[发明专利]一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法

说明书

本发明提供了一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，包括以下步骤：S1、使用Matlab/Simulink建立系统中涉氚子系统零维模型，对子系统流程连接形成整个系统的模型；S2、对于关键子系统，使用EcosimPro构建部件的一维氚输运模型，对部件连接形成该关键子系统的模型；S3、对于关键部件和关键立体空间，使用COMSOL Multiphysics构建二维和三维氚输运模型；S4、实现Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics三种不同维度氚输运模型在交接处的数据耦合；S5、使用Matlab/Simulink计算耦合后的整个系统的模型，形成实时动态仿真模拟。本发明针对现有氚输运分析软件使用中的不足和聚变氚循环与氚安全分析需求，将不同维度氚模拟分析软件的优势结合起来，有助于提升氚输运分析水平和提高评估准确度。

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法。

背景技术

核聚变能是解决人类能源问题的最重要途径之一。氚是聚变堆使用的重要燃料，然而它在自然界中几乎不存在。为保证珍贵的聚变燃料氘和氚的充分利用，聚变堆设计有大型的氚工厂，以实现对未燃烧的氘氚燃料和增殖氚的快速回收和再循环。另一方面，氚具有放射性和渗透性，极易通过燃料循环系统及相关部件的材料渗透与滞留，造成氚燃料的损失及潜在的放射性危害；渗透至手套箱和工艺厂房的氚，会对工作人员造成潜在的安全危害及不必要的损失。

经过二三十多年的发展，国内外发展和采用适用于聚变堆氚输运的分析方法进行相关分析，并开发了相关的分析工具。

经研究发现现有的方法和分析工具至少存在以下问题：

氚输运分析程序彼此隔离

1.1)国际热核实验堆计划(ITER)先后开发CFTSIM、TRIMO开展ITER燃料循环系统优化设计、ITER氚滞留量分析，但是没有看到在其他国家和项目中的应用。国内核工业西南物理研究院设计开发了氚燃料循环系统计算程序SWITRIM，仅针对特定聚变增殖堆FEB。核能安全技术研究所开发了氚分析程序TAS主要针对液态包层系统的氚自持性、氚燃料管理、氚安全性等一体化分析。国际上欧盟、日本、美国也都发展了各自程序和方法模型。

这些程序均为零维氚输运程序，采用系统动力学方法，将每个子系统作为一个block，每个block作为一个节点进行建模，因此各子系统只能得到平均化的物理量。

聚变堆氚工厂中每个系统具有复杂的工艺组成和空间布局，对于氚工厂各系统设计分析尤其安全分析时，仅仅知道系统平均化的氚物理量是远远不够的。

1.2)为安全分析需求，ITER使用专业程序TMAP(Tritium Migration AnalysisProgram)模拟聚变堆在正常运行时氚注入/渗透通过部件进入冷却剂回路和房间的行为，在事故期间模拟氢同位素的迁移等。该程序由美国爱达荷国家实验室(INL)开发，其发展初衷是并不是为了聚变，后被聚变界用来研究氚在聚变堆材料中的行为。该软件为聚变领域公认的氚输运分析软件。

TMAP为一维氚输运软件，对于子系统的氚输运过程相对零维系统更加细致，但在描述高度各向异性的复杂几何模型时存在缺陷。

1.3)聚变领域也借助CFD软件如ANSYS/Fluent和FLOW-3D等对聚变堆涉氚部件和手套箱/工艺房间开展多维氚输运研究。CFD将原来时间域及空间域上连续物理量的场离散化，然后通过数值计算求解流体运动基本方程(如质量、动量、能量方程等)，得到流场内各个位置上的基本物理量及其随时间变化的关系。Fluent软件是目前市场上最流行的CFD软件。FLOW-3D是Flow Science于1980年开发的一款高精度计算流体动力学软件，用于研究各种工业应用和物理过程中液体、气体的动态特性和传热。