控制鼓的位置的调整。
发明内容
本发明针对现有技术无法根据燃耗以及反应堆的临界状态调整控制鼓的位置，提出一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统及方法，在常规耦合方法的基础增加燃耗核素更新模块以及控制鼓的位置更新模块，能够动态地耦合燃耗并根据反应性调整控制鼓的位置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统，包括：中子物理模拟模块、热工水力模拟模块、功率转换模块、主函数模块、燃耗核素更新模块以及控制鼓位置更新模块，其中：中子物理模拟模块接收热工水力程序输出的燃料温度场、冷却剂温度场和冷却剂密度场数据并转换为中子物理模拟模块可识别的数据格式，生成并更新中子物理计算模型，调用并运行中子物理计算程序并得到堆芯的裂变功率形状分布、燃耗的核素信息以及堆芯的临界状态信息，功率转换模块接收中子物理模拟生成的裂变功率分布并转换为热工水力程序可识别并应用的数据格式，然后传递给热工水力模拟模块，热工水力模拟模块接收数据后进行计算并输出燃料的温度场、冷却剂的温度场和冷却剂的密度场，燃耗核素更新模块根据中子物理程序生成的核素信息进行数据转换，并将其重新添加进中子物理计算模型中，控制鼓位置更新模块根据中子物理计算程序得到堆芯临界状态信息，求解控制鼓价值函数，根据控制鼓的坐标以及直径更新中子物理计算模型中的控制鼓位置。
本发明涉及一种基于上述系统的多物理场耦合方法，包括以下步骤：
步骤1)基于中子物理程序，根据初始燃料温度、燃料密度、冷却剂温度、冷却剂密度得到燃料和冷却剂的中子宏观截面，然后求解中子输运方程和燃耗方程，计算得到中子裂变功率，堆芯的有效增殖因子，燃耗核素的分布以及比例。
步骤2)将中子裂变率转换为功率分布，进而得到每个网格的功率。
步骤3)将每个网格的功率赋予热工网格，通过求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，得到燃料温度、燃料密度、冷却剂温度和冷却剂密度；
步骤4)当步骤3)得到的燃料和冷却剂的温度场和密度场收敛时，进行步骤5)；否则更新中子物理模型文件中燃料温度、冷却剂温度和冷却剂密度并返回步骤1)；
步骤5)当达到预设燃耗时结束计算，得到反应堆在整个燃耗寿期内的有效增殖因子，功率分布，燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度，以及控制鼓的位置变化信息。当未达到预设的燃耗步数，则执行步骤6)继续计算。
步骤6)运行燃耗更新模块以及控制鼓位置更新模块，并更新中子物理模型文件中的燃料温度、冷却剂温度和冷却剂密度并进行下一步燃耗计算；
技术效果
本发明在中子物理以及热工水力的多物理场耦合计算中根据燃耗以及堆芯的临界状态实时更新控制鼓的位置。现有的多物理场耦合方法在进行燃耗耦合计算时，由于未考虑控制鼓或控制棒的位置调整，所以其计算得到的堆芯有效增殖因子基本呈线性降低的趋势，在耦合计算过程中，堆芯的有效增殖因子始终大于1，即堆芯始终处于超临界状态，本发明方法根据燃耗和堆芯的临界状态调整控制鼓的位置，在理想状态下，堆芯的有效增殖因子可以保持在1附近，较为接近反应堆运行的实际状态。在耦合过程中控制鼓的角度不断调整，从初始的113.2°到最后的168.3°，这在常规的多物理场耦合方法中是不具备的。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为用于微型反应堆的多物理场耦合系统示意图；
图3为实施例微型反应堆示意图；
图4为控制鼓示意图；
图中：反射层1、控制鼓单元2、包壳3、铅铋冷却剂4、弥散型燃料5、停堆控制棒6、控制鼓结构材料7，控制鼓中子吸收材料涂层8。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例涉及的一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统，包括：中子物理模拟模块、热工水力模拟模块、功率转换模块、主函数模块、燃耗核素更新模块以及控制鼓位置更新模块，其中：中子物理模拟模块接收热工水力程序输出的燃料温度场、冷却剂温度场和冷却剂密度场数据并转换为中子物理模拟模块可识别的数据格式，生成并更新中子物理计算模型，调用并运行中子物理计算程序得到堆芯的裂变功率形状分布、燃耗的核素信息以及堆芯的临界状态信息，功率转换模块接收中子物理模拟生成的裂变功率分布并转换为热工水力程序可识别并应用的数据格式，然后传递给热工水力模拟模块，热工水力模拟模块接收数据后进行计算并输出燃料的温度场、冷却剂的温度场和冷却剂的密度场，燃耗核素更新模块根据中子物理程序生成的核素信息进行数据转换，并将其重新添加进中子物理计算模型中，控制鼓位置更新模块根据中子物理计算程序得到堆芯临界状态信息，求解控制鼓价值函数，根据控制鼓的坐标以及直径更新中子物理计算模型中的控制鼓位置。
本实施例基于编程语言(包括但不限于Matlab，python，Fortran，C++)开发中子物理以及热工水力的多物理场耦合程序，并在耦合程序的基础上开发燃耗耦合模块，燃耗核素更新模块，控制鼓位置更新模块。由于中子物理程序和热工水力程序底层设计语言，应用场景以及开发者习惯的不同，两个程序的建模方式以及数据的格式有较大的差异，同时中子物理的功率分布受到热工水力程序计算得到的冷却剂的温度，密度以及燃料的温度影响较大，同时冷却剂的温度，密度以及燃料的温度又受到功率分布的影响，两个程序相互影响，耦合效应比较强烈，为提升模拟的精确度，需要开发多物理场耦合程序。耦合程序处理中子物理程序以及热工水力程序生成的数据，将数据转换为可相互识别并使用的格式；调用中子物理程序和热工水力程序；判断计算是否收敛和是否结束；调用燃耗核素更新模块和控制鼓位置更新模块，更新中子物理计算模型。燃耗核素更新模块同样基于编程语言开发，将中子物理生成的核素文件进行格式转换，并输入到中子物理计算模型中；控制鼓位置更新模块根据反应堆的临界状态，实时调整控制鼓的位置。
如图1所示，为本实施例涉及一种基于上述系统的用于微型反应堆的多物理场耦合方法，包括以下步骤：
步骤1)基于中子物理模拟模块，根据初始燃料温度
Figure BDA0003737071890000031
燃料密度
Figure BDA0003737071890000032
冷却剂温度
Figure BDA0003737071890000033
冷却剂密度
Figure BDA0003737071890000034
通过评价核数据库得到燃料和冷却剂的中子宏观截面，生成中子物理模型文件，调用中子物理程序求解中子输运方程和燃耗方程，计算得到裂变功率
Figure BDA0003737071890000035
和燃耗的核素文件
Figure BDA0003737071890000036
其中：p为第p次燃耗，q为第p次燃耗步内迭代次数，g为网格的编号。
所述的中子物理程序包括但不限于：OpenMC，MCNP，RMC，Serpent等蒙特卡洛程序。
所述的中子物理模型文件是指：中子物理程序可接收的输入卡，其中定义计算模型的结构、尺寸、材料、边界条件。
所述的评价核数据库包括但不限于：中国的CENDL，美国的ENDF数据库。
所述的中子输运方程为：
Figure BDA0003737071890000037
其中：
Figure BDA0003737071890000041
为在位置
Figure BDA0003737071890000042
能量为E，运动方向为
Figure BDA0003737071890000043
的中子角注量率，
Figure BDA00037370718900000431
为在位置
Figure BDA0003737071890000044
能量为E的中子宏观截面，这一项系数由燃料温度
Figure BDA0003737071890000045
燃料密度
Figure BDA0003737071890000046
冷却剂温度
Figure BDA0003737071890000047
冷却剂密度
Figure BDA0003737071890000048
通过评价核数据库得到，
Figure BDA0003737071890000049
为在位置
Figure BDA00037370718900000410
能量为E，运动方向为
Figure BDA00037370718900000411
的散射中子源，
Figure BDA00037370718900000412
为在位置
Figure BDA00037370718900000413
能量为E，运动方向为
Figure BDA00037370718900000414
的各向同性的裂变中子源。在求解中子输运方程时，给定中子宏观截面以及裂变中子源，可以求出中子注量率，中子注量率乘中子裂变截面
Figure BDA00037370718900000415
可以得到裂变功率
Figure BDA00037370718900000416
所述的燃耗方程为：
Figure BDA00037370718900000417
其中：Ni(t)为核素i在t时刻的浓度，lij为核素j中因为放射性衰变形成的核素i的比例，λj为核素j的衰变常数，Nj为核素j的浓度，fik为核素k中由于中子反应形成核素i的比例，φ为平均中子注量率，σk为核素k的微观截面，Nk为核素k的浓度，λi为核素i的衰变常数，σi为核素i的微观截面，Ni表示核素i的浓度。燃耗方程中M表示关注的核素数量，一般反应堆会产生1500多种核素，可以根据计算硬件调整所关注核素的数量。
步骤2)通过功率转换模块将裂变功率
Figure BDA00037370718900000418
转换为功率分布
Figure BDA00037370718900000419
Figure BDA00037370718900000420
由于中子物理程序统计得到的裂变功率仅为形状分布，需要将其转换为功率分布，裂变功率的总和与功率的总和是线性的关系，得到系数S，然后
Figure BDA00037370718900000421
即为每个网格的功率。
所述的功率转换模块具体为：提取中子物理程序计算得到的Tally格式的文件中每个网格的裂变功率，然后通过步骤2)转换为每个网格的功率，形成热工水力模拟模块可读取的格式文件。
步骤3)通过热工水力模拟模块将每个网格的功率
Figure BDA00037370718900000422
赋予热工网格，通过热工水力模拟模块，将功率转换模块计算得到的每个网格的功率加载进热工水力程序的模型文件中，调用热工水力程序，求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，得到燃料温度
Figure BDA00037370718900000423
燃料密度
Figure BDA00037370718900000424
冷却剂温度
Figure BDA00037370718900000425
和冷却剂密度
Figure BDA00037370718900000426
所述的热工水力程序包括但不限于：Fluent、STAR-CCM+。
所述的质量守恒方程是指：
Figure BDA00037370718900000427
Figure BDA00037370718900000428
所述的动量守恒方程是指：
Figure BDA00037370718900000429
Figure BDA00037370718900000430
Figure BDA0003737071890000051
所述的能量守恒方程是指：
Figure BDA0003737071890000052
其中：
Figure BDA0003737071890000053
Figure BDA0003737071890000054
分别为x，y，z方向的速度，μ为粘度，fx，fy，fz为网格所受的外力，T为网格温度，λ为流体的热导率，cp为流体的定压比热容，ST为粘性耗散项。
步骤4)当步骤3)得到的燃料和冷却剂的温度场和密度场收敛时，进行步骤5)；否则将燃料温度
Figure BDA0003737071890000055
燃料密度
Figure BDA0003737071890000056
冷却剂温度
Figure BDA0003737071890000057
冷却剂密度
Figure BDA0003737071890000058
导入中子物理模拟模块并返回步骤1)；
所述的收敛是指：
Figure BDA0003737071890000059
Figure BDA00037370718900000510
其中：
Figure BDA00037370718900000511
Figure BDA00037370718900000512
分别为燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度的残差，
Figure BDA00037370718900000513
分别为计算允许的燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度的最大残差。
步骤5)当燃耗时长达到预设的数值时结束计算，得到反应堆在整个燃耗寿期内的有效增殖因子、功率分布、燃料温度、冷却剂温度、冷却剂密度以及控制鼓的位置变化信息，否则执行步骤6)。
所述的燃耗时长为反应堆满功率运行的时间，单位为天。
所述的有效增殖因子是指：堆芯中新生一代的中子数和产生它的直属上一代中子数的比值，当其大于1.0时，反应堆处于超临界状态，功率不断上升，当其为1.0时，反应堆的功率保持不变，处于稳定状态，当其小于1.0时，反应堆功率不断衰减。实际反应堆运行时，其为1.0。
步骤6)燃耗核素更新模块根据步骤1)产生的燃耗核素文件，通过中子物理模拟模块更新中子物理模型文件，并调用中子物理程序进行下一步燃耗计算，具体为：根据步骤4)得到的燃料温度
Figure BDA00037370718900000514
燃料密度
Figure BDA00037370718900000515
冷却剂温度
Figure BDA00037370718900000516
和冷却剂密度
Figure BDA00037370718900000517
以及步骤6)得到的核素数据，并调用控制鼓位置更新模块，进调整控制鼓的角度，运行中子物理模拟模块，生成新的中子物理模型文件，运行中子物理程序，进行第p+1步燃耗计算，进行步骤1)。
所述的数据转换是指：将核素信息转换为核素数据，例如：中子物理程序生成的核素信息示例，第一行为中“cell＝1>9>45123”为网格编号，“mat＝22593”为材料的编号，第二行为“NuclideMassDensityAtomDensity”三列数据分别为核素的编码，核素的质量密度，核素的原子密度。核素的编码前两位数为核素的质子数，第三位到第四位数(如质量数大于100，则为第三位数到第五位数)为核素的质量数，最后一位数为无效信息，如420960为质子数为42，质量数为96的核素，即为钼元素。
表1中子物理程序生成的核素信息
cell＝1>9>45123 mat＝22593
Nuclide MassDensity AtomDensity
Sum 1.16379E+01 6.31320E-02
420960 4.62722E+00 2.90552E-02
220480 2.32758E-02 2.92210E-04
400910 3.72412E-03 2.46704E-05
922350 5.68124E+00 1.45559E-02
922380 9.09524E-01 2.30085E-03
70140 3.91964E-01 1.68565E-02
表2经过核素更新模块处理的核素数据
mat＝22593 -1.16379E+01
42096.72c -4.62722E+00
22048.72c -2.32758E-02
40091.72c -3.72412E-03
92235.72c -5.68124E+00
92238.72c -9.09524E-01
7014.72c -3.91964E-01
转换后的第一行信息表示：第45123号材料的密度为11.6375g/cm3，其中包含42096，22048等核素，后缀.72c为900K温度下的核素截面。核素的质量密度分别为4.6272，0.023276。上述密度和质量密度需要加负号(-)是因为中子物理程序中，为区别质量密度和原子密度，负号为质量密度，正值为原子密度。
所述的控制鼓价值函数是指：控制鼓面向堆芯角度不同时，其对堆芯的影响效果不同，该影响效果可以通过多项式表达，即为控制鼓价值曲线，通过求解多项式，得到控制鼓的角度。
如图3所示，为本实施例涉及的微型反应堆，包括：反射层1以及设置于其内部的六边形燃料5、位于燃料5外部的六个用于反应性控制的控制鼓单元2以及位于燃料5内部的若干铅铋冷却剂4和一个用于紧急停堆的控制棒6，其中：各个控制鼓单元2可以分为两组，1，3，5为一组，2，4，6为一组，两组控制鼓单元通过独立的驱动机构转动。
如图3和图4所示，所述的控制鼓单元2包括：主体材料8和位于其外部的中子吸收材料9，控制鼓单元由两个圆和两条直线经过布尔运算得到，如图4所示。图中的控制鼓在中子物理模型文件中为：-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2，材料为B4C，！(-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2)，材料为BeO，其中：负号(-)表示圆内或直线的下面，正号(+)表示圆外或直线上面，！表示非，所以-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2表述为圆R_1的内部，圆R_2的外部，直线L_1的下部，直线L_2的下部相交即得到图4中的黑色部分，黑色部分的材料为B4C，！(-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2)可以表述为除黑色部分外的部分，材料为BeO。
当1号控制鼓单元的圆心坐标为(0，D)，中子吸收材料圆弧角度为θ，控制鼓面向堆芯的角度为β，圆R_1的半径为R，圆R_2的半径为r，则有：
1号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000071
Figure BDA0003737071890000072
直线L_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000073
圆R_1的方程为：x2+(y-D)2＝R2；圆R_2的方程为：x2+(y-D)2＝r2；由上述四个方程可得到面向堆芯任意角度的控制鼓；
2号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000074
直线L_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000075
圆R_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000076
圆R_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000077
3号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000078
Figure BDA0003737071890000079
直线L_2的方程为：
Figure BDA00037370718900000710
圆R_1的方程为：
Figure BDA00037370718900000711
圆R_2的方程为：
Figure BDA00037370718900000712
4号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA00037370718900000713
Figure BDA00037370718900000714
直线L_2的方程为：
Figure BDA00037370718900000715
圆R_1的方程为：x2+(y+D)2＝R2；圆R_2的方程为：x2+(y+D)2＝r2；
5号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000081
直线L_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000082
圆R_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000083
圆R_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000084
6号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000085
Figure BDA0003737071890000086
直线L_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000087
圆R_1的方程为：
Figure BDA0003737071890000088
圆R_2的方程为：
Figure BDA0003737071890000089
当上述六个控制鼓单元的R为8.0cm，r为7.0cm，D为19.75cm，中子吸收材料圆弧角度为120°，燃耗时长为1800天时，经过本发明方法的耦合计算，结果如表3和表4所示。在燃耗耦合计算过程中，由于控制鼓的角度不断调整，堆芯的有效增殖因子始终保持在1.0附近，更接近于反应堆实际运行时的情形。经过控制鼓位置更新模块的调整，控制鼓的角度从初始的113.2°变为最后的168.3°。
表3常规多物理场耦合方法的效果
燃耗天数 堆芯有效增殖因子 控制鼓的角度(°)
365 1.012907 180
730 1.010018 180
1095 1.007105 180
1460 1.003989 180
1825 1.000855 180
表4本发明多物理场耦合方法的效果
Figure BDA00037370718900000810
Figure BDA0003737071890000091
与现有技术相比，本方法通过在燃耗耦合计算的过程中，藉由控制鼓位置更新模块始终动态调整控制鼓的位置。而常规的多物理场耦合方法中，控制鼓的位置固定不变，因此堆芯的有效增殖因子始终大于1.0，其耦合计算的结果不能反映反应堆在实际运行时的状态。当采用本发明的多物理场耦合方法计算时，通过对控制鼓位置的不断调整，反应堆的有效增殖因子始终处于1.0附近，更加接近真实反应堆的运行工况，能够更加准确地模拟反应堆的状态。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种用于微型反应堆的多物理场耦合系统，其特征在于，包括：中子物理模拟模块、热工水力模拟模块、功率转换模块、主函数模块、燃耗核素更新模块以及控制鼓位置更新模块，其中：中子物理模拟模块接收热工水力程序输出的燃料温度场、冷却剂温度场和冷却剂密度场数据并转换为中子物理模拟模块可识别的数据格式，生成并更新中子物理计算模型，调用并运行中子物理计算程序并得到堆芯的裂变功率形状分布、燃耗的核素信息以及堆芯的临界状态信息，功率转换模块接收中子物理模拟生成的裂变功率分布并转换为热工水力程序可识别并应用的数据格式，然后传递给热工水力模拟模块，热工水力模拟模块接收数据后进行计算并输出燃料的温度场、冷却剂的温度场和冷却剂的密度场，燃耗核素更新模块根据中子物理程序生成的核素信息进行数据转换，并将其重新添加进中子物理计算模型中，控制鼓位置更新模块根据中子物理计算程序得到堆芯临界状态信息，求解控制鼓价值函数，根据控制鼓的坐标以及直径更新中子物理计算模型中的控制鼓位置。
2.根据权利要求1所述的用于微型反应堆的多物理场耦合系统，其特征是，所述的微型反应堆，包括：反射层以及设置于其内部的六边形燃料、位于燃料外部的六个用于反应性控制的控制鼓单元以及位于燃料内部的若干铅铋冷却剂和一个用于紧急停堆的控制棒，其中：六个控制鼓单元分为两组且分别通过独立的驱动机构转动；
所述的控制鼓单元包括：主体材料和位于其外部的中子吸收材料，控制鼓单元由两个圆和两条直线经过布尔运算得到，控制鼓在中子物理模型文件中表示：-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2，材料为B4C，！(-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2)，材料为BeO，其中：负号(-)表示圆内或直线的下面，正号(+)表示圆外或直线上面，！表示非，所以-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2表述为圆R_1的内部，圆R_2的外部，直线L_1的下部，直线L_2的下部相交即得到图4中的黑色部分，黑色部分的材料为B4C，！(-R_1∩+R_2∩-L_1∩-L_2)表述为除黑色部分外的部分，材料为BeO。
3.根据权利要求2所述的用于微型反应堆的多物理场耦合系统，其特征是，
当1号控制鼓单元的圆心坐标为(0，D)，中子吸收材料圆弧角度为θ，控制鼓面向堆芯的角度为β，圆R_1的半径为R，圆R_2的半径为r，则有：
1号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA0003737071880000011
Figure FDA0003737071880000012
直线L_2的方程为：
Figure FDA0003737071880000013
圆R_1的方程为：x2+(y-D)2＝R2；圆R_2的方程为：x2+(y-D)2＝r2；由上述四个方程可得到面向堆芯任意角度的控制鼓；
2号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA0003737071880000021
直线L_2的方程为：
Figure FDA0003737071880000022
圆R_1的方程为：
Figure FDA0003737071880000023
圆R_2的方程为：
Figure FDA0003737071880000024
3号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA0003737071880000025
Figure FDA0003737071880000026
直线L_2的方程为：
Figure FDA0003737071880000027
圆R_1的方程为：
Figure FDA0003737071880000028
圆R_2的方程为：
Figure FDA0003737071880000029
4号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA00037370718800000210
直线L_2的方程为：
Figure FDA00037370718800000211
圆R_1的方程为：x2+(y+D)2＝R2；圆R_2的方程为：x2+(y+D)2＝r2；
5号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA00037370718800000212
直线L_2的方程为：
Figure FDA00037370718800000213
圆R_1的方程为：
Figure FDA00037370718800000214
圆R_2的方程为：
Figure FDA00037370718800000215
6号控制鼓单元的控制方程包括：直线L_1的方程为：
Figure FDA00037370718800000216
Figure FDA00037370718800000217
直线L_2的方程为：
Figure FDA00037370718800000218
圆R_1的方程为：
Figure FDA00037370718800000219
圆R_2的方程为：
Figure FDA00037370718800000220
4.一种基于权利要求1～3中任一所述系统的多物理场耦合方法，其特征在于，包括：
步骤1)基于中子物理程序，根据初始燃料温度、燃料密度、冷却剂温度、冷却剂密度得到燃料和冷却剂的中子宏观截面，然后求解中子输运方程和燃耗方程，计算得到中子裂变功率，堆芯的有效增殖因子，燃耗核素的分布以及比例；
步骤2)将中子裂变率转换为功率分布，进而得到每个网格的功率；
步骤3)将每个网格的功率赋予热工网格，通过求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，得到燃料温度、燃料密度、冷却剂温度和冷却剂密度；
步骤4)当步骤3)得到的燃料和冷却剂的温度场和密度场收敛时，进行步骤5)；否则更新中子物理模型文件中燃料温度、冷却剂温度和冷却剂密度并返回步骤1)；
步骤5)当达到预设燃耗时结束计算，得到反应堆在整个燃耗寿期内的有效增殖因子，功率分布，燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度，以及控制鼓的位置变化信息；当未达到预设的燃耗步数，则执行步骤6)继续计算；
步骤6)运行燃耗更新模块以及控制鼓位置更新模块，并更新中子物理模型文件中的燃料温度、冷却剂温度和冷却剂密度并进行下一步燃耗计算。
5.根据权利要求4所述的多物理场耦合方法，其特征是，具体包括：
步骤1)基于中子物理模拟模块，根据初始燃料温度
Figure FDA0003737071880000031
燃料密度
Figure FDA0003737071880000032
冷却剂温度
Figure FDA0003737071880000033
冷却剂密度
Figure FDA0003737071880000034
通过评价核数据库得到燃料和冷却剂的中子宏观截面，生成中子物理模型文件，调用中子物理程序求解中子输运方程和燃耗方程，计算得到裂变功率
Figure FDA0003737071880000035
和燃耗的核素文件
Figure FDA0003737071880000036
其中：p为第p次燃耗，q为第p次燃耗步内迭代次数，g为网格的编号；
步骤2)通过功率转换模块将裂变功率
Figure FDA0003737071880000037
转换为功率分布
Figure FDA0003737071880000038
Figure FDA0003737071880000039
Figure FDA00037370718800000310
由于中子程序统计得到的中子裂变功率仅为形状分布，需要将其转换为功率分布，裂变功率的总和与功率的总和是线性的关系，得到系数S，然后
Figure FDA00037370718800000311
即为每个网格的功率；
步骤3)通过热工水力模拟模块将每个网格的功率
Figure FDA00037370718800000312
赋予热工网格，通过热工水力模拟模块，将功率转换模块计算得到的每个网格的功率加载进热工水力程序的模型文件中，调用热工水力程序，求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，得到燃料温度
Figure FDA00037370718800000313
燃料密度
Figure FDA00037370718800000314
冷却剂温度
Figure FDA00037370718800000315
和冷却剂密度
Figure FDA00037370718800000316
步骤4)当步骤3)得到的燃料和冷却剂的温度场和密度场收敛时，进行步骤5)；否则将燃料温度
Figure FDA00037370718800000317
燃料密度
Figure FDA00037370718800000318
冷却剂温度
Figure FDA00037370718800000319
冷却剂密度
Figure FDA00037370718800000320
导入中子物理模拟模块并返回步骤1)；
所述的收敛是指：
Figure FDA0003737071880000041
Figure FDA0003737071880000042
其中：
Figure FDA0003737071880000043
Figure FDA0003737071880000044
分别为燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度的残差，
Figure FDA0003737071880000045
分别为计算允许的燃料温度，冷却剂温度，冷却剂密度的最大残差；
步骤5)当燃耗时长达到预设的数值时结束计算，得到反应堆在整个燃耗寿期内的有效增殖因子、功率分布、燃料温度、冷却剂温度、冷却剂密度以及控制鼓的位置变化信息，否则执行步骤6)；
步骤6)燃耗核素更新模块根据步骤1)产生的燃耗核素文件，通过中子物理模拟模块更新中子物理模型文件，并调用中子物理程序进行下一步燃耗计算，具体为：根据步骤4)得到的燃料温度
Figure FDA0003737071880000046
燃料密度
Figure FDA0003737071880000047
冷却剂温度
Figure FDA0003737071880000048
和冷却剂密度
Figure FDA0003737071880000049
以及步骤6)得到的核素数据，并调用控制鼓位置更新模块，进调整控制鼓的角度，运行中子物理模拟模块，生成新的中子物理模型文件，运行中子物理程序，进行第p+1步燃耗计算，进行步骤1)。
6.根据权利要求5所述的多物理场耦合方法，其特征是，所述的有效增殖因子是指：堆芯中新生一代的中子数和产生它的直属上一代中子数的比值，当其大于1.0时，反应堆处于超临界状态，功率不断上升，当其为1.0时，反应堆的功率保持不变，处于稳定状态，当其小于1.0时，反应堆功率不断衰减。
7.根据权利要求5所述的多物理场耦合方法，其特征是，所述的转换为功率分布是指：提取中子物理程序计算得到的Tally格式的文件中每个网格的裂变功率，然后通过步骤2)转换为每个网格的功率，形成热工水力模拟模块可读取的格式文件；
所述的数据转换是指：将核素信息转换为核素数据。
8.根据权利要求4或5所述的多物理场耦合方法，其特征是，所述的中子输运方程为：
Figure FDA00037370718800000410
其中：
Figure FDA00037370718800000411
为在位置
Figure FDA00037370718800000412
能量为E，运动方向为
Figure FDA00037370718800000413
的中子角注量率，
Figure FDA00037370718800000414
为在位置
Figure FDA00037370718800000415
能量为E的中子宏观截面，这一项系数由燃料温度
Figure FDA00037370718800000416
燃料密度
Figure FDA00037370718800000417
冷却剂温度
Figure FDA00037370718800000418
冷却剂密度
Figure FDA00037370718800000419
通过评价核数据库得到，
Figure FDA00037370718800000420
为在位置
Figure FDA00037370718800000421
能量为E，运动方向为
Figure FDA00037370718800000422
的散射中子源，
Figure FDA00037370718800000423
为在位置
Figure FDA00037370718800000424
能量为E，运动方向为
Figure FDA0003737071880000051
的各向同性的裂变中子源，在求解中子输运方程时，给定中子宏观截面以及裂变中子源，求出中子注量率，中子注量率乘中子裂变截面
Figure FDA0003737071880000052
得到中子裂变率
Figure FDA0003737071880000053
所述的燃耗方程为：
Figure FDA0003737071880000054
其中：Ni(t)为核素i在t时刻的浓度，lij为核素j中因为放射性衰变形成的核素i的比例，λj为核素j的衰变常数，Nj为核素j的浓度，fik为核素k中由于中子反应形成核素i的比例，φ为平均中子注量率，σk为核素k的微观截面，Nk为核素k的浓度，λi为核素i的衰变常数，σi为核素i的微观截面，Ni表示核素i的浓度，燃耗方程中M表示关注的核素数量，一般反应堆会产生1500多种核素，根据计算硬件调整所关注核素的数量。
9.根据权利要求4或5所述的多物理场耦合方法，其特征是，所述的质量守恒方程是指：
Figure FDA0003737071880000055
所述的动量守恒方程是指：
Figure FDA0003737071880000056
Figure FDA0003737071880000057
Figure FDA0003737071880000058
Figure FDA0003737071880000059
Figure FDA00037370718800000510
Figure FDA00037370718800000511
所述的能量守恒方程是指：
Figure FDA00037370718800000512
其中：
Figure FDA00037370718800000513
Figure FDA00037370718800000514
分别为x，y，z方向的速度，μ为粘度，fx，fy，fz为网格所受的外力，T为网格温度，λ为流体的热导率，cp为流体的定压比热容，ST为粘性耗散项。
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