[发明专利]N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移时间的三维求解模型建立方法

权利要求书

1.N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移时间的三维求解模型建立方法，其特征在于：通过同时考虑N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移过程及核素衰变过程，最终获得能够对N16核素在蒸汽发生器二次侧三维衰变迁移过程及迁移时间计算的功能，建模具体步骤如下：

步骤1：根据蒸汽发生器的几何特点，对其进行几何简化及三维几何模型建立；

由于在核动力系统中，N16核素探测器安装位置为蒸汽发生器主蒸汽管道，为了对N16核素在蒸汽发生器二次侧的迁移时间进行计算，几何模型涵盖核素从传热管破裂释放、经由管束、汽水分离器、干燥器迁移至蒸汽管道过程中所流经的所有空间；在此基础上根据不同结构对二次侧流场的影响大小对几何进行相应简化；最终，几何模型主要包括蒸汽发生器一次侧管束区域、管板区域、下腔室区域及二次侧管束区域、汽水分离器、干燥器和蒸汽主管道；其中为了考虑传热管不同泄漏位置，本步骤中采用实体建模方法对传热管束进行三维几何模型建立，对于汽水分离器及干燥器，采用多孔介质方法进行几何简化，通过引入阻力计算模型考虑叶片及干燥波纹板对N16核素及蒸汽在蒸汽发生器二次侧流动过程的影响；

步骤2：对蒸汽发生器三维几何模型进行三维计算节点划分；

由于核动力蒸汽发生器传热管数目较多，进行整体结构化计算节点划分会引起较大的工作量，因此采用非结构化节点划分方法，减少在模型建立过程中所需的时间资源及计算资源；同时由于传热管几何复杂导致最终计算节点数量较多，对最终的计算流体动力学方法求解；对计算节点划分结果的质量评估以对节点划分质量进行严格控制；

步骤3：添加一次侧管束区流动阻力模型、二次侧管束区流动阻力模型、一次侧流动换热模型、二次侧流动换热模型、一、二次侧三维能量耦合模型、汽水分离器及干燥器内流动阻力模型和汽水分离器及干燥器内对流换热模型，将以上所有流动阻力模型添加至蒸汽发生器二次侧流体动量方程中，将以上所有流动换热模型添加至蒸汽发生器二次侧流体能量方程中，建立蒸汽发生器三维瞬态热工水力计算模型，并在此模型基础上对蒸汽发生器三维瞬态数值计算模型节点数量进行敏感性分析；蒸汽发生器一次侧为高压单相过冷状态，不涉及相变过程，因此在蒸汽发生器三维瞬态热工水力计算过程中只需考虑冷却剂在管束内的流动阻力特性以及通过传热管壁面向二次侧传递的热量；二次侧是整个核动力系统中工况最复杂、冷却剂状态最多的区域，涉及到复杂的管束外自然循环驱动的两相流，汽水分离器及干燥器的汽水分离过程也相对复杂；因此需要在二次侧添加管束外单相、过冷沸腾、饱和沸腾的流动换热计算模型；采用两流体模型考虑气液两相之间的质量、动量及能量相互作用；

在蒸汽发生器三维瞬态热工水力计算过程中除了考虑一、二次侧冷却剂在管束区的能量交换，还考虑其汽水分离器及干燥器对气相流动的影响，该部分则采用简化的几何模型，仅考虑复杂结构对流动阻力带来的影响；在瞬态热工水力计算完成后进行未泄漏工况下的稳态计算，对步骤2中的计算节点数目进行敏感性分析，在保证计算精度的同时最大程度降低计算节点总数量；

步骤4：确定传热管破裂位置、从破口处泄漏出的N16核素的浓度分布及放射性活度；

核动力系统二回路的N16核素是一回路冷却剂中的氧原子发生核反应O¹⁶(n，p)之后产生的固有活化产物N16核素，该物质的半衰期为7.13秒，发生β衰变的同时生成两种能量的γ射线，容易被探测器探测到；核动力系统采用的N16核素探测器即利用该原理对蒸汽发生器传热管泄漏量进行实时监测；

对N16核素在蒸汽发生器内迁移过程进行数值建模的第一步即对从破口流出的N16核素的浓度进行定义，采用文献调研或直接从电厂获得数据确定该参数；由于二回路三维流场分布复杂，N16核素从不同位置处泄漏出后在二回路中的迁移过程必然不同，严重影响其在二回路的迁移时间，这也是迁移时间能够反推获得传热管破裂位置的主要根据之一，因此在计算之前需要首先对传热管的破裂位置进行确定；在建模过程中未对管束几何进行简化，能够涵盖任何位置传热管发生破裂的工况；其次，泄漏量与核素迁移时间计算模型需要对破口处核素浓度分布及放射性活度进行确认，采用已有闪蒸模型对进入到二次侧的N16核素分布进行计算；

步骤5：采用粒子输运方法对两相中的N16核素的组分进行描述，并采用粒子追踪法对N16核素迁移轨迹进行追踪并根据追踪时间，建立放射性粒子追踪模型，结合核素衰变过程建立N16核素衰变迁移模型；

N16核素是一种放射性核素，会自发进行核素衰变反应，半衰期为7.13秒，其从一次侧泄漏至在二次侧迁移过程中会持续自发地进行核素衰变反应，首先对每个计算迭代步内放射性核素迁移至该节点处的时间进行追踪确定；N16核素在一次侧存在于高温液相中，但在其泄漏至二次侧的过程中，由于一次侧及二次侧之间的压差引起的破口位置闪蒸现象，该核素在二次侧存在于两相中，为了考虑该组分对两相在二次侧的流动的影响，采用粒子输运的方法对N16核素在两相流中的组分进行描述，步骤4获得了初始时刻一次侧N16核素放射性活度以及通过闪蒸计算确定其在两相的质量及体积份额分配；

首先采用粒子追踪法对每个计算节点内核素迁移时间进行累计，在N16核素迁移过程中，二次侧每个计算节点内均发生着核素衰变；由追踪获得的N16核素迁移时间根据核素衰变定律进行每个计算节点内的核素衰变计算；

在三维计算流体动力学方法基础上，结合上述放射性粒子追踪模型及核素衰变定律建立N16核素衰变迁移计算模型；

本步骤中的粒子追踪及N16核素衰变迁移过程为互相耦合过程，粒子追踪涉及放射性核素的衰变迁移过程，而N16核素衰变计算需要其在二次侧的迁移时间，因此本步骤需要对粒子追踪过程获得的时间和核素伴随衰变的流动过程进行迭代；

步骤6：在蒸汽发生器三维瞬态热工水力计算模型基础上添加N16核素衰变迁移计算模块，获得具备对放射性核素的迁移过程进行计算的功能，并采用N16核素衰变迁移模型对不同位置泄漏工况下的N16核素在二次侧的迁移过程进行三维数值模拟计算，同时在蒸汽母管段设置核素监测点，记录其从破口处迁移至蒸汽管道的总时间，其次通过多种不同泄漏位置工况下的计算流体动力学计算结果，拟合泄漏位置与泄漏量计算模型，能够根据泄漏量大小，推测三维泄漏位置的功能；

在对N16核素衰变迁移计算过程中，通过采用蒸汽出口处设置放射性核素监测点，探测N16核素是否迁移至此位置，一旦监测到，记录N16核素在二次侧的物理迁移时间，获得N16核素在二次侧的总迁移时间；从N16核素探测仪能够获得该位置处该核素的放射性活度；采用核素迁移时间、破口处放射性活度、监测点的放射性活度与裂纹泄漏量之间的计算关系式对不同泄漏工况下的泄漏量进行三维计算流体动力学计算，经过大量工况计算，最终能够获得通过泄漏量对泄漏位置进行预测的计算模型，用于根据泄漏量预测泄漏位置；

通过以上几何模型建立、计算节点划分过程、一、二次侧各部位流动阻力计算模型及换热模型添加、蒸汽发生器三维瞬态热工水力计算模型的建立、N16核素三维源项位置、浓度及放射性活度大小确定、N16核素在蒸汽发生器二次侧核素追踪、每个计算网格点内核素随迁移时间的N16核素衰变迁移模型添加，获得对N16核素在二次侧三维衰变迁移计算功能；结合监测获得的蒸汽主管道处放射性活度以及N16核素在二次侧迁移时间计算泄漏量；通过对大量不同泄漏位置工况进行计算，获得泄漏位置预测模型，反推获得传热管处的泄漏量及破裂传热管的三维坐标位置。