一种基于Cardinal框架的热管堆中子热工力学辐照多场耦合方法

本发明属于核反应堆多物理耦合分析，尤其涉及一种基于cardinal框架的热管堆中子热工力学辐照多场耦合方法。

背景技术：

1、热管反应堆凭借结构紧凑、非能动传热、固有安全性高等显著优势，在太空探索、深海探测、偏远地区供电及应急能源保障等特殊场景中展现出广阔的应用前景。与传统压水堆采用液态冷却剂的循环传热模式不同，热管反应堆采用全固态堆芯结构，运行温度显著更高，堆芯材料会产生强烈的热膨胀效应，进而改变材料密度与中子截面，影响中子泄漏率与功率分布，形成“温度-变形-反应性-功率再分布”的强非线性闭环反馈机制。同时，热管反应堆通常设计为长寿命无换料运行模式，在整个燃耗寿期内，燃料芯块、结构基体等堆芯材料会持续受到高能中子辐照，产生辐照肿胀、辐照致密化及辐照蠕变等不可逆的材料演化行为。这些辐照效应随燃耗深度的增加不断累积，会进一步改变堆芯几何尺寸、材料力学性能与应力分布，并与中子学、热工及力学行为产生深度耦合，形成更为复杂的多物理场交互特性，直接影响热管反应堆的长期运行性能与安全裕度。

2、目前，针对热管反应堆的多物理耦合分析已开展了相关研究。例如，有研究通过外部python脚本将蒙特卡罗中子学程序openmc与多物理场仿真软件comsol进行松耦合，建立了三维中子-热工-力学耦合分析模型，分析了稳态运行条件下温度场对有效增殖因数及功率分布的影响；也有研究基于openmc与moose平台开发了中子-热工-力学顺序耦合数值模拟方法，利用moose的多物理场求解能力实现了三场耦合计算；还有研究将pragma、openfoam和anlhtp程序进行耦合，构建了面向热管微堆的多物理分析系统并应用于堆芯热-结构分析。

3、然而，现有技术仍存在以下明显不足：

4、其一，多数研究采用基于外部脚本的松耦合或顺序耦合策略，不同程序之间的数据交换依赖文件读写操作，存在计算效率低、数据传递开销大、收敛稳定性差的问题，难以满足长燃耗寿期下多步迭代计算的需求；

5、其二，现有耦合方法主要聚焦于稳态工况下的中子-热工-力学三场耦合分析，对燃耗进程中辐照诱导的材料演化行为考虑严重不足，缺乏将辐照肿胀、致密化、蠕变等效应与中子学、热工及力学行为进行统一求解的技术手段，无法准确描述辐照效应对堆芯性能的长期影响；

6、其三，针对热管堆单通道尺度下燃耗相关的辐照-热工-力学耦合分析研究较为匮乏，难以精准刻画单通道内燃料与基体的局部变形及应力演化规律，无法为热管反应堆的精细化设计与安全评估提供可靠的技术支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种基于cardinal框架的热管堆中子热工力学辐照多场耦合方法。

2、有鉴于此，本发明提供一种基于cardinal框架的热管堆单通道中子热工力学辐照多场耦合方法，包括以下步骤：

3、在cardinal框架中建立热管堆单通道的中子热工力学耦合模型，采用开源蒙特卡洛程序openmc作为中子学求解器，采用moose框架原生的热工模块作为热工求解器、原生的固体力学模块作为力学求解器，所述中子学求解器、热工求解器与力学求解器通过moose的multiapp系统实现内存式数据交换；

4、构建辐照效应驱动模块，协调cardinal的执行流程，在每个燃耗步内获取openmc燃耗计算模块输出的燃耗相关变量，并将所述燃耗相关变量传递至moose固体力学模块；

5、将辐照肿胀模型、辐照致密化模型及辐照蠕变模型集成至moose固体力学模块，所述集成的模型接收所述燃耗相关变量及热工模块输出的温度场，计算得到辐照应变，将所述辐照应变与热膨胀应变叠加为总本征应变，代入固体力学本构方程求解应力场与位移场；

6、建立燃耗步进循环，在每个燃耗步内依次执行中子学计算、燃耗计算、热工计算、辐照应变计算及力学计算，实现燃耗相关的多场顺序耦合求解，直至达到预设燃耗深度。

7、进一步的，建立所述单通道的中子热工力学耦合模型时采用混合维度建模策略：

8、在中子学与热工计算域建立包含燃料芯块、气隙及基体材料的准三维切片模型，通过轴向反射边界条件模拟无限长堆芯的周期性特征；

9、在力学计算域建立二维横截面模型，并引入广义平面应变假设，通过求解截面净轴向力为零的条件确定均匀离面应变，以在二维模型中反映三维变形特性。

10、进一步的，通过moose的multiappgeometricinterpolationtransfer数据传递方式，实现三维热传导网格与二维力学网格之间温度场与位移场的双向映射：将三维热传导网格的温度值映射至二维力学网格的积分点作为热应变计算输入；将二维力学网格计算得到的径向位移场轴向拉伸后映射回三维热传导网格的所有z平面节点。

11、进一步的，所述辐照效应驱动模块还用于设定燃耗步长与总燃耗深度，循环推进燃耗步；所述燃耗相关变量包括燃耗深度、累计裂变密度及中子通量，通过moose的moosefunction对象传递至moose固体力学模块中集成的辐照模型。

12、进一步的，所述辐照肿胀模型包括燃料辐照肿胀模型和基体辐照肿胀模型；其中燃料辐照肿胀为固体裂变产物肿胀与气体裂变产物肿胀的叠加，基体辐照肿胀基于luzzi模型构建。

13、进一步的，所述辐照致密化模型为燃料辐照致密化模型，采用matpro致密化模型，根据燃料温度、燃料密度占理论密度的百分比及烧结温度计算最大致密化应变，并结合燃耗深度得到燃料辐照致密化应变。

14、进一步的，所述辐照蠕变模型包括燃料辐照蠕变模型和基体辐照蠕变模型；燃料总蠕变速率为热蠕变速率与辐照蠕变速率之和，基体总蠕变速率为热蠕变速率与辐照蠕变速率之和，蠕变应变通过对蠕变速率在燃耗步时间内积分得到。

15、进一步的，所述广义平面应变假设通过构建弱形式残差方程，求解满足截面净轴向力为零条件的均匀离面应变，所述离面应变作为未知常数代入固体力学本构方程。

16、进一步的，所述燃耗步进循环的具体执行流程为：首先调用中子学模块更新功率分布并执行燃耗计算，其次调用热工模块基于更新后的功率分布求解温度场，然后调用力学模块结合温度场与燃耗相关变量计算辐照应变并求解应力位移场，最后判断是否达到预设燃耗深度，若未达到则进入下一燃耗步。

17、进一步的，还包括耦合验证步骤：选取热管反应堆堆芯的峰值功率通道作为分析对象，提取不同燃耗深度下燃料和基体的各应变分量计算值，与参考数据对比以验证方法的预测精度，同时分析各应变分量随燃耗深度的演化规律。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明基于cardinal框架构建耦合模型，利用moose原生的multiapp系统实现中子学求解器、热工求解器与力学求解器之间的内存式数据交换，避免了传统松耦合方式中频繁依赖文件读写进行场变量传递的数据交换过程，大幅降低了数据传输开销，提高了多场耦合迭代的收敛速度与计算稳定性，能够高效支撑长燃耗寿期内的多步耦合计算。

20、本发明通过构建辐照效应驱动模块，实现了燃耗步进过程的自动控制与燃耗相关变量的高效传递，并将辐照肿胀、辐照致密化及辐照蠕变模型系统集成至moose固体力学模块，建立了燃耗步进循环内的顺序耦合求解策略，成功将辐照效应纳入多物理耦合体系，填补了现有技术在燃耗相关辐照效应耦合分析领域的空白，能够准确描述长寿命运行过程中辐照诱导材料演化与多物理场的交互作用。

21、针对单通道尺度分析特点，本发明采用混合维度建模策略，在中子学与热工计算域采用准三维切片模型保证计算精度，在力学计算域采用引入广义平面应变假设的二维横截面模型降低计算复杂度，并通过multiappgeometricinterpolationtransfer实现三维热传导网格与二维力学网格之间温度场与位移场的双向映射，在保证计算精度的前提下显著降低了计算资源消耗，适用于热管堆单通道的精细化分析。