[发明专利]金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法

说明书

本发明公开了一种金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，包括以下步骤：S1、在COMSOL中建立辐照过程中金属燃料多物理场耦合模型并耦合，在COMSOL中求解获得金属燃料辐照早期的燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值；S2、导出燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值，通过最小二乘法拟合燃料芯体最外侧的温度，获得温度函数；S3、去除金属燃料多物理场耦合模型中的间隙冷却剂传热模型，并将金属燃料最外侧的温度函数作为燃料芯体传热模型的边界条件，求解获得整个辐照过程中的金属燃料辐照性能参数。本发明基于COMSOL多物理场耦合仿真平台将金属燃料辐照行为模型通过强耦合的方式引入到金属燃料性能分析及仿真模拟领域，实现对金属燃料辐照行为的准确模拟。

技术领域

本发明涉及先进快堆金属燃料性能分析及仿真模拟技术领域，尤其涉及一种金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法。

背景技术

近年来为减少轻水堆燃料的放射性废物存储的压力，国际上对发展快中子反应堆的兴趣浓厚，快中子反应堆可燃烧轻水堆乏燃料中的长寿命锕系元素，减少核废料的长期辐射。金属快堆作为第四代反应堆之一，可焚烧热堆遗留下的长寿命锕系核素，在产生能量的同时，可实现裂变材料的增殖。金属冷快堆金属燃料，即铀锆合金(U-Zr)或者铀钚锆合金(U-Pu-Zr)相比传统的氧化物混合燃料具有更强增殖性，安全性更佳的优势，其生产加工也更为简便，与电化学燃料后处理方法具有更好的兼容性。

金属燃料性能分析及仿真模拟是发展先进反应堆及为先进反应堆执照过程中十分重要的环节，但是金属燃料在辐照过程中的辐照行为十分复杂，而且各辐照行为相互影响。例如在辐照早期阶段，裂变气体导致的肿胀会使燃料芯体的导热系数下降，从而影响燃料的温度分布，而温度的改变又会反过来影响裂变气体的肿胀。早期开发的金属燃料性能分析程序并没有考虑这些辐照行为的相互影响作用，只是将不同的辐照行为用非耦合的模型表示。如何将金属燃料辐照行为模型进行耦合并对金属燃料的辐照行为进行仿真模拟，是目前金属冷却快堆金属燃料性能分析及仿真模拟亟待解决的问题。

目前多物理场耦合模拟以及先进的仿真平台发展使仿真技术不断进步。其中COMSOL多物理场耦合仿真平台基于有限元方法，已被广泛应用于工程界及科学界，在结构力学、热传输、流体动力学等许多领域已有很多计算模型可参考，同时COMSOL也曾应用于核燃料中裂变气体对燃料导热系数影响的研究。但是COMSOL在模拟计算过程中无法处理求解域的完全消失，从而导致在模拟燃料辐照早期行为时，燃料芯体与包壳中的间隙冷却剂由于芯体膨胀而被完全挤出间隙时会报错并终止计算，无法模拟整个辐照过程中金属燃料的性能变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现金属燃料整个辐照过程的性能分析及仿真模拟的金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，包括以下步骤：

S1、在COMSOL中建立辐照过程中金属燃料多物理场耦合模型并耦合，在COMSOL中求解获得金属燃料辐照早期的燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值；

金属燃料多物理场耦合模型包括燃料芯体与包壳的力学模型，燃料芯体的裂变气体模型，燃料芯体、间隙冷却剂和包壳的传热模型；

S2、导出步骤S1中获得的燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值，通过最小二乘法拟合燃料芯体最外侧的温度，获得温度函数；

S3、去除步骤S1中金属燃料多物理场耦合模型中的间隙冷却剂传热模型，并将步骤S2所得的金属燃料最外侧的温度函数作为燃料芯体传热模型的边界条件，从而求解获得整个辐照过程中的金属燃料辐照性能参数。

优选地，步骤S1中，所述金属燃料辐照早期为燃料芯体与包壳接触前；

所述耦合包括所述力学模型、裂变气体模型与传热模型之间的两两耦合。