[发明专利]反应堆燃料性能分析计算方法、系统、存储介质及设备

说明书

本发明涉及一种反应堆燃料性能分析计算方法、系统、存储介质及设备，其包括：生成待分析燃料棒的时间序列，并将燃料棒的几何结构在轴向上切分为不同的轴向分段；在每个时间步内对待分析燃料棒进行全域计算，进行热力耦合分析；对热力耦合分析后的燃料棒的不同轴向分段进行局部计算，实现多物理场分析；多物理场包括燃料重构、组分重分布、裂变气体释放和肿胀、包壳腐蚀和芯包化学相互作用。本发明解决了以往程序在跨时间步下参数传递的滞后和程序计算的失真问题。本发明可以广泛在反应堆燃料元件性能分析领域中应用。

技术领域

本发明涉及反应堆燃料元件性能分析领域，特别是关于一种用于铅基快堆氧化物反应堆燃料性能分析的计算方法、系统、存储介质及设备。

背景技术

在反应堆内高温、高中子注量以及剧烈的核反应与化学反应等复杂的服役环境下，燃料元件内部发生着从微观原子尺度到宏观结构尺度的演化，同时经历着从微秒量级的中子学反馈到数十年的服役寿期。这些横跨多物理场、大时空尺度的特殊服役条件导致燃料元件的行为演化十分复杂。对这一问题的准确描述涉及到化学、物理、冶金、力学及材料等众多学科，同时其固有的非线性特征使得纯粹的解析求解不可能实现。

随着以轻水堆为主体的二代、三代核能系统广泛商用化，不同国家和国际组织开展了大量LWR燃料性能模拟和实验研究，所以针对轻水堆燃料元件的性能分析方法已经比较成熟。相比于水堆，铅基快堆内中子能谱更硬、功率密度和燃耗深度更大，造成了燃料元件存在显著的液态铅铋腐蚀等化学相关效应和裂变气体释放等现象，这些现象的时间特征以及它们之间的相互作用十分复杂，对模拟分析和耦合计算带来了很大的困扰。除此以外，由于快堆系统的堆内实验数据较为匮乏，理论研究仍不充分，所以针对快堆的燃料元件分析程序开发的数量较少，并且没有水堆成熟。

目前以水堆燃料元件为研究对象设计的性能分析方法可以分为两大类：第一类方法将燃料棒活性段、气腔和相应的包壳部分作为分析计算区域，通过半隐式方法耦合燃料行为并追踪物性演化，该方法中燃料热力学分析与其他行为模型执行相同的分区计算流程，在计算未全局收敛的情况下所有参数会跨时间步进行传递，不仅会导致参数传递出现滞后，也会导致程序计算失真和收敛困难；第二类方法通过将局部燃料分段进行三维建模，并借助三维计算平台开发多尺度燃料分析程序，该方法能够实现燃料局部区域三维精细化计算，但计算量过大，在计算资源有限的前提下无法对全棒进行分析计算。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于铅基快堆氧化物反应堆燃料性能分析的计算方法、系统、存储介质及设备，其解决了以往程序在跨时间步下参数传递的滞后和程序计算的失真问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明采取以下技术方案：一种反应堆燃料性能分析计算方法，其包括：生成待分析燃料棒的时间序列，并将燃料棒的几何结构在轴向上切分为不同的轴向分段；在每个时间步内对待分析燃料棒进行全域计算，进行热力耦合分析；对热力耦合分析后的燃料棒的不同轴向分段进行局部计算，实现多物理场分析；多物理场包括燃料重构、组分重分布、裂变气体释放和肿胀、包壳腐蚀和芯包化学相互作用。

进一步，所述生成待分析燃料棒的时间序列的方法为：设定燃料棒不同行为模型的时间步长，按照反应堆辐照历史设定时间序列。

进一步，与所述将燃料棒的几何结构在轴向上切分为不同的轴向分段同步，在燃料棒几何结构的径向上将计算区域离散为相互嵌套的节点环，生成燃料棒模拟的计算网格，通过有限体积法对全域计算和局部计算进行离散求解。

进一步，所述在每个时间步内对待分析燃料棒进行全域计算，包括：

计算当前工况下燃料棒内部预估温度分布，包括芯包温度分布，间隙传热，冷却剂轴向温度分布；

根据燃料棒内部预估温度分布，计算得到当前预估温度下初步力学分析，包括芯块、包壳的应力分布，节点弹塑性、蠕变、肿胀应变、径向位移和轴向伸长；