[发明专利]一种反应堆稳态物理热工全耦合精细数值模拟方法及系统

说明书

本发明公开了一种反应堆稳态物理热工全耦合精细数值模拟方法及系统，本发明的方法包括：步骤S1，建立反应堆稳态物理热工耦合的非线性方程组；步骤S2，采用JFNK方法求解该非线性方程组，得到全堆芯燃料栅元级的中子通量、功率、冷却剂温度和燃料棒温度。本发明采用采用细网差方法离散中子物理扩散方程、采用单通道模型模拟冷却剂流动传热方程、采用有限体积法离散圆柱导热方程，建立模拟反应堆物理、热工专业的非线性方程组，采用JFNK方法求解该非线性方程组，得到全堆芯燃料栅元级的三维物理、热工参数，提高反应堆物理热工耦合计算的精度。

技术领域

本发明属于核反应堆堆芯计算技术领域，具体涉及一种反应堆稳态物理热工全耦合精细数值模拟方法及系统，以及用于存储和执行上述方法的计算机可读存储介质和计算机设备。

背景技术

反应堆物理-热工耦合是指在反应堆中物理专业和热工专业的物理量之间存在明显的反馈效应。具体是指：物理专业计算得到的裂变功率影响热工专业计算的燃料温度、慢化剂密度及相关物性参数，而热工专业计算的燃料温度和慢化剂密度会影响物理专业的截面参数，从而影响物理专业计算的裂变功率，这个耦合过程如附图1所示。

为了在反应堆的设计及安全分析中获得比较准确的反应堆参数，则必须考虑物理热工之间的耦合效应。

目前广泛采用的物理热工耦合计算方法是算符分裂法，其实现过程如附图2所示：物理方程和热工方程彼此独立、按一定顺序进行求解，通过数据接口的方式实现两个专业的数据交互。根据在一个时间步物理、热工专业之间的迭代次数及收敛情况，可分为简单算符分裂法、半隐式算符分裂法和Picard迭代法。算符分裂法本质上是一种“松耦合”，物理方程和热工方程是解耦求解的，只有一阶收敛速度，对于复杂的物理、热工耦合问题，算符分裂法的计算效率及收敛性是难以保证的。

为了克服算符分裂法的缺点，近年来提出了一种物理方程和热工方程联立求解的全耦合计算。有研究者已提出了中子物理采用节块法、热工水力采用单通道的物理热工方程联立求解方法。但由于节块法的网格约为组件级，尺寸较大，在与热工专业之间进行耦合时存在均匀化处理的操作，只能实现组件级的物理热工耦合效应计算，而无法更加准确的模拟组件内燃料栅元级的物理热工耦合效应。

发明内容

为了克服现有核反应堆稳态物理热工全耦合数值模拟技术存在的精度和可靠性差的问题，本发明提供了一种反应堆稳态物理热工全耦合精细数值模拟方法。本发明采用采用细网差方法离散中子物理扩散方程、采用单通道模型模拟冷却剂流动传热方程、采用有限体积法离散圆柱导热方程，建立模拟反应堆物理、热工专业的非线性方程组，采用Jacbian-free Newton Krylov(JFNK)方法求解该非线性方程组，得到全堆芯燃料栅元级的三维稳态物理、热工参数，提高反应堆物理热工耦合计算的精度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种反应堆稳态物理热工全耦合精细数值模拟方法，本发明的方法包括：

步骤S1，建立反应堆稳态物理热工耦合的非线性方程组：

其中，f_φ(x)、f_Q(x)、和f_λ(x)分别为稳态的中子扩散方程、中子通量-功率方程、冷却剂能量稳态方程、燃料导热稳态方程和封闭中子扩散方程的附加方程的残差形式；x为解向量；

步骤S2，采用JFNK方法求解该非线性方程组，得到全堆芯燃料栅元级的稳态的中子通量、功率、冷却剂温度和燃料棒温度。

优选的，本发明的稳态的中子扩散方程采用中心点差分格式进行空间上的离散，得到第g群中子扩散方程离散表达式如下：

其中：