一种压水堆稳态计算的多物理耦合方法

摘要

一种压水堆稳态计算的多物理该耦合方法，包括如下步骤：1、根据工况点插值拟合得到节块的群常数2、由上述得到的群常数进行种子扩散计算3、根据上一步计算得到的中子通量分布进行热工水利计算4、判断核热耦合是否收敛5、燃耗计算6、更新节块宏观截面7、三维中子扩散计算8、根据用户的选择确定是否临界硼搜索；上述耦合方法将截面计算与燃耗计算脱耦，使得核热耦合过程更易收敛，使软件计算稳定，减少迭代次数降低运行时间。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯核设计及安全领域，具体涉及一种压水堆稳态计算的多物理耦合方法。

背景技术

由于核电行业的特殊性，要进行反应堆的安全测试或是燃料优化管理的实验成本很高且不易操作，所以现阶段我们通常采用软件仿真的手段来模拟计算反应堆的真实运行。核电站是由不同功能的系统组成的，具有多元化物理过程的特点，各个物理过程相互影响，十分复杂，尤其是在核电站的反应堆堆芯部分，更是集中地存在多种物理过程。例如中子会引发重核的裂变，这一过程释放的能量使得堆芯内冷却剂温度升高，温度场的变化又会引起流场以及核数据的变化，核数据的改变又会反过来作用于中子的碰撞，影响中子裂变率，这就是各个物理场之间相互影响。为了正确的描述这一多物理过程在压水堆核设计软件中针对反应堆多物理过程需要进行耦合，这样复杂的多物理过程也为压水堆堆芯稳态计算软件中的多物理耦合方法提出了很高的要求。由于在反应堆系统中每增加一个物理场就会使计算难度增加，所以这个多物理的耦合方法对于压水堆堆芯软件最后计算得到结果的精确性以及正确性是十分重要的，一种优秀的压水堆堆芯软件的多物理耦合方法是可以提高计算精度以及软件稳定度的。

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压水堆稳态计算的多物理耦合方法，在原有耦合方法上做出进一步改进以提高软件计算的稳定性，并使得计算结果更为精确。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案予以实施：

一种压水堆稳态计算的多物理该耦合方法，该耦合方法包括了截面计算、三维中子扩散计算、热工水力计算以及燃耗计算，具体步骤如下：

步骤1：根据工况点插值拟合得到节块的群常数：根据组件计算给出的群常数-状态参数的离散关系，利用最小二乘拟合方法进行函数化和回代获得堆芯计算所需的某一特定工况点下的群常数；采用压水堆常用的组合方式：

其中，BU表示燃耗，CB为硼浓度，TF为冷却剂温度，TM为慢化剂温度，δ(CR)表示控制棒对截面影响；f_base为关于燃耗和硼浓度的基态函数，f_crt为关于冷却剂、慢化剂以及硼浓度的重启项函数；燃耗深度取四阶拟合；

需要通过拟合获得的群常数如下：

g＝1,…,G--------------------不包括毒物的影响的宏观总截面

g＝1,…,G-------------------不包括毒物的影响宏观吸收截面

g＝1,…,G-----------宏观散射矩阵

g＝1,…,G-----------------------------------宏观裂变截面

g＝1,…,G-------------------------------宏观中子产生截面

g＝1,…,G--------------------------宏观中子能量产生截面

χ^g,g＝1,…,G-----------------------------宏观中子裂变谱

y_I,y_Xe,y_Pm,y_Sm----------------------毒物及其先驱核的裂变产额

----------考虑毒物及其先驱核的微观吸收截面

步骤2：由上述得到的群常数进行全堆三维中子扩散计算：采用变分节块法进行扩散计算，变分节块法从二阶偶对称形式的中子输运方程出发，利用伽俐金变分技术在整个求解域上建立一个包含节块中子平衡方程的泛函，再利用拉格朗日乘子法将边界条件包含在该泛函内，再通过里兹法以空间上的蒸饺多项式函数和角度上的球谐函数为基函数将这个泛函展开，得到耦合了节块内中子通量密度与结块边界上的分中子流密度的节块响应矩阵，从而求解中子扩散方程，得到三维全堆中子通量分布；

步骤3：由步骤2得到中子通量分布进行热工水力计算：已知堆芯内中子通量分布能够得到堆芯的功率分布；堆芯功率和中子通量密度按下式进行归一：

其中：V_l为第l个节块的体积；

V_core为堆芯的总裂变体积；

P_av为堆芯的归一化因子；

为第l节块第g群的通量；

L为总节块数；

G为总能群数；

为g能群第l节块的宏观中子能量产生截面；

热工水力计算模型采用单通道模型；

步骤4：判断核热耦合是否收敛，若收敛，进行下一步；否则返回步骤1；核热耦合的收敛条件有两个，分别是：

其中，是第m次迭代的有效增殖系数；

P_i^m是第m次迭代第i个节块内的功率；

是两次迭代计算的有效增殖系数的相对误差；

是两次迭代计算的节块功率相对误差最大值；

和是收敛误差线值；

步骤5：燃耗计算：由步骤4可知在某工况点下堆芯的有效增殖系数以及堆芯功率，此时进行燃耗计算，堆芯内某处的燃耗深度由下式表示：

式中，表示空间i处在第k步时间点上的燃耗深度，MW·D/tU

P_i^k表示空间i处在第k步时间点上功率，MW；

Δt^k表示第k步燃耗段的时间步长，D；

ρ_i表示空间i处的对应于初始铀装载量，t；

步骤6：更新节块宏观截面：由步骤5中更新了燃耗，其他热工参数不变，燃耗会改变截面值所以需要重新插值拟合截面，同步骤1；

步骤7：三维中子扩散计算：由步骤6得到新的截面后再进行三维中子扩散计算，得到中子通量分布；

步骤8：根据用户的选择判断是否进行临界硼搜索，若不进行临界硼搜索，进行下一计算模块；否则进行临界硼搜索并调整硼浓度至临界并返回步骤1；由步骤7得到的中子通量计算有效增值因子判断反应堆是否临界，若有效增殖因子值为1则反应堆达到临界状态，进入下一非多物理耦合的计算模块；若有效增殖因子值不为1，则反应堆尚未临界，根据当前的有效增殖因子调整硼浓度，将调整后的硼浓度带回步骤1作为工况输入参数之一去插值拟合截面。

本发明耦合方法与现有技术相比有如下突出特点：

将截面计算与燃耗计算脱耦，使得核热耦合过程更易收敛，使软件计算稳定，减少迭代次数降低运行时间。

附图说明

图1为本发明多物理耦合流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明

如图1所示，本发明一种压水堆稳态计算的多物理该耦合方法，该耦合方法包括了截面计算、三维中子扩散计算、热工水力计算以及燃耗计算：具体步骤如下：

步骤1：根据工况点插值拟合得到节块的群常数：根据组件计算给出的群常数-状态参数的离散关系，利用最小二乘拟合方法进行函数化和回代获得堆芯计算所需的某一特定工况点下的群常数；采用压水堆常用的组合方式：

其中，BU表示燃耗，CB为硼浓度，TF为冷却剂温度，TM为慢化剂温度，δ(CR)表示控制棒对截面影响；f_base为关于燃耗和硼浓度的基态函数，f_crt为关于冷却剂、慢化剂以及硼浓度的重启项函数。燃耗深度取四阶拟合；

需要通过拟合获得的群常数如下：

g＝1,…,G--------------------不包括毒物的影响的宏观总截面

g＝1,…,G-------------------不包括毒物的影响宏观吸收截面

g＝1,…,G-----------宏观散射矩阵

g＝1,…,G-----------------------------------宏观裂变截面

g＝1,…,G-------------------------------宏观中子产生截面

g＝1,…,G--------------------------宏观中子能量产生截面

χ^g,g＝1,…,G-----------------------------宏观中子裂变谱

y_I,y_Xe,y_Pm,y_Sm----------------------毒物及其先驱核的裂变产额

----------考虑毒物及其先驱核的微观吸收截面

步骤2：由上述得到的群常数进行全堆三维中子扩散计算：采用变分节块法进行扩散计算，变分节块法从二阶偶对称形式的中子输运方程出发，利用伽俐金变分技术在整个求解域上建立一个包含节块中子平衡方程的泛函，再利用拉格朗日乘子法将边界条件包含在该泛函内，再通过里兹法以空间上的蒸饺多项式函数和角度上的球谐函数为基函数将这个泛函展开，得到耦合了节块内中子通量密度与结块边界上的分中子流密度的节块响应矩阵，从而求解中子扩散方程，得到三维全堆中子通量分布；

步骤3：由步骤2得到中子通量分布进行热工水力计算：已知堆芯内中子通量分布能够得到堆芯的功率分布；堆芯功率和中子通量密度按下式进行归一：

其中：V_l为第l个节块的体积；

V_core为堆芯的总裂变体积；

P_av为堆芯的归一化因子；

为第l节块第g群的通量；

L为总节块数；

G为总能群数；

为g能群第l节块的宏观中子能量产生截面；

热工水力计算模型采用单通道模型；

步骤4：判断核热耦合是否收敛，若收敛，进行下一步；否则返回步骤1；核热耦合的收敛条件有两个，分别是：

其中，是第m次迭代的有效增殖系数；

P_i^m是第m次迭代第i个节块内的功率；

是两次迭代计算的有效增殖系数的相对误差；

是两次迭代计算的节块功率相对误差最大值；

和是收敛误差线值；

步骤5：燃耗计算：由步骤4可知在某工况点下堆芯的有效增殖系数以及堆芯功率，此时进行燃耗计算，堆芯内某处的燃耗深度由下式表示：

式中，表示空间i处在第k步时间点上的燃耗深度，MW·D/tU

P_i^k表示空间i处在第k步时间点上功率，MW；

Δt^k表示第k步燃耗段的时间步长，D；

ρ_i表示空间i处的对应于初始铀装载量，t；

步骤6：更新节块宏观截面：由步骤5中更新了燃耗，其他热工参数不变，燃耗会改变截面值所以需要重新插值拟合截面，同步骤1；

步骤7：三维中子扩散计算：由步骤6得到新的截面后再进行三维中子扩散计算，得到中子通量分布；

步骤8：根据用户的选择判断是否进行临界硼搜索，若不进行临界硼搜索，进行下一计算模块；否则进行临界硼搜索并调整硼浓度至临界并返回步骤1；由步骤7得到的中子通量计算有效增值因子判断反应堆是否临界，若有效增殖因子值为1则反应堆达到临界状态，进入下一非多物理耦合的计算模块；若有效增殖因子值不为1，则反应堆尚未临界，根据当前的有效增殖因子调整硼浓度，将调整后的硼浓度带回步骤1作为工况输入参数之一去插值拟合截面。