[发明专利]反应堆堆芯多物理场耦合方法

说明书

本发明公开了一种反应堆堆芯多物理场耦合方法，步骤如下：1、建立反应堆物理计算模块；2、建立反应堆热工分析计算模块；3、建立腐蚀产物沉积计算模块；4、建立反应堆物理‑热工分析‑腐蚀产物沉积耦合计算模型；5、进行反应堆物理‑热工分析‑腐蚀产物沉积耦合计算求解；本方法实现了考虑燃料包壳表面沉积物存在下的反应堆物理‑热工分析‑腐蚀产物沉积耦合计算，计算结果可为反应堆长期安全运行和堆芯功率控制提供理论依据。

技术领域

本发明属于方法发明技术领域，具体涉及到一种核反应堆组件的反应堆物理-热工分析-腐蚀产物沉积耦合的方法。

背景技术

反应堆堆芯燃料元件在长期高温、高压和强辐射环境下运行中包壳表面会形成氧化层和沉积物。沉积物存在会严重影响反应堆堆芯中子物理及燃料元件与冷却剂的传热特性，造成堆芯功率偏移、局部传热恶化和局部腐蚀加剧破损等危害，给核反应堆的安全运行带来极大安全隐患。为了尽可能减轻堆芯燃料元件包壳腐蚀、表面杂质迁移、沉积对反应堆安全运行带来的影响和危害，准确掌握反应堆运行中堆芯功率分布和优化反应堆功率控制系统，需要深入研究燃料元件包壳腐蚀特性、沉积物演化过程及堆芯多物理场耦合术。

目前，针对反应堆堆芯燃料元件包壳材料腐蚀特性、沉积物迁移沉积过程的研究大多基于单因素分析方法，并未考虑到堆芯实际运行状态变化，特别是长期运行工况下的功率空间分布及冷却剂流动传热特性等。反应堆燃料元件包壳在长期运行过程中的腐蚀及表面杂质迁移沉积现象极其复杂，影响因素多，时间跨度大，目前的研究还处于起步阶段。在堆芯多物理场精细模拟方面，目前大多数研究限于反应堆物理和系统级热工水力程序之间耦合，全三维高保真核热耦合研究还面临巨大技术挑战，特别是在空间网格映射、各物理场之间数据高效传递、并行计算效率等领域存在技术壁垒。燃料元件包壳表面在高温、高压和强辐射等苛刻环境中的复杂化学反应和腐蚀产物沉积过程作为影响反应堆功率分布和功率控制系统的重要因素，长期运行过程中的反应堆堆芯燃料元件包壳材料腐蚀-杂质沉积-中子物理-热工水力多物理场耦合机制还有待进一步研究。

针对以上存在的问题，本文发明了一种适用于核反应堆组件的反应堆物理-热工分析-腐蚀产物沉积耦合的计算方法。

发明内容

为了实现在考虑燃料棒表面腐蚀产物存在的条件下的核反应堆组件的反应堆物理-热工-腐蚀产物沉积耦合的计算，本发明在常规的反应堆物理-热工耦合计算的基础上，建立了燃料棒表面的腐蚀产物的沉积计算模块，考虑了沉积物与反应堆物理及热工的耦合作用机制，实现在考虑燃料棒表面腐蚀产物存在的条件下的核反应堆组件的反应堆物理-热工-腐蚀产物沉积耦合的计算。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种反应堆堆芯多物理场耦合方法,包括如下步骤：

步骤1：建立反应堆物理计算模块

(1)在反应堆物理计算软件中对反应堆组件进行建模，所建模型包括燃料棒、格架和搅浑翼，并对所建模型划分用于反应堆物理计算的网格；

(2)建立反应堆物理计算模型

反应堆物理计算模型由稳态三维中子输运方程和燃耗方程组成，稳态三维中子输运方程给出中子通量分布，燃耗方程计算核素的燃耗；稳态三维中子输运方程表示为：

式中：表示位置处，能量为E，运动方向为的中子角注量率，表示位置处，能量为E的中子宏观总截面，表示位置处，能量为E，运动方向为的散射中子源，表示位置处，能量为E，运动方向为的假定各向同性的裂变中子源；

燃耗方程的表达式如下：