[发明专利]基于有限元软件和团簇动力学的包壳缺陷演化分析方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元软件和团簇动力学的包壳缺陷演化分析方法，包括以下步骤：(1)启动商业有限元软件，建立核燃料元件包壳材料中缺陷及其团簇的速率方程，得到对应的参数化的脚本文件；(2)在脚本文件中对速率方程进行扩充，得到速率方程组；(3)设置缺陷及其团簇对应速率方程的相关物性参数；(4)设置初始条件；(5)设置求解器参数，运行脚本文件；(6)对计算结果进行后处理，获得包壳中缺陷随辐照剂量变化和团簇中缺陷的数量和团簇尺寸的变化情况。相比于通过编程语言开发团簇动力学程序进而实现缺陷演化过程模拟的传统方法，该方法可节约实现模拟过程的时间和成本。

技术领域

本发明涉及核材料模拟技术领域，特别涉及基于有限元软件和团簇动力学的包壳缺陷演化分析方法。

背景技术

反应堆中的核材料在服役过程中受到核反应产生的多种高能粒子辐照作用，会对材料的微观结构和宏观性能造成改变。点缺陷、位错环和溶质团簇等结构是辐照过程中常见的材料缺陷。团簇动力学具有比分子动力学等微观模拟方法更高的时间和空间尺度，能够达到实验和反应堆环境中的辐照深度，同时又能描述不同中子剂量下缺陷的积累和演化过程。团簇动力学方法基于平均场速率理论，通过求解扩散-反应动力学速率方程获得各种不同缺陷的浓度随时间的演化和空间分布情况，需要建立相应的物理模型并将其写入到程序中进行求解。

团簇动力学方法属于介观尺度下的模拟方法，可以分析材料亚稳态体系中缺陷随时间的动态演化行为，可以将微观尺度的辐照损伤和宏观物理性能很好地结合在一起，在核材料辐照领域具有广泛应用。目前，团簇动力学程序的开发都是基于编程语言，除了需要对速率方程组的相关模型和理论基础进行相应的程序开发，还需要对求解器、程序架构和模型界面等软件技术领域具有充分的了解，十分消耗人力物力，且只能用于某一特定领域，通用性差。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于有限元软件和团簇动力学的包壳缺陷演化分析方法，用于分析材料亚稳态体系中缺陷随时间的动态演化行为，该方法能节约实现核燃料元件包壳缺陷演化过程模拟的时间和成本，并且具有通用性，可应用于其他需要求解大型偏微分方程组的物理问题当中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于有限元软件和团簇动力学的包壳缺陷演化分析方法，包括以下步骤：

(1)启动商业有限元软件COMSOL Multiphysics，建立核燃料元件包壳材料中缺陷及其团簇的速率方程，得到对应的参数化的脚本文件；

(2)通过MATLAB软件在脚本文件中对速率方程进行扩充，得到速率方程组；

(3)设置缺陷及其团簇对应速率方程的相关物性参数；

(4)设置初始条件；

(5)设置求解器参数，在MATLAB中运行脚本文件；

(6)对计算结果进行后处理，获得包壳中缺陷随辐照剂量变化和团簇中缺陷的数量和团簇尺寸的变化情况。

本发明技术的进一步改进在于：在步骤(1)中，核燃料元件包壳材料中的缺陷类型包括空位以及间隙原子或析出相原子，团簇动力学的速率方程通过有限元软件COMSOLMultiphysics中的PDE模块构建。

本发明技术的进一步改进在于：在步骤(2)中，通过MATLAB软件和参数化建模方法实现团簇动力学速率方程的扩充，得到速率方程组，速率方程组在数学上的形式为偏微分方程组，速率方程组的建立过程中使用到了分组近似的方法，该方法的主要功能是对相邻较大尺寸团簇所对应的预设数量的速率方程进行分组，每组只用2个特征偏微分方程描述，从而起到减少偏微分方程组个数和降低计算资源消耗的作用。