CN116484764A - 一种钠冷快堆多维度耦合计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钠冷快堆多维度耦合计算方法，步骤如下：1、建立钠冷快堆堆芯CFD多孔介质几何模型；2、建立钠冷快堆主回路、中间回路模型；3、设置初始条件完成钠冷快堆堆芯计算流体力学软件的初步计算；4、将计算流体力学软件的计算结果作为钠冷快堆系统程序的边界条件进行计算；5.将第四步中得到的计算结果作为中子动力学模块的边界条件进行计算；6、使用第五步中得到的计算结果作为计算流体力学软件的边界条件计算堆芯的热工水力参数；7、重复步骤四到步骤六，直至整个系统完成全时段的计算。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆系统技术领域，具体涉及一种钠冷快堆多维度耦合计算方法。
背景技术
钠冷快堆有着400多堆年的运行经验，在发展过程中开发了大量的钠冷快堆系统分析程序，瞬态事故工况下钠冷快堆系统内的热工水力特性一直是国际上的研究热点。钠冷快堆系统分析程序一般对钠冷快堆全系统进行整体建模，对全堆各个结构部位进行控制体划分，采用一维守恒方程求解物理场。然而，钠冷快堆系统分析程序无法捕捉到钠冷快堆系统中堆芯的三维物理场详细热工水力参数，导致对关键现象的模拟不够精确。相比与钠冷快堆系统分析程序，计算流体力学软件基于Navier-Stokes三维流动方程，能够对复杂几何区域内的流动传热现象进行精细的数值模拟，弥补了钠冷快堆系统分析程序的不足之处。然而，对于钠冷快堆全系统的复杂结构而言，采用CFD方法进行全系统模拟的网格量将数以亿计，这对目前的计算机的计算能力是一个很大的挑战，因此CFD方法在钠冷快堆全系统的模拟中一直没有得到广泛的应用。随着钠冷快堆的发展，核反应堆中物理热工之间的相互作用也愈发被关注，热工参数的变化可能影响到钠冷快堆中子物理反馈，同时可能导致中子通量分布的变化，影响热源分布，因此核热耦合分析至关重要。
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钠冷快堆多维度耦合计算方法，旨在满足反应性引入类工况下钠冷快堆全系统中跨维度、多物理场现象分析，提高钠冷快堆瞬态工况计算精度。该方法将三维计算流体力学软件和一维钠冷快堆系统分析程序的优点结合在一起，既能节约计算资源提高效率，也可以尽可能精确地得到钠冷快堆中的重要热工水力参数。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种钠冷快堆多维度耦合计算方法，包括如下步骤：
步骤1：建立堆芯的CFD多孔介质几何模型，包括燃料组件、钢组件、控制棒组件、反射组件和测量组件；其中燃料组件、控制棒组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、裂变气体腔室段、上栅格板段四部分；钢组件、反射组件、测量组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、上栅格板段三部分；得到几何模型后进行网格划分；
步骤2：通过钠冷快堆系统分析程序建立钠冷快堆主回路、中间回路模型，首先建立钠冷快堆系统节点图，按照节点图填写钠冷快堆系统分析程序的输入卡片，其中主回路模型包括冷钠池、热钠池、压力管道、阀门、主泵、中间热交换器一次侧、进口腔室和出口腔室，中间回路模型包括进口管道、出口管道和中间热交换器二次侧；
步骤3：设置计算流体力学软件求解的计算模型，设置T0初始时刻堆芯的初始边界条件，计算堆芯的出口冷却剂温度、流量和出口处压力；
步骤4：将Tn时刻计算流体力学软件计算得到的堆芯出口冷却剂温度、流量，堆芯出口处压力作为钠冷快堆系统分析程序堆芯出口腔室处的边界条件，其中n＝0、1、2、3……；由钠冷快堆系统分析程序计算得到Tn+1时刻主回路、中间回路的热工水力参数，包括各节点的温度、压力、流量和焓值；
步骤5：通过将Tn+1时刻钠冷快堆系统程序计算得到的热工水力参数作为边界条件，由中子动力学模块求解中子扩散方程并更新中子物理场的温度分布和反应性反馈参数，得到Tn+1时刻反应堆堆芯的总功率、衰变功率和总反应性；
步骤6：将Tn+1时刻由中子动力学模块计算得到的反应堆堆芯功率作为计算流体力学软件的边界条件进行计算，得到堆芯三维热工水力参数，同时得到Tn+1时刻的堆芯出口冷却剂流量、温度和堆芯出口处压力，继续由钠冷快堆系统分析程序计算Tn+1时刻回路中各节点的温度、压力、流量、焓值；
步骤7：重复步骤四到步骤六直到完成预设的全时间段的计算，实现钠冷快堆多维度的耦合计算。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明方法在对钠冷快堆系统主回路中间回路整体进行一维建模的同时可以对关键部位堆芯进行三维建模，同时进行堆芯核热耦合分析，既可以提高计算效率也可以得到关键部位的详细三维热工水力参数。
2.本发明方法提供了一种钠冷快堆系统分析程序的耦合方案，该方案适用于大部分反应堆热工水力分析程序，如FLUENT，RELAP5等。
3.本发明方法在每个时间步长都会进行数据交互，并重新设置边界条件，保证计算精度高。
附图说明
图1为钠冷快堆反应性引入类工况多维度耦合计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以钠冷快堆反应性引入工况为例对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种钠冷快堆多维度耦合计算方法，具体步骤如下：
步骤1：使用三维几何建模软件建立堆芯的CFD多孔介质几何模型，包括燃料组件、钢组件、控制棒组件、反射组件和测量组件，忽略其他组件。其中燃料组件、控制棒组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、裂变气体腔室段、上栅格板段四部分；钢组件、反射组件、测量组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、上栅格板段三部分。得到几何模型后使用网格划分工具进行六面体网格划分。
步骤2：使用钠冷快堆系统分析程序对钠冷快堆全系统进行建模，建立钠冷快堆主回路、中间回路模型：首先建立主回路、中间回路节点图，按照节点图填写钠冷快堆系统分析程序的输入卡片，包括各部位长度、湿周、流通面积、天顶角、方位角，其中主回路模型设备有冷钠池、热钠池、压力管道、阀门、主泵、中间热交换器一次侧、进口腔室和出口腔室，中间回路模型设备包括进口管道、出口管道和中间热交换器二次侧。建立好钠冷快堆主回路、中间回路模型后由钠冷快堆系统分析程序进行节点划分，进行后续模拟计算；填写中子动力学模块卡片，包括多普勒系数、燃料膨胀反馈系数、冷却剂密度反馈系数、包壳膨胀反馈系数。在钠冷快堆系统分析程序中设置超功率瞬态工况的事故序列；通过泵压头计算公式计算出总泵压头：
式中：表示冷却剂质量流量/kg·s-1；/>代表泵压头/m；/>表示泵的转速/rpm；b1、b2、b3和b4为常数。
步骤3：根据工况设置计算流体力学软件求解的计算模型，设置堆芯T0初始时刻的初始边界条件，编译用户自定义函数实现数据传递和调用钠冷快堆系统分析程序的功能，设置完成后计算堆芯的出口冷却剂温度、流量和出口处压力。
步骤4：如图1所示，将Tn时刻计算流体力学软件计算得到的堆芯出口冷却剂温度、流量，堆芯出口处压力作为钠冷快堆系统分析程序堆芯出口腔室处的边界条件，其中n＝0、1、2、3……；由钠冷快堆系统分析程序计算得到Tn+1时刻主回路、中间回路的热工水力参数，包括各节点的温度、压力、流量、焓值。
步骤5：通过将Tn+1时刻钠冷快堆系统程序计算得到的堆芯入口腔室的热工水力参数作为边界条件，包括温度、流量、压力、焓值，由中子动力学模块计算求解中子扩散方程，计算得到堆芯不同位置的中子通量分布和整体的有效增殖系数，并更新中子物理场的温度分布和多普勒反馈系数、冷却剂密度反馈系数、燃料膨胀反馈系数和包壳膨胀反馈系数，最终得到Tn+1时刻反应堆堆芯的总功率、衰变功率和总反应性。
步骤6：将Tn+1时刻由中子动力学模块计算得到的反应堆堆芯功率作为计算流体力学软件的边界条件进行计算，得到堆芯详细三维热工水力参数，同时得到Tn+1时刻的堆芯出口冷却剂流量、温度和堆芯出口处压力，继续由钠冷快堆系统分析程序计算Tn+1时刻回路中各节点的温度、压力、流量、焓值。
步骤7：重复步骤四到步骤六，直到钠冷快堆系统分析程序和计算流体力学软件完成预设的全时间段的钠冷快堆全场断电瞬态工况计算，实现钠冷快堆多维度的耦合计算。
本发明结合系统程序和计算流体力学软件的特点，将两种程序耦合起来在计算过程中进行数据交互，既可以捕捉到堆芯详细的三维热工水力物理场信息，也可以获得钠冷快堆回路中各种复杂工况下的瞬态变化。同时钠冷快堆系统程序可以添加中子动力学计算模块进行核热耦合分析，通过在输入卡片填写冷却剂密度、燃料膨胀、包壳膨胀等反应性系数，进一步捕捉到热工参数变化对钠冷快堆堆芯中子物理学参数的影响，可以更加精确计算得到反应堆功率。因此本文提出的一种钠冷快堆反应性引入工况多维度耦合计算方法对于钠冷快堆的瞬态工况分析具有参考价值和指导意义。
以上内容是针对具体方案对耦合方法的进一步阐述，未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种钠冷快堆多维度耦合计算方法，其特征在于：针对钠冷快堆反应性引入工况，使用计算流体力学软件对钠冷快堆堆芯进行三维热工水力计算，使用钠冷快堆系统分析程序对主回路、中间回路各部位进行一维热工水力计算，使用钠冷快堆系统分析程序中子动力学模块完成对反应性引入时堆芯核物理反应性的计算，通过计算流体力学软件与钠冷快堆系统分析程序、中子动力学模块之间的边界参数传递实现多维度、全系统的钠冷快堆耦合计算；
该方法包括以下步骤：
步骤1：建立堆芯的CFD多孔介质几何模型，包括燃料组件、钢组件、控制棒组件、反射组件和测量组件；其中燃料组件、控制棒组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、裂变气体腔室段、上栅格板段四部分；钢组件、反射组件、测量组件自下而上分为下栅格板段、燃料段、上栅格板段三部分；得到几何模型后进行网格划分；
步骤2：通过钠冷快堆系统分析程序建立钠冷快堆主回路、中间回路模型：首先建立钠冷快堆系统主回路、中间回路节点图，按照节点图填写钠冷快堆系统分析程序的输入卡片，其中主回路模型包括冷钠池、热钠池、压力管道、阀门、主泵、中间热交换器一次侧、进口腔室和出口腔室，中间回路模型包括进口管道、出口管道和中间热交换器二次侧；
步骤3：设置计算流体力学软件求解的计算模型，设置T0初始时刻堆芯的初始边界条件，计算堆芯的出口冷却剂温度、流量和出口处压力；
步骤4：将Tn时刻计算流体力学软件计算得到的堆芯出口冷却剂温度、流量，堆芯出口处压力作为钠冷快堆系统分析程序堆芯出口腔室处的边界条件，其中n＝0、1、2、3……；由钠冷快堆系统分析程序计算得到Tn+1时刻主回路、中间回路的热工水力参数，包括各节点的温度、压力、流量和焓值；
步骤5：通过将Tn+1时刻钠冷快堆系统程序计算得到的热工水力参数作为边界条件，由中子动力学模块求解中子扩散方程并更新中子物理场的温度分布和反应性反馈参数，得到Tn+1时刻反应堆堆芯的总功率、衰变功率和总反应性；
步骤6：将Tn+1时刻由中子动力学模块计算得到的反应堆堆芯功率作为计算流体力学软件的边界条件进行计算，得到堆芯三维热工水力参数，同时得到Tn+1时刻的堆芯出口冷却剂流量、温度和堆芯出口处压力，继续由钠冷快堆系统分析程序计算Tn+1时刻回路中各节点的温度、压力、流量、焓值；
步骤7：重复步骤四到步骤六直到完成预设的全时间段的计算，实现钠冷快堆多维度的耦合计算。
2.根据权利要求1所述的一种钠冷快堆多维度耦合计算方法，其特征在于：步骤5所述的反应性反馈参数包括多普勒反馈系数、冷却剂密度反馈系数、燃料膨胀反馈系数和包壳膨胀反馈系数。
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