[发明专利]一种堆芯杂质沉积预测方法

说明书

本发明公开了一种堆芯杂质沉积预测方法，步骤如下：1、建立冷却剂流动换热模型与燃料棒导热分析模型；2、建立腐蚀产物沉积量模型；3、建立沉积物热阻模型并与燃料棒导热分析模型耦合；4、建立沉积物多物理场耦合求解方法，得到某一时刻受杂质沉积物影响下的堆芯冷却剂流场和温度场；5、进行多沉积时间结果的计算。本方法对压水堆堆芯内的几何结构进行了简化，通过建立堆芯包壳腐蚀产物沉积模型来考虑沉积物对堆芯内部物理量的影响，并将多个物理模型进行耦合求解，实现堆芯全尺度、长周期沉积状态下多物理场的精准预测，同时具有计算速度快，资源消耗少的优点。计算结果可为压水堆全堆芯、全寿期的长期预测提供了一种高效、准确的计算流体力学方法。

技术领域

本发明属于核反应堆安全分析技术领域，具体涉及一种压水堆堆芯杂质沉积预测方法，可实现堆芯全尺度、长周期沉积状态下多物理场的精准预测。

背景技术

压水堆核电站是当今采用最广泛的商用堆型，系统材料长期处于高温高压的放射性条件下工作。在反应堆运行过程中，堆芯内构件和燃料棒受高温高压冷却剂腐蚀影响，会产生腐蚀产物。腐蚀产物量随堆芯运行时间不断增加，并沉积在各处。沉积在燃料元件包壳表面的腐蚀沉积物(Chalk River Unidentified Deposit，CRUD)具有多种物理化学形式，主要Ni，Fe等元素组成。CRUD热阻大，会阻碍燃料包壳与冷却剂换热，其结构疏松，易于其他溶质沉积，不仅会进一步加速材料腐蚀，还会造成硼富集，产生轴向功率偏移(AxialOffset Anomaly,AOA)问题，CRUD的迁移更是会导致一回路辐射剂量增加，对一回路的安全稳定运行产生了诸多不利影响。

由于腐蚀产物沉积模型复杂，相关研究方法大多采用一维系统程序或子通道程序，而采用CFD计算方法由于计算资源受限，研究对象大都局限于单棒或部分组件，难以对全堆展开精细建模计算，也无法获得整个堆芯的腐蚀产物分布特性；目前国内外针对整个堆芯的腐蚀沉积模拟和热工水力影响研究很少。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种堆芯杂质沉积预测方法，本发明是一种对压水堆全堆芯尺度、长时间周期下腐蚀沉积特性分析与预测提供一种低计算资源消耗、高计算精度的方法。

本发明解决该技术问题所采用技术方案为：

针对压水堆堆芯提出一种基于计算流体力学的压水堆全堆芯杂质沉积分析预测方法。针对反应堆内复杂的几何结构进行了简化处理，通过建立冷却剂流动换热分析模型、燃料棒导热分析模型并将其耦合，实现堆芯热工水力参数的计算，然后通过腐蚀产物沉积量模型与沉积物热阻模型，获得沉积热阻，并通过流固耦合方法将沉积热阻耦合至燃料棒导热分析模型中，最后通过迭代与更新沉积时间，实现压水堆全堆芯尺度、长时间周期下腐蚀沉积特性分析与预测。

一种堆芯杂质沉积预测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：建立堆芯多控制体网格分析模型，然后在堆芯多控制体网格分析模型的基础上，建立冷却剂流动换热分析模型与燃料棒导热分析模型，最后将冷却剂流动换热分析模型与燃料棒导热分析模型进行耦合计算，得到堆芯控制体的燃料棒与冷却剂信息，具体分为以下步骤：

步骤1-1：根据堆芯结构，划分堆芯多控制体网格，针对压水堆堆芯三维几何模型，对堆芯中的燃料棒、控制棒及结构元件进行简化处理，忽略其实际几何结构，将其简化为多个正六面体组合而成的流体域计算模型，形成形状规则的多控制体集合，由此得到堆芯多控制体网格分析模型；

步骤1-2：建立冷却剂流动换热分析模型，得到堆芯内部冷却剂的速度场与温度场分布，模型具体建立步骤为：在堆芯多控制体网格分析模型的基础上，针对形状规则的多控制体集合根据压水堆堆芯冷却剂流动特性，建立冷却剂的质量、动量和能量守恒方程，通过求解三大守恒方程得到压水堆堆芯内部的速度场与温度场分布，由此得到冷却剂流动换热分析模型；冷却剂的质量、动量和能量守恒方程分别如下：

冷却剂质量守恒方程为：