弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法及装置与流程

1.本发明涉及核工程领域，尤其涉及一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法及装置。


背景技术：

2.在反应堆安全运行过程中，反应性的控制尤为重要；可燃毒物的设置对反应性的控制有重要作用，它有利于减少反应堆寿期初的初始反应性，对反应堆的无人值守控制起着重要作用。
3.全陶瓷微封装弥散燃料是一种新型的耐事故燃料，它将包覆燃料颗粒弥散在基体中，它具有比较高的燃耗深度，较好的包容性和传热性能等优势。其中，在fcm燃料中加入弥散的可燃毒物颗粒，能够在不带来功率畸变的情况下，长期、灵活地控制反应性进程。此外，从生产工艺结合来看，fcm与颗粒状的可燃毒物十分契合。
4.不同于燃料颗粒，可燃毒物颗粒具有极大的中子吸收截面，其特殊的空间结构导致的空间自屏效应，导致燃耗过程中出现一种分层燃烧的现象，即：颗粒外层会优先被消耗而内层保持较高的完整度；燃料颗粒则不会出现这种明显的分层现象。在现有方法中，要精确还原这种毒物颗粒的分层现象，需要将毒物颗粒结构进行进一步细分，造成了巨大的网格计算量，计算负担很大，这在规模更大的全堆计算中是不可实现的；而基体中弥散的燃料颗粒，有别于毒物颗粒，不存在这种分层的现象，不需要过于精细的划分，但是仍具有双重异质性，需要另行处理。
5.基体中混有包覆燃料颗粒和可燃毒物颗粒等多种复杂结构以及其相应的特性，因此，在处理全陶瓷微封装弥散燃料(fcm)中的可燃毒物颗粒的分层燃耗效应过程中，目前缺少高效高保真的求解方法。


技术实现要素：

6.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法及装置，用于求解全陶瓷微封装弥散燃料(fcm燃料)中的弥散可燃毒物颗粒的分层燃耗现象。
7.本发明所采用的技术方案是：
8.一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法，包括以下步骤：
9.s1、根据棒束栅元模型的几何参数，构建微观精细模型；其中，微观精细模型中包括毒物颗粒球、燃料颗粒和sic基体；
10.s2、对所述微观精细模型进行中子输运计算，获得所述微观精细模型的有效增值因子；
11.s3、根据所述有效增值因子将所述毒物颗粒球与所述sic基体进行混合，获得与所述微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及毒物颗粒球的有效份额；
12.s4、将棒束栅元模型作为一个宏观模型，根据有效份额将燃料棒中的所述毒物颗
粒球和所述sic基体进行混合，获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量；
13.s5、根据所述有效增殖因子和所述平均通量做燃耗计算，获得所述燃料颗粒的新核子密度n；
14.s6、在微观精细模型中，根据所述平均通量做燃耗计算，获得所述毒物颗粒球的新核子密度n；
15.s7、将新核子密度n和新核子密度n返回步骤s1，并执行步骤s1
‑
s6，以实现多尺度耦合的燃耗计算。
16.进一步，所述微观精细模型还包括包壳层和慢化剂层；
17.所述毒物颗粒球、所述燃料颗粒、所述sic基体、所述包壳层以及所述慢化剂层各球层的尺寸均按照宏观中燃料棒束栅元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
18.进一步，在微观精细模型中，所述毒物颗粒球是作为一个单一的几何结构出现，无需进行双重异质性处理；所述燃料颗粒弥散在所述sic基体中，需要进行双重异质性处理；
19.所述对所述微观精细模型进行中子输运计算，获得有效增值因子，包括：
20.采用碰撞概率法对具有双重异质性的所述微观精细模型进行中子输运计算，获得所述微观精细模型的有效增值因子。
21.进一步，所述反应性相同指的是所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等。
22.进一步，通过以下步骤使所述微观精细模型与所述微观等效均匀模型对应的有效增殖因子相等：
23.将所述毒物颗粒球均匀混入所述sic基体中，调整所述sic基体的核子密度，以保持所述sic基体的总量不变；
24.通过调整毒物颗粒球的有效平均核子密度，以使所述微观等效均匀模型的有效增殖因子等于所述微观精细模型的有效增殖因子；
25.其中，通过调整获得的有效平均核子密度作为毒物颗粒球的有效份额。
26.进一步，所述获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量，包括：
27.调用中子物理分析的栅元程序，采用碰撞概率法，对整个棒束栅元进行中子输运计算，获得燃料棒的有效增殖因子和平均通量。
28.进一步，所述毒物颗粒球被划分为10层。
29.进一步，在所述微观等效均匀模型中，所述包壳层以及所述慢化剂层保持不变。
30.进一步，所述慢化剂层的压水堆中采用轻水。
31.本发明所采用的另一技术方案是：
32.一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合装置，包括：
33.至少一个处理器；
34.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
35.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
36.本发明的有益效果是：本发明根据微观等效均匀模型对宏观的棒束栅元模型进行混合处理，使燃耗求解过程中，避开了过密的网格和过大的计算量等技术问题，在能真实、
全面地反映燃料颗粒和毒物颗粒的燃耗表现的同时，极大地提高了计算效率。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
38.图1是本发明实施例中一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法的流程图；
39.图2是本发明实施例中fcm燃料和弥散可燃毒物颗粒示意图；
40.图3是本发明实施例中微观精细模型的示意图；
41.图4是本发明实施例中微观等效均匀模型的示意图；
42.图5是本发明实施例中多尺度耦合算法的误差图。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
46.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
47.如图1所示，本实施例提供一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法，包括以下步骤：
48.s101、根据棒束栅元模型的几何参数，构建微观精细模型；其中，微观精细模型中包括毒物颗粒球、燃料颗粒和sic基体。
49.如图2所示，根据全陶瓷微封装弥散燃料和可燃毒物颗粒的棒束栅元模型的相应的几何参数，建立一个微观精细球层模型，如图3所示。最内部为被精细划分成10层的可燃毒物颗粒球；其外的一层空间中，填充着弥散着包覆燃料颗粒的sic基体；次外层是包壳层，最外层为慢化剂层(一般压水堆中采用轻水)。其中，各球层的尺寸均按照宏观燃料棒束栅
元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
50.s102、对微观精细模型进行中子输运计算，获得微观精细模型的有效增值因子。
51.在微观模型中，一个毒物颗粒球是作为一个单一的几何结构出现的，不包括在弥散
‑
基体中间，不需要做双重异质性处理；而燃料颗粒则是弥散在sic基体当中，后续需要双重异质性处理。
52.现有的碰撞概率法可以高效求解燃料颗粒
‑
均匀sic基体的双重异质性问题，调用中子物理分析栅元程序dragon，采用碰撞概率法对该具有双重异质性的微观精细模型进行中子输运计算，获得微观精细模型的有效增值因子k
‑
ref。
53.s103、根据有效增值因子将毒物颗粒球与sic基体进行混合，获得与微观精细模型的反应性相同的微观等效均匀模型，以及毒物颗粒球的有效份额。
54.根据上述的微观精细模型，采用反应性等效策略，将其等效均匀化，获得一个微观等效均匀模型，如图4所示。
55.在等效模型中，外部的慢化剂层和包壳层保持不变，将毒物颗粒球结构打散，均匀混入sic基体中，而基体中的弥散燃料颗粒结构和成分保持不变。其中，需要根据体积比例，调整因为结构的体积变化而带来的一系列核子密度变化。
56.等效化的策略，是通过调整毒物颗粒球的有效平均核子密度(有效份额为fv)，使得新均匀球模型和原精细球模型具有相同的反应性；即保证微观等效均匀模型有效增殖因子k等于微观精细模型的有效增值因子k
‑
ref。而在做中子输运计算的时候，依旧使用碰撞概率法对弥散燃料颗粒进行双重异质性处理。
57.s104、将棒束栅元模型作为一个宏观模型，根据有效份额将燃料棒中的毒物颗粒球和sic基体进行混合，获取燃料棒的有效增殖因子和平均通量。
58.s105、根据有效增殖因子和平均通量做燃耗计算，获得燃料颗粒的新核子密度n。
59.本实施例中，将fcm燃料和嵌入弥散可燃毒物颗粒的棒束栅元模型作为一个宏观模型。根据上述的微观均匀模型中获得的可燃毒物的有效份额fv，作为在宏观模型中可燃毒物的混合平均有效份额。
60.在宏观模型中，将燃料棒中的sic基体和弥散毒物颗粒球均匀混合，根据体积比例的变化改变基质的核子密度，根据可燃毒物的有效核子份额fv，来确定毒物的新核子密度。
61.用中子物理分析栅元程序dragon，采用碰撞概率法，对整个棒束栅元进行中子输运计算(其中，对弥散燃料颗粒进行双重异质性处理)，获得整体的有效增殖因子k、平均通量φ；对整个棒束栅元做燃耗计算，获得燃料部分的新核子密度n。
62.s106、在微观精细模型中，根据平均通量做燃耗计算，获得毒物颗粒球的新核子密度n。
63.最后，在微观精细模型中，在平均通量φ的水平下，做一次分层燃耗计算，获得毒物颗粒的多层新核子密度n。
64.s107、将新核子密度n和新核子密度n返回步骤s101，并执行步骤s101
‑
s106，以实现多尺度耦合的燃耗计算。
65.将微观模型重新更新其毒物层核子密度n和燃料层核子密度n，循环重复步骤s101
‑
s107，即可完成整个寿期的多尺度耦合的燃耗计算。
66.以下结合实施例及附图对本实施例方法作进一步详细的描述，但本实施例的实施
方式不限于此。
67.本实例将计算一个装载弥散可燃毒物颗粒的全陶瓷微封装弥散燃料(fcm)的燃料棒束栅元模型；其中，慢化剂栅元为边长1.6cm的正方形，燃料包壳外半径为0.55cm，整体燃料棒束半径0.5cm。在燃料棒区间中，燃料颗粒和毒物颗粒弥散在sic基体中；其中，燃料颗粒占总燃料棒束体积份额为30％，颗粒毒物占总燃料棒束体积份额为1％。燃料采用富集度为20％的uo2，燃料颗粒为半径800um，燃料颗粒包覆外径980um；可燃毒物采用gd2o3，颗粒半径为500um。具体采用的技术方案如下：
68.s201、建立微观精细模型。
69.根据全陶瓷微封装弥散燃料和可燃毒物颗粒的宏观棒束栅元模型的相应的几何参数，建立一个微观精细球层模型。其中，各球层的尺寸均按照宏观燃料棒束栅元的各个部分的体积比例设置，各球层的材料属性与宏观栅元一致。
70.本案例中，直径为500um的可燃毒物颗粒球被等体积划分成10份，外层是燃料颗粒和sic基体混合层，其半径为0.2321cm，包壳采用zr
‑
4合金，包壳的外径为0.2473cm，慢化剂层(水)外径为0.3435cm。
71.s202、微观精细模型的中子输运计算。
72.调用中子物理分析栅元程序dragon，采用碰撞概率法对该具有双重异质性的微观精细模型进行中子输运计算，获得其有效增值因子k
‑
ref＝1.086904。
73.s203、微观等效均匀化。
74.根据s201中的微观精细模型，采用反应性等效策略，将其等效均匀化，获得一个微观等效均匀模型。等效模型中，外部的慢化剂层和包壳层保持不变，将毒物颗粒球结构打散，均匀混入sic基体中，而基体中的弥散燃料颗粒结构和成分保持不变。其中，需要根据体积比例，调整因为结构的体积变化而带来的一系列核子密度变化。
75.根据混合比例，调整sic基体的核子密度；此处可燃毒物的体积份额为1％，因此，sic分子所占据的空间由69％拓展到70％，因此核子密度需要乘上69/70以保持总量不变。而燃料颗粒所占据的体积份额30％，保持不变。
76.结合碰撞概率法，对该含弥散燃料颗粒和sic
‑
毒物新基体的微观结构做中子输运计算并获得其反应性；通过不断调整毒物材料的有效平均核子密度(有效份额为fv)，改变该模型的反应性，使得新均匀球模型和原精细球模型具有相同的反应性；即是，保证有效增殖因子(k)相等。记录其有效份额fv。
77.初始状态下，有效份额fv＝0.0106，相应的k＝1.086698。
78.s204、微观
‑
宏观耦合计算。
79.在宏观模型中，将燃料棒中的sic基体和弥散毒物颗粒球均匀混合，根据体积比例的变化改变基质的核子密度：
80.nd
(sic)
＝nd
(sic)*
69/70；
81.nd
(gd2o3)
＝nd
(gd2o3)*
1/70；
82.其中，nd表示相应核素的核子密度(number
‑
density)。
83.引入s203中的fv因子，作为在宏观模型中可燃毒物的混合平均有效份额；将稀释得到的毒物的核子密度，乘上有效份额，得到均匀混合下毒物的有效核子密度。
84.nd
‑
eff
(gd2o3)
＝nd
(gd2o3)*
fv；
85.再次调用中子物理分析栅元程序dragon，采用碰撞概率法，对整个棒束栅元进行中子输运计算(其中，对弥散燃料颗粒进行双重异质性处理)，获得整体的有效增殖因子k、平均通量φ；对整个棒束栅元做燃耗计算，获得燃料部分的新核子密度n。
86.在初始状态下，k＝1.095868；归一化之后的平均通量水平φ＝3.4065721e 00。
87.s205、宏观
‑
微观耦合计算。
88.在微观精细模型中，在恒定通量φ(在s4中得到)的水平下，做一次分层燃耗计算，获得毒物颗粒的多层新核子密度n。将微观模型重新更新其毒物层核子密度n和燃料层核子密度n，循环重复s201
‑
s205的步骤，即可完成整个寿期的多尺度耦合的燃耗计算。统计整个计算过程中的fv、k、φ、n、n等重要燃耗数据。
89.s206、验证与结论。
90.本实施例基于多尺度耦合方法，在更复杂更大规模的堆芯计算中，必然具有高效率、计算量少等固有优势。完全采用碰撞概率法求解整个燃耗过程，作为计算精度的参考解。通过比较，本实施例公开的多尺度耦合算法，在计算求解弥散燃料和毒物颗粒的整个分层燃耗过程中，整体误差水平在250pcm以内，初始误差水平在100pcm左右，寿期末由于核素密度过低带来的较大误差，也在一定程度上随着燃耗的累积误差，导致其最终误差较高，但也保持在300pcm以内。由此证明，本方法具有较高的精度，其误差图如图5所示。
91.综上所述，本实施例的方法相对于现有技术，具有如下有益效果：本实施例方法将等效均匀化与碰撞概率法相结合，使燃耗求解过程中，避开了过密的网格和过大的计算量等技术问题，在能真实、全面地反映燃料颗粒和毒物颗粒的燃耗表现的同时，极大地提高了计算效率。其中，在更大规模的计算工况下(如，组件级别和全堆级别计算)，会有更加优秀的计算性能。
92.本实施例还提供一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合装置，包括：
93.至少一个处理器；
94.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
95.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
96.本实施例的一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种弥散燃料和毒物颗粒的分层燃耗的多尺度耦合方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
97.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
98.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考
虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
99.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
100.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
101.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。