一种高适应性多相颗粒弥散型燃料元件温度场计算方法与流程

1.本发明涉及核反应堆多相弥散型燃料元件性能分析领域，具体涉及一种高适应性多相颗粒弥散型燃料元件温度场计算方法。


背景技术：

2.多相弥散型燃料元件是将核裂变材料弥散分布在金属、陶瓷或石墨基体中构成的新型燃料形式，具有铀的利用效率高、实现防核扩散、导热性能好、材料选择范围广等优点，已用于研究和测试堆、球床型高温气冷堆、压水堆，并有望在核废料处理领域有所应用。
3.由于多相弥散型燃料元件各结构组成对温度和辐照响应的差异很大；同时，元件内部热导率会受到基体材料和大量弥散颗粒的影响。考虑多相弥散颗粒与燃料元件之间传热的相互影响对确定燃料元件等效热导率至关重要，对于分析燃料元件的状况、反应堆堆内换热情况也具有重要意义。
4.多相弥散型燃料元件中复杂结构为含有弥散颗粒的燃料区，根据复合材料相关理论，材料的等效热导率主要由弥散体的热导率、基体热导率以及弥散体在基体中的体积份额来决定。目前对复合材料等效热导率的研究分为理论研究、实验和数值模拟。关于复合材料等效物性的理论研究包括理论模型和解析解法。大量的理论模型都限定在常物性两相复合材料，并有各自的适用范围；对于求解具体问题的解析解法，当物理方程含变物性参数时，方程求解又十分困难；此外，由于核反应堆的特殊性，相关的实验较少，并且实验对象不能涉及所有的弥散型燃料元件设计。在数值模拟方面，大部分都集中于机理分析，主要是研究体积份额等单一变量对等效热导率的影响。为了确定多相弥散型燃料元件燃料区等效热导率，需要研究多相弥散颗粒在堆内的物性参数随温度、辐照、燃耗等多因素共同作用下，对燃料区整体热导率的影响，而燃料区整体热导率又与多相弥散颗粒所处的状态有关，因此，需要耦合两个维度的传热分析，从而为更加全面、准确地对燃料元件的等效热导率进行研究。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是为确定多相弥散型燃料元件的温度场，提供一种高适应性的计算方法。该方法先对初始时刻燃料元件进行温度场计算，根据预先定义的功率水平和燃料元件形式，确定燃料元件子区的划分方式，对燃料元件燃料区划分子区，将子区对应燃料元件内部的空间位置进行编号。根据子区的空间位置确定各子区的温度型线并对数据进行储存，用算术平均法确定出各子区的平均温度，随后，通过确定各子区的平均温度作为子区代表性多相弥散颗粒传热计算的边界条件(由于各子区内弥散有许多颗粒，用子区的平均温度计算出的多相弥散颗粒的平均导热参数可以作为该子区内多相弥散颗粒的平均性质，将具有该子区内多相弥散颗粒平均导热性质的颗粒作为该子区内代表性多相弥散颗粒)，进行代表性多相弥散颗粒的温度场计算之后，用傅里叶定律确定在该时刻该子区内代表性多相弥散颗粒的等效热导率，用子区的平均温度确定该子区
内基体材料的热导率，利用两相复合材料等效热导率的理论模型来计算各子区内等效热导率，再拟合出子区的等效热导率与子区的函数关系式，数值仿真软件用拟合得到的函数修正燃料元件燃料区的导热系数定义，作为下一时刻计算前燃料元件的物性参数，继续上述计算步骤直至时刻终了。
6.为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案予以实施：
7.一种高适应性多相颗粒弥散型燃料元件温度场计算方法，其步骤如下：
8.步骤1：确定燃料元件的形式、内部结构和几何参数，确定多相弥散颗粒的形式、排布方式和几何参数，使用数值仿真软件建立燃料元件几何模拟模型和多相弥散颗粒几何模拟模型；
9.步骤2：确定所研究的反应堆类型及设计参数，由反应堆类型及设计参数确定多相材料的物性参数模型，确定多相材料的辐照行为模型，确定基体材料物性参数模型，在数值仿真软件中完成燃料元件几何模拟模型的物性参数模型、辐照行为模型、物理场边界条件及源项设置的操作，完成多相弥散颗粒几何模拟模型的物性参数模型、辐照行为模型、物理场边界条件及源项设置的操作；
10.步骤3：控制流工程软件导入燃料元件几何模拟模型、多相弥散颗粒几何模拟模型；
11.步骤4：控制流工程软件根据燃料元件几何模拟模型的对称性，确定出规整均匀的、互不交叉重叠的子区几何形状，确定划分子区的数量n，完成子区划分，并按子区对应燃料元件几何模拟模型的空间位置完成子区编号；
12.步骤5：控制流工程软件调用燃料元件几何模拟模型，进行初始时刻下燃料元件的传热计算，得到燃料元件的温度型线；
13.步骤6：控制流工程软件根据燃料元件各子区在燃料元件几何模拟模型的空间位置，确定燃料元件各子区在对应空间位置处的温度型线，得到燃料元件各子区内的温度数据，确定燃料元件各子区的边界温度，根据算术平均法确定燃料元件各子区的平均温度，将燃料元件各子区的平均温度数据按燃料元件子区编号进行储存；
14.步骤7：控制流工程软件调用多相弥散颗粒几何模拟模型，调用初始时刻子区序号1的平均温度数据作为子区序号1的代表性多相弥散颗粒传热计算的温度边界条件；
15.步骤8：数值仿真软件计算子区序号1的代表性多相弥散颗粒的温度场，根据傅里叶定律计算出子区序号1的代表性多相弥散颗粒的等效热导率，控制流工程软件提取子区序号1的代表性多相弥散颗粒的等效热导率并按子区编号进行数据储存；
16.步骤9：控制流工程软件调用子区序号1的平均温度数据，用步骤2确定的基体材料物性参数模型，计算子区序号1内的基体材料热导率；
17.步骤10：控制流工程软件调用复合材料等效热导率的理论模型，计算子区序号1的整体等效热导率；
18.步骤11：控制流工程软件按子区编号储存子区序号1的整体等效热导率；
19.步骤12：除子区序号1外，控制流工程软件对其余子区序号重复上述步骤7-11；
20.步骤13：控制流工程软件对燃料元件各子区的整体等效热导率全部更新完成，对各子区整体等效热导率按子区长度与燃料元件半径的关系进行拟合，得到燃料元件等效热导率与半径的函数关系，作为燃料元件更新后的等效热导率；
21.步骤14：控制流工程软件将燃料元件更新后的等效热导率传递给数值仿真软件，数值仿真软件对燃料元件几何模拟模型的导热参数进行修改；
22.步骤15：下一时刻，控制流工程软件判断是否到达计算设定的最后时刻，若未到达最后时刻，则程序重复上述步骤5-14，若已到达最后时刻，则控制流工程软件计算结束。
23.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
24.1.该方法能够考虑多相弥散型燃料元件和多相弥散颗粒的相互影响。
25.2.该方法不限制弥散型燃料元件的几何形状。
26.3.该方法可以考虑温度、燃耗、辐照等多因素的共同作用。
27.4.该方法可以求解材料其他的等效物性参数。
28.5.该方法全面、准确，易于实施。
附图说明
29.图1是多相弥散型燃料元件等效热导率计算方法的流程图。
30.图2是体积份额为9％燃料区热导率(以球形燃料元件为例)。
31.图3是体积份额为9％燃料区温度分布(以球形燃料元件为例)。
32.图4是多相弥散颗粒的结构示意图。
33.图5是多相弥散型燃料元件结构示意图(以球形燃料元件为例)。
具体实施方式
34.下面结合附图具体实施方式对本发明方法作进一步详细说明，
35.如图1所示，本发明一种高适应性多相颗粒弥散型燃料元件温度场计算方法，步骤如下：
36.步骤1：确定燃料元件的形式、内部结构和几何参数，确定多相弥散颗粒的形式、排布方式和几何参数，如图4、图5所示的多相弥散颗粒和球形燃料元件的结构示意图，多相弥散颗粒为多层包覆的球形颗粒，燃料元件为球形，多相弥散颗粒在燃料球燃料区的弥散方式为随机弥散，使用数值仿真软件建立球形燃料元件几何模拟模型和多相弥散颗粒几何模拟模型；
37.步骤2：确定所研究的反应堆类型及设计参数，由反应堆类型及设计参数确定多相材料的物性参数模型，确定多相材料的辐照行为模型，确定基体材料物性参数模型，材料的物性参数模型包含随燃耗、温度、中子注量率变化的热、力参数，材料的辐照行为模型包含密实化、辐照变形、辐照蠕变、裂变产物释放及扩散的行为，在数值仿真软件中完成燃料元件几何模拟模型的物性参数模型、辐照行为模型、物理场边界条件及源项设置的操作，完成多相弥散颗粒几何模拟模型的物性参数模型、辐照行为模型、物理场边界条件及源项设置的操作；
38.步骤3：控制流工程软件导入燃料元件几何模拟模型、多相弥散颗粒几何模拟模型；
39.步骤4：控制流工程软件根据燃料元件几何模拟模型的对称性，确定出规整均匀的、互不交叉重叠的子区几何形状，确定划分子区的数量n，完成子区划分，并按子区对应燃料元件几何模拟模型的空间位置完成子区编号；
40.步骤5：控制流工程软件调用燃料元件几何模拟模型，进行初始时刻下燃料元件的传热计算，得到燃料元件的温度型线；
41.步骤6：控制流工程软件根据燃料元件各子区在燃料元件几何模拟模型的空间位置，确定燃料元件各子区在对应空间位置处的温度型线，得到燃料元件各子区内的温度数据，确定燃料元件各子区的边界温度，根据算术平均法确定燃料元件各子区的平均温度，将燃料元件各子区的平均温度数据按燃料元件子区编号进行储存；
42.步骤7：控制流工程软件调用多相弥散颗粒几何模拟模型，调用初始时刻子区序号1的平均温度数据作为子区序号1的代表性多相弥散颗粒传热计算的温度边界条件；
43.步骤8：数值仿真软件计算子区序号1的代表性多相弥散颗粒的温度场，根据傅里叶定律计算出子区序号1的代表性多相弥散颗粒的等效热导率，控制流工程软件提取子区序号1的代表性多相弥散颗粒的等效热导率并按子区编号进行数据储存；
44.步骤9：控制流工程软件调用子区序号1的平均温度数据，用步骤2确定的基体材料物性参数模型，计算子区序号1内的基体材料热导率；
45.步骤10：控制流工程软件调用复合材料等效热导率的理论模型，如麦克斯韦模型(公式(1))，计算子区序号1的整体等效热导率：
[0046][0047]
式中：
[0048]kfr
——燃料元件燃料区的热导率/(w/m
·
k)；
[0049]
κ——多相弥散颗粒与基体材料热导率之比/1；
[0050]
kc——基体材料的热导率/(w/m
·
k)；
[0051]
φ——弥散体占基体材料的体积份额/％；
[0052]
步骤11：控制流工程软件按子区编号储存子区序号1的整体等效热导率；
[0053]
步骤12：除子区序号1外，控制流工程软件对其余子区序号重复上述步骤7-11；
[0054]
步骤13：控制流工程软件对燃料元件各子区的整体等效热导率全部更新完成，对各子区整体等效热导率按子区长度与燃料元件半径的关系进行拟合，得到燃料元件等效热导率与半径的函数关系，作为燃料元件更新后的等效热导率；
[0055]
步骤14：控制流工程软件将燃料元件更新后的等效热导率传递给数值仿真软件，数值仿真软件对燃料元件几何模拟模型的导热参数进行修改；
[0056]
步骤15：下一时刻，控制流工程软件判断是否到达计算设定的最后时刻，若未到达最后时刻，则程序重复上述步骤5-14，若已到达最后时刻，则控制流工程软件计算结束。
[0057]
根据该计算方法获得的结果见图2和图3，从图中可以看出：在燃耗初期球形燃料元件燃料区的等效热导率沿半径增加，燃耗末期沿半径方向基本保持不变，燃料球内的最高温度随燃耗增加。结果表明，该计算方法在考虑温度、燃耗、辐照等多因素的共同作用下，通过耦合多相包覆颗粒与球形燃料元件的温度场，可以准确、全面地确定球形燃料元件的等效热导率。本发明提出的计算方法也可适用于板形或棒状的弥散型燃料元件。
[0058]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所
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