[发明专利]一种复合芯块添加相几何结构及空间分布优化方法

说明书

本发明公开了一种复合芯块添加相几何结构及空间分布优化方法，采用椭球方程来同时描述圆球型、晶须型、薄片型填充方法，实现了不同几何形状优化设计；具体步骤如下：1、给定芯块相关条件；2、建立芯块r‑θ2D截面分析模型；3、给定添加相的离散几何数目；4、用随机算法在模型中生成相应的椭圆；5、判别4中生成的椭圆是否存在问题，有问题则重复4；6、重复步骤4、5，生成M套包含随机几何、空间分布的数据；7、进行网格剖分；8、使用数值分析方法并行求解，获得M组关键变量；9、基于8中结果，采用遗传算法等优化手段，评价M组设计优劣性，再结合步骤4‑6重新生成M组数据；10、重复步骤4‑9至达到优化算法收敛条件；11、输出优化结果。

技术领域

本发明属于复合燃料芯块优化技术领域，具体涉及到一种复合芯块添加相几何结构及空间分布优化方法。

背景技术

由于UO₂具有辐照稳定性良好、热中子吸收截面低、耐高温、不与水发生化学反应等特性，是一种非常好的核燃料，被广泛地应用于商用核电站中。但是，由于UO₂的导热率很低，使得从燃料到冷却剂段的传热性能很差，温度梯度高，增加了燃料开裂的风险，同时增加了放射性泄漏的风险，在一定程度上限制了反应堆参数的进一步提高。自福岛事故以来，人们更加认为高导热率的燃料对于反应堆安全而言具有非常重要的意义。

为了提高芯块的平均导热率，目前典型的设计方案是在UO₂基体中加入高导热率的材料，制作成复合UO₂芯块，以提高芯块的平均导热率。常见的复合UO₂芯块，如UO₂-BeO、UO₂-Mo、UO₂-SiC晶须等，其极大地保留了UO₂芯块的优势，并有望大幅提高芯块的平均导热率，从而降低燃料芯块中心温度、裂变气体释放、开裂效应等，能够提高燃料元件的堆内服役性能。

寻找合适的添加相几何及空间位置分布，改进复合芯块设计对于提高芯块服役性能具有至关重要的意义。当前，复合芯块中添加相具有多种几何形式设计，如小球型、晶须型、片状等，且其空间位置分布存在多种形式，要得到结构与性能之间的可靠关系，就需要开展大量实验及数值模拟工作。同时，为了保证反应堆的效率，复合材料中作为添加相的材料含量应尽可能的小。因此设计复合芯块要面对的问题是，在高UO₂含量下尽可能地提高芯块的平均导热率。这个问题涉及到芯块结构与性能之间的关系，其中包含大量复杂的物理过程，难以精确建模。使用已有的实验手段及传统优化方法，探索全局的优化解决方案，具有耗时长、花费大、难以实现几何及空间位置分布优化等特点，制约了复合芯块的改进。

如文献《Multi-Objective Optimization Design of Plate-type Fuel via Co-simulation Method.Annals of Nuclear Energy 169(2022):108914.》详细介绍了采用COMSOL建立了2维板组件热力耦合分析模型，并采用基于遗传算法的多目标算法实现了板燃料组件数目、板厚度、流道宽度的优化。但该工作中并未涉及对优化对象空间分布位置的优化。

文献《Thermal Optimization of UO₂-Mo Fuel Using Sensitivity Analysisand Genetic AlgorithmsTopFuel 2022,October 9–13,Raleigh,North Carolina,2022.》介绍了两项针对UO₂-Mo燃料导热性能的优化方案，一是基于温度峰值累积分布函数使用全局敏感性技术对杆盘式设计的Mo结构进行优化，另一个是使用遗传算法对细线型的Mo结构进行优化。该研究中虽然初步实现了添加相空间位置优化，但并未实现添加相几何形状优化。

发明内容