[发明专利]一种用于热管堆瞬态特性分析的方法

摘要

一种用于热管堆瞬态特性分析的方法，1、将热管堆沿径向由内而外依次划分为安全棒区、活性区以及径向反射层区；分别列出一维导热微分方程和边界条件；解得不同功率水平下各区的温度分布；2、基于体膨胀系数是线性膨胀系数3倍的假设，列出三区的直径、高度以及密度随温度的函数关系；3、对扇环进行三角网格划分研究。基于组合几何方法将1/6热管堆分割成18个扇环，从而对1/6热管堆进行三角网格划分；4、使用SARAX程序对其输运计算。将堆芯径向功率分布提供给步骤一重新进行温度分布计算；再进行步骤二的膨胀计算；再经过步骤三，将划分好的三角形网格提供给下一时间步的输运计算；依次循环；可计算热管堆的堆芯功率水平和反应性在瞬态过程中的变化。

主权项

1.一种用于热管堆瞬态特性分析的方法，包括如下步骤：步骤1：对于以六角形方式排列的具有234根燃料热管组件以及6根控制鼓的热管堆，沿径向将其由内而外依次划分为安全棒区、活性区以及径向反射层区；安全棒区为一圆柱体，直径为安全棒绝热层的外径；活性区为一圆环柱体，内径为安全棒绝热层外径，外径为内容器壁外径；径向反射层区仍为一圆环柱体，内径为内容器壁外径，外径为外容器壁外径；各区域的高均与热管堆的高相同；其中，安全棒区沿径向满足一维导热微分方程，如公式(1)所示；活性区沿径向满足一维含内热源导热微分方程，如公式(2)所示；径向反射层区沿径向满足一维导热微分方程，如公式(3)所示；式中：r——距离安全棒区中心线的距离；λs——安全棒区导热系数；λf——活性区导热系数；λr——径向反射层区导热系数；Ts(r)——安全棒区径向温度；Tf(r)——燃料活性区径向温度；Tr(r)——径向反射层区径向温度；——活性区的体积释热率；安全棒区的中心区满足绝热边界条件；安全棒区与活性区边界处温度连续并且热流密度连续；活性区与径向反射层区边界处温度连续并且热流密度连续；径向反射层的外边界满足辐射边界条件；因此得如公式(4)到(9)所示的边界条件；Ts(r1)＝Tf(r1)               公式(5)Tf(r2)＝Tr(r2)                       公式(7)式中：r——距离安全棒区中心线的距离；r1——安全棒区外径；r2——活性区外径；r3——径向反射层区外径；λs——安全棒区导热系数；λf——活性区导热系数；λr——径向反射层区导热系数；Ts(r)——距离安全棒中心线距离为r处的安全棒温度；Tf(r)——距离安全棒中心线距离为r处的活性区温度；Tr(r)——距离安全棒中心线距离为r处的径向反射层温度；Ts(r1)——安全棒区外边界的温度；Tf(r1)——活性区内边界的温度；Tf(r2)——活性区外边界的温度；Tr(r2)——径向反射层区内边界的温度；Tr(r3)——径向反射层区外边界的温度；ε——热管堆外容器壁的发射率；σ——斯忒潘‑珀耳兹曼常量；得到三个区域的温度分布的解析解，如公式(10)到公式(12)所示：Ts(r)＝c1lnr+c2                   公式(10)Tr(r)＝c5lnr+c6                   公式(12)其中c1＝0                            公式(13)式中：r——距离安全棒区中心线的距离；r1——安全棒区外径；r2——活性区外径；r3——径向反射层区外径；λs——安全棒区导热系数；λf——活性区导热系数；λr——径向反射层区导热系数；Ts(r)——距离安全棒中心线距离为r处的安全棒温度；Tf(r)——距离安全棒中心线距离为r处的活性区温度；Tr(r)——距离安全棒中心线距离为r处的径向反射层温度；Ts(r1)——安全棒区外边界的温度；Tf(r1)——活性区内边界的温度；Tf(r2)——活性区外边界的温度；Tr(r2)——径向反射层区内边界的温度；Tr(r3)——径向反射层区外边界的温度；ε——热管堆外容器壁的发射率；σ——斯忒潘‑珀耳兹曼常量；热管堆在瞬态过程中，随着功率的改变，即体积释热率的改变，三个区的温度分布会随之进行变化；定义三个区域在瞬态前后的温度变化如公式(19)到公式(21)所示：式中：r——距离安全棒区中心线的距离；r1——安全棒区外径；r2——活性区外径；r3——径向反射层区外径；Ts(r)——瞬态前距离安全棒中心线距离为r处的安全棒温度；Tf(r)——瞬态前距离安全棒中心线距离为r处的活性区温度；Tr(r)——瞬态前距离安全棒中心线距离为r处的径向反射层温度；Ts'(r)——瞬态后距离安全棒中心线距离为r处的安全棒温度；Tf'(r)——瞬态后距离安全棒中心线距离为r处的活性区温度；Tr'(r)——瞬态后距离安全棒中心线距离为r处的径向反射层温度；ΔTs——瞬态前后安全棒区的温度变化量；ΔTf——瞬态前后活性区的温度变化量；ΔTr——瞬态前后径向反射层区的温度变化量；步骤2：调研得到三个区域的材料在不同温度下的线性膨胀系数，线性热膨胀系数γlte是指固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化和它在0℃时长度之比；相应的，体积热膨胀系数γvte是指固体物质的温度改变1℃时，其体积的变化和它在0℃时体积之比；基于体膨胀系数是线性膨胀系数的3倍的假设，分别列出三个区域的直径、高度以及密度随温度的变化函数，如公式(22)到公式(30)所示：式中：r1——安全棒区外径；r2——活性区外径；r3——径向反射层区外径；r1(T)——温度为T时，安全棒区外径；r2(T)——温度为T时，活性区外径；r3(T)——温度为T时，径向反射层区外径；——安全棒区的线性膨胀系数；——活性区的线性膨胀系数；——径向反射层区的线性膨胀系数；ΔTs——瞬态前后安全棒区的温度变化量；ΔTf——瞬态前后活性区的温度变化量；ΔTr——瞬态前后径向反射层区的温度变化量；h——常温下热管堆的高度；hs(T)——温度为T时安全棒区高度；hf(T)——温度为T时活性区高度；hr(T)——温度为T时径向反射层区高度；ρs——常温下安全棒区材料的密度；ρf——常温下活性区材料的密度；ρr——常温下径向反射层区材料的密度；ρs(T)——温度为T时安全棒区材料的密度；ρf(T)——温度为T时活性区材料的密度；ρr(T)——温度为T时径向反射层区材料的密度；步骤3：对热管堆进行输运计算之前，需要对其进行三角形网格划分；几何上，热管堆由若干个扇环拼接而成；因此，对扇环进行三角形网格划分研究，并基于组合几何的方式由若干个扇环拼成1/6热管堆，从而对1/6热管堆进行三角网格划分；圆、圆环、扇形均视为特殊的扇环；其中，扇形为内径为0的扇环；圆环为辐角等于2π的扇环；圆为内径为0，辐角等于2π的扇环；因此，仅需对任意扇环的三角形网格划分进行研究，便能运用于1/6热管堆的三角形网格划分；三角形网格的划分过程先后分为离散点的生成和三角形网格的生成；离散点的生成即三角形网格节点的生成过程；三角网格的生成即在离散点生成的基础上，将其连线，生成三角形网格的过程；用户需要输入第i个扇环的圆心坐标(xi,yi)、初始辐角αi,1与终止辐角αi,2、扇环的内径ri,1与外径ri,2以及三角形网格的名义边长δi；如公式(31)所示，第i个扇环的径向均匀插入ni个节点；式(31)中表示向下取整，由于取整的存在，三角形网格的名义边长δi并不一定等于三角形网格的实际边长，但其大小能反应网格的疏密程度；式中：δi——第i个扇环中三角形网格的名义边长；ni——第i个扇环径向均匀插入的节点数；ri,1——第i个扇环的内径；ri,2——第i个扇环的外径；相应地，扇形含有n+2条同圆心角的弧，每条弧长由式(32)表示：式中：ri,1——第i个扇环的内径；ri,2——第i个扇环的外径；αi,1——第i个扇环的初始辐角；αi,2——第i个扇环的终止辐角；ni——第i个扇环径向均匀插入的节点数；li，j——第i个扇环中第j条弧的长度；同理根据式(33)计算得到每一条弧上均匀插入的节点数mi：式中：mi，j——第i个扇环中第j条弧上均匀插入的节点数；δi——第i个扇环中三角形网格的名义边长；li，j——第i个扇环中第j条弧的长度；因此，能够得到各个节点的坐标如公式(34)与公式(35)所示：式中：xi,j,k——第i个扇环中第j条弧上第k个节点的横坐标；yi,j,k——第i个扇环中第j条弧上第k个节点的纵坐标；ri,1——第i个扇环的内径；ri,2——第i个扇环的外径；ni——第i个扇环径向均匀插入的节点数；mi，j——第i个扇环中第j条弧上均匀插入的节点数；αi,1——第i个扇环的初始辐角；αi,2——第i个扇环的终止辐角；xi——第i个扇环圆心的横坐标；yi——第i个扇环圆心的纵坐标；基于以上离散点生成方法，采用三角网生长法实现三角形网格的生成，在此不予以赘述，最终实现三角形网格的划分；基于对扇环三角形网格划分的研究，采用组合几何的思想，将1/6热管堆视为由18个扇环拼接后的模型；基于步骤3得到的不同区域在温度T下的内径和外径，计算得到18个扇环中每个扇环的圆心坐标、内径、外径、初始辐角以及终止辐角；指定每个扇环的三角形网格名义边长并实现1/6堆芯的三角形网格剖分；步骤4：使用快堆时空中子动力学程序SARAX对1/6堆芯进行输运计算；将输运计算得到的堆芯径向功率分布提供给步骤1重新进行三个区域的温度分布计算；再进行步骤2的膨胀计算；再经过步骤3，将划分好的三角形网格提供给下一时间步的输运计算；依次循环，则能够计算热管堆的堆芯功率水平和反应性在瞬态过程中的变化曲线。