TWI283819B - Method for computer simulation of the core in a core-reactor, computer-readable medium and computer simulator - Google Patents

Description

1283819 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種核反應器核心之電腦模擬用之方法。 爲了經濟地設計一種核反應器之核心且同時保持著足夠 之可靠性，則須儘可能準確地以電腦來模擬該核心之中子 物理特性和熱學液壓特性。由於核心中所發生之過程之複 雜性和其結構上之異質性，則描述該核心之物理特性所用 之方程式之閉合式（Closed)解答是不可能的，因此必須追溯 至近似之數字方法。 【先前技術】 核反應器之電腦模擬用之習知之方法是節點計算方法， 其基本特徵例如已描述在[1]和[2]中。在此種計算方法中， 該核心劃分成粗網眼之栅格，其具有多個長方六面體形式 之網眼（或箱）。就許多應用而言，該水平之網眼大小等於 燃料元件之大小或其（粗網眼）四分之一。一種燃料元件然 後藉由多個垂直地（即，在該燃料元件軸之方向中）上下配 置之網眼而顯示出來。以此種方式可在水平面中形成該網 眼之與該燃料元件之數目相對應之數目。在中子物理特性 之模擬中，各網眼亦稱爲節點且在熱學液壓模擬中各網眼 則稱爲通道。每一網眼在空間中是在其界面上經由相對應 之整體（即，經由各別之界面而測得者）流動物（例如，熱流， 中子流）而與相鄰之網眼相耦合。每一網眼之特徵是一種資 料組（set)，其在一種均勻化之顯示中另又指出其平均特 性’例如，巨觀之節點作用橫切面或流動阻抗値。該資料 1283819 組在上述之計算方法中就該網眼中模擬之主要結構條件（幾 何結構，燃料-和緩和劑分佈，可能存在之水管和結構管件 等等）而言在理想之邊界條件下（在中子物理模擬中通常是 對稱之邊界條件，其中由該網眼而來之各別之流動物是與 該網眼中對準之流動物相同）以細網眼之方式特別是逐銷地 (pin-by-pin，在pin-平面上），即，利用一種網眼（其分別 只含有該燃料元件之結構元件（燃料棒，控制棒等等））例如 就中子技術而言藉助於一種光譜編碼來計算。 爲了獲得粗網眼之節點計算方法之範圍中更準確之有關” 粗網眼內部中（S卩，在銷平面上）中子物理特性和熱學液壓 特性之精細結構”之描述，則對一網眼所分別計算之粗網 眼之物理狀態値（例如，中子流）仍須以一種形式函數來模 擬’其是一網眼之前述之已理想化之逐銷（pin)計算之結 果。 爲了模擬該反應器，則中子物理-和熱學液壓計算方法（編 碼）須相配合。此種配合例如對沸水式反應器而言已在[2] 中詳述之編碼IQSBWR中達成。就壓水式反應器而言由[3] 中已知一種已配合之程式系統PANBOX。 儘可能有效地使用核心燃料之目的是達成核心之負載策 略’其結果是明顯地有不一致之軸向-和徑向之功率分佈。 此外’燃料棒或燃料元件之最佳設計（例如，軸向和徑向之 濃縮等級，由於結構所造成之不均勻性對混合度（壓水式-和沸水式反應器）之改良，在沸水式反應器中使用一部份長 度較長之燃料棒以防止乾燥現象）可另外在燃料元件內部中 1283819 造成明顯之異質性。爲了儘可能有效地使用核心燃料且仍 保持著足夠之安全性，則在核心模擬器之數字方法中通常 須設定較高的需求。前述粗網眼之節點計算方法在此種條 件下會對準確性極限有影響。 基本上對全部之核心都可採用一種細網眼（特別是逐銷 (pin)地）之模擬。此種方法對中子物理特性模擬而言例如已 描述在[4]中。在此種方法中，粗網眼之節點計算方法轉移 至銷平面，即，網眼縮小至銷之大小。因此，計算演算法 (Algorithm)依據該原理仍可保持不變且只使網眼之數目提 高。 就壓水式反應器（其例如具有193個燃料元件）之典型之 目前仍在使用之節點模擬而言，其中該核心在水平之平面 中劃分成193*4個網眼（每一燃料元件4個網眼）且對該中 子技術設定一種雙能量·群組模型，對中子物理模型使用1 5 個軸向層或對熱學液壓模型使用40個軸向層，則可得到 總數2*4*15*193 (中子技術）+ 4*40* 1 93 (熱學液壓技術）与 54* 1 03之計算網眼。 在以銷爲主之模擬中，除了使水平面中之空間之網眼之 數目提高至每一燃料元件有18*18銷（=燃料棒或控制棒） 之外’亦須使中子技術用-或熱學液壓技術用之軸向層之數 目提高至大約100。此外，使準確度改良亦是需要的，這 亦可藉由提高所觀看到之能量組之數目來達成。若中子劃 分成15個能量組，則可得到總數大約1 5*324* 1 00* 1 93 + 32#10(^193与1M08個網眼。這樣可使銷平面上之中子-熱 1283819 , 學液壓核心計算之問題範圍相對於目前實際應用中所使用 之編碼而言提高至大於3個數量級。由於與此有關之高的 計算費用，則依據目前技術中已知之以銷之方式來進行之 模擬在核心設計時不適用於標準之支件中。 【發明內容】 本發明之目的是提供一種以銷爲主之核反應器核心之電 腦模擬用之方法，其利用一種對該核心設計是合理之計算 費用而可達成足夠準確之結果。 本發明中上述目的以具有申專利範圍第1項特徵之方法 來達成。依據該特徵，核心首先劃分成多個粗網眼。該核 心之包含該網眼之一部份區域配屬於至少一粗網眼，其中 該部份之區域具有該粗網眼和一在水平面中包圍該粗網眼 之緩衝區，其含有至少直接相鄰於該粗網眼之其它之粗網 眼。該部份之區域又劃分成多個細網眼，其較該粗網眼更 精細。在第一計算步驟中，以分別配屬於每一粗網眼之資 料組爲主且以一種節點計算方法來計算該核心之模型。然 後在第二計算步驟中以分別屬於該部份之區域之每一細網 眼之第二資料組爲主且以第一步驟中所計算之在該部份之 區域之邊緣上之流量利用一種節點計算方法來計算該部份 之區域用之模型。 換言之，在第一步驟中對該核心之全部之粗網眼以這些 粗網眼所需之各別之資料組爲主來計算每一側面所需之平 均流量，如[5 ]中所示者。在第二步驟中，對該核心之一部 份區域（其覆蓋一已選取之粗網眼）藉助於該配屬於細網眼 廬 1283819 之預設之資料組來對該部份之區域之每一細網眼進行細網 眼之計算。因此，由第一步驟中已測得之平均流量來預設 該部份之區域之外部邊界條件。換言之，首先以粗網眼來 進行模擬而不考濾整個核心之細網眼。此種粗網眼之模擬 現在提供該核心之一已選取之部份區域（其利用這些邊界條 件以細網眼來進行模擬）所需之邊界條件（各種流入條件）。 爲了模擬整個核心，該核心因此須拆解成相重疊之部份區 域，其覆蓋各別相鄰之粗網眼（其在幾何上例如由一種燃料 元件所形成）。各別之部份區域可互相獨立地以細網眼來進 行模擬，此乃因其模擬所需之邊界條件和資料組已爲人所 知。 . 本發明之方法之主要優點是：整個核心之細網眼之計算 拆解成以細網目方式獨立地相鄰之部份問題之與各部份區 域之數目相對應之數目，其可互相平行地例如由一種PC-群集（Cluster)系統（其平行處理器之數目等於上述之數目） 來處理。上述解法之其它優點是：其限制於該核心之對該 解法之準確性特別重要之部份區域上且另外能以一種較高 値之模型來進行該計算。 本案中所謂”網眼”是指一種節點（用來進行中子物理特性 模擬）或一種通道（用來進行熱學液壓特性模擬）。本發明中 之槪念因此可用於中子物理特性模擬或熱學液壓特性模擬 中〇 在本方法之一種有利之形式中，圍繞該相鄰之粗網眼所 用之緩衝區由直接相鄰於該粗網眼之與其交互作用之另一 -9- 1283819 粗網眼所構成。換言之，圍繞該相鄰之粗網眼所用之緩衝 區之寬度等於一種粗網眼之寬度。本發明由以下之構想開 始：其足以進行一種核心之細網眼之模擬，其較佳是在銷 平面上進行，即，以各種分別由一種銷來界定之細網眼來 進行，只有各個與一粗網眼相鄰且與其交互作用之粗網眼 才會受到一種細網眼（較佳是以銷來進行）之模擬，此乃因 各粗網眼之間之交互作用之範圍隨著其相互之間之距離而 減小。換言之，遠離各相鄰之粗網眼時只有其”已測得”之 特性才可被查覺。以銷來計算時在一粗網眼內部中所測得 之細結構在考慮一與其相遠離之粗網眼時只扮演一種微不 足道之角色。 若該粗網眼在一水平之橫切面中藉由一種完整之燃料元 件來形成，則可形成一種3χ 3-燃料元件配置而成爲較佳之 部份區域（即，當只有直接相鄰之粗網眼被採用時）。該部 份區域然後在壓水式反應器中對該中子技術或該熱學液壓 而言都包含9個粗網眼（節點或通道）。 在沸水式反應器時情況是不同的，此乃因該燃料元件此 時具有一種箱子，使水平之粗網眼（其在此種情況下稱爲通 道）之間之熱學液壓交互作用被限制在燃料元件內部中之網 眼上或通道上。該熱學液壓之3χ 3問題因此可分裂成9個 獨立之子問題。 以上述之數字例子爲主，首先在此種方法中使逐銷式之 計算方式之計算範圍由1*1〇8提高9倍至 (1 + 1 5)*324* 1 00* 1 93 *9与9*108。但此種提高可藉由目前可 -10- 1283819 能之使整個問題拆解成1 93個獨立之可平行計算之子問題 來補償，各個子問題之問題範圍因此涉及離核心較遠之銷 附件而縮小20倍且因此在各方面都可較簡易地控制。另 外，全部之子問題之總計算費用相對於總問題之計算費用 甚至可下降，若所使用之求解用之演算法之計算費用隨著 問題大小而成平方地增加時。 在使用粗網眼之節點方法時，此時在壓水式反應器中該 燃料元件在水平面中就中子技術或熱學液壓技術而言都劃 分成4個粗網眼（節點或通道），所觀看到之子區域在水平 之層1 6中包含1 6個粗網眼（節點或通道），其中4個形成 該已觀看到之燃料元件，其由具有1 2個粗網眼（節點或通 道）之緩衝區所圍繞，該緩衝區之寬度等於該燃料元件之一 半寬度。 在本方法之一特別有利之另一形式中，第二步驟與第一 .步驟進行多次，其中對每一重新進行之第二計算步驟而言 須使用先前之第一步驟中對各別之子區域所計算之在該子 區域之邊緣上之流量，對下一個第一計算步驟而言則須由 第二計算步驟測得該節點之資料組。因此，一方面是已測 得之節點之核心模型之準確度可提高，另一方面是重複產 生之解答之收斂性另外可作爲本方法之可靠性用之指標。 【實施方式】 本發明以下將依據圖式來說明。 依據第1圖，本發明之模擬用之一種核反應器之核心1 劃分成多個粗網眼2(節點或通道），其在本實施例中分別 1283819 藉由整個燃料元件4之一種在軸向中（即，垂直於圖面）延 伸之區段（層）所形成，其中在本實施例中設有丨〇〇個此種 形式之區段。以此種圍繞整個核心所需之劃分爲基準，則 可決定描述該核心1之物理特性所需之參數，例如，利用 一種節點多組方法（例如，一種NEM-方法（/1/))來進行之中 子物理特性模擬所需之參數。在所示之實施例（其特別適用 於壓水式反應器核心之模擬）中，熱學液壓計算時所用之粗 網眼2(通道）是與中子物理特性計算時所用之粗網眼2(節 點）相重合。但這基本上是不需要的。反之，中子物理特性 計算時和熱學液壓計算時所用之粗網眼2亦可具有不同之 劃分方式。因此，在一種沸水式反應器中適當的方式是使 用多個通道，以便在一種水平層3中以熱學液壓方式顯示 一種燃料元件。 每一粗網眼2都含有多個細網眼6，其中該細網眼6較 佳是銷（Pins)，即，其是位於一燃料元件內部之元件，例 如，燃料棒，控制棒，控制棒導引管，水管等等，其在物 理上可有意義地組合成一種下部單元。 每一粗網眼2都對應於該核心1之一種含有該粗網眼2 之部份區8，其中該部份區8具有該粗網眼2和一種在水 平面中圍繞該粗網眼8所用之緩衝區10，其至少含有直接 相鄰於該粗網眼2之另一粗網眼2。該緩衝區1 0在本實施 例中由直接相鄰於該位於內部之網眼2之另一網眼所形成 且因此對應於一燃料元件之寬度。 該部份區8劃分成多個細網眼6。以此種方式可形成多 -12- 1283819 個部份區8，其數目等於粗網眼2之數目且互相重疊。換 言之，該核心1劃分成多個重疊之部份區8，其數目等於 燃料元件4之數目。 每一粗網眼2如上所述設有一種資料組，以此爲基準利 用上述之節點方法在第一計算步驟中進行該整個核心1之 粗網眼之中子物理特性-和熱學液壓計算，例如，就一種壓 水式反應器而言使用一商業名稱已知之編碼（Code) PAN BOX with COBRA或在沸水式反應器核心中使用該編碼 MICRQBURN-B2 with COBRA，其中基本上每一合格之節點 計算方法都可使用。 然後在第二計算步驟中以分別配屬於一種部份區8之每 一細網眼6之第二資料組爲基準且以第一步驟中已計算之 整體（即，該部份區8之邊緣上分別與全部之粗網眼2有關） 之平均流量〗利用一種節點計算方法來計算該部份區8所 需之模擬。因此，與該全部之粗網眼2有關之整體流量J 利用一種預設之形式函數（其須考慮各別之粗網眼2之具體 之情況）而劃分成各別之細網眼6(銷）。 第二步驟中已完成之細網眼之特別是以銷之方式所進行 之計算現在會對存在於該部份區8之中央中之粗網眼2(本 例子中是一種燃料元件之一部份）造成一種準確之解法。圍 繞該燃料元件或圍繞該位於內部之粗網眼2而形成之緩衝 區1 0因此用來濾出各種藉由粗網眼節點模擬時只是近似 地正確之局部性邊界條件。 在沸水式反應器核心中該核心1同樣劃分成部份區8時 -13- 1283819 亦針對該中子物理特性之模擬來進行。但不同之處是在熱 學液壓之細網眼中或以銷之方式來進行計算時由於丟失之 質量流（水或蒸氣未發生橫向之交換）而在相鄰之燃料元件 之間已不需水平之緩衝區。 當細網眼上之局部性解法和粗網眼上之廣域性解法在粗 網眼和細網眼之間重複進行而收斂時，則可達成一種可靠 之解法。 在第2圖之實施例中，在一種壓水式反應器核心之較準 確之粗網眼之節點模擬中該中子技術-和熱學液壓用之燃料 元件4劃分成4個粗網眼2(節點或通道）。 該部份區8在本實施例中同樣只包含該直接與位於中央 之燃料元件4相鄰之粗網眼2，該緩衝區1 0之寬度因此等 於燃料元件之寬度之一半。 在沸水式反應器核心之較準確之粗網眼之節點模擬中， 就中子技術而言通常每一燃料元件仍保持著粗網眼（節點） 之劃分。就熱學液壓技術而言，每一燃料元件劃分成3個 粗網眼（通道），其中水平緩衝區亦不需要。 [1] H. Finnemann s t al·，Interface current techniques for multidimensional reactor calculations, Atomkernenergie , Bd . 30, 1977, S. 123-128 [2] H. Finnemann, W. Gund1ach, Space-time kinetics code IQSBOX for PWR and BWR, Atorakernenergie-Kerntechnik, Bd. 37, 1981 [3] R. Boer et al., The code system PANBOX for PWR safety •14- 1283819 analysis, Kerntechnik 57， 1992， No. 1 [4] M. Tatsumi, A. Yamamoto, SCOPE 2: OBJECT-ORIENTED PARALLEL CODE FOR MULTI GROUP DIFFUSION/TRANSPORT CALCULATIONS IN THREE-DIMENSIONAL FINE-MESH REACTOR CORE GEOMETRY, PHYSOR 2002, Seoul, Korea, October 7-10, 2002 [5] M. R: Wagner, K. Koebke, H.-J. Winter, A nonlinear Extension of the Nodal Expansion Method, Proc. ANS/ENS Inti.

Topical Mtg·， Munich， FRG， 2， p. 43， April 1981 【圖式簡單說明】 第1圖一種核心之一部份，其中一節點形成整個燃料元 件之水平層。 桌2圖一種核心之一部份，其中整個燃料元件之水平層 由4個節點所形成。 主要元件之符號表： 1 核心 2 粗網眼 3 水平層 4 燃料元件 6 細網眼 8 部份區

Claims (1)

1. 斗* 力] 广;；' V 八，二八 /、I .......................~~ 第93 1 1 8707號「核反應器核心之電腦模擬用之方法、電腦可 讀取之記錄媒體及核反應器之核心模擬器」專利案 (2007年3月修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種核反應器核心（1)之電腦模擬用之方法，其特徵爲以 下各步驟： a) 核心（1)劃分成多個粗網眼（2)， b) 至少一粗網眼（2)對應於核心（1)之含有該粗網眼（2)之 部份區（8)，其中該部份區（2)具有該粗網眼（2)和一在 水平面中圍繞該粗網眼（2)之緩衝區（10)，其包含至 少直接與該粗網眼（2)相鄰之粗網眼（2) 〇該部份區（8)劃分成多個細網眼（6)，其較該粗網眼（2) 還細， d) 以分別配屬於每一粗網眼（2)之資料組爲主而在第一 計算步驟中以一種節點計算方法來計算該核心（1 )之 模擬， e) 以分別配屬於該部份區（8)之每一細網眼（6)之第二資 料組爲主且利用第一計算步驟中已計算而得之在該 部份區（8)之邊緣上之流量（J)，以便在第二計算步驟 •中利用節點計算方法來計算該部份區（8)所需之模擬 〇 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中對全部之粗網眼（2) 進行第二計算步驟。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中圍繞該已觀看到之 Ι2838Ί9 U 粗網眼（2)之緩衝區（10)是由直接與該粗網眼（2)相鄰且與 其交互作用之粗網眼（2)所構成。 4 ·如申請專利範圍第2項之方法，其中圍繞該已觀看到之 粗網眼（2)之緩衝區（10)是由直接與該粗網眼（2)相鄰且與 其交互作用之粗網眼（2)所構成。 5 ·如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中各細網 眼（6)由銷所形成。 6 ·如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中一粗網 眼（2)在水平之橫切面中是由完整之燃料元件（4)所形成。 7 ·如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中在水平 之橫切面中每一燃料元件（4)設有4個粗網眼（2)。 8 ·如申請專利範圍第2至4項中任一項之方法，其中第二計 算步驟是與第一計算步驟一起進行多次，其中每次重新 進行第二計算步驟時使用先前第一計算步驟中各別之部 份區（8)計算時所需之位於該部份區（8)之邊緣上之流量（J) 9.一種核反應器核心（1)之電腦可讀取之記錄媒體，其記錄有 電腦程式用以完成申請專利範圍第1至7項中任一項所述 之核反應器核心之電腦模擬用之方法。 10·—種核反應器之核心模擬器，其具有安裝在其中之電腦 計算程式以進行申請專利範圍第1至7項中任一項所述之 核反應器核心之電腦模擬用方法。