一种适用于核反应堆组件物理热工耦合的在线计算方法与流程

本发明涉及核反应堆物理计算领域，具体涉及一种适用于核反应堆组件物理热工耦合的在线计算方法。

背景技术：

在设计条件和计算精度要求不断提高的今天，核反应堆设计领域希望通过精确建模，并最大程度的减少上游反应堆计算过程中引入的近似与误差，实现高保真的反应堆物理计算，从而对反应堆进行精确分析模拟。

在进行核反应堆组件物理热工耦合计算时，其核心是截面更新和物理热工网格的匹配问题。在当前计算机的计算条件下，使用确定论程序进行物理热工耦合计算分析的流程一般可分为三步：

1.首先对栅元进行均匀化，离线计算多工况的二维组件，并通过堆芯Link程序进行少群参数拟合，得到少群参数拟合关系式；

2.接着给定初始计算工况，调用少群参数拟合关系式，实现截面更新，调用三维输运求解器，得到三维组件功率分布；

3.最后将三维组件功率分布传递至热工程序，得到新的工况点，再重复进行上述步骤，直至收敛。

但是，在上述流程中，会有如下几个地方引入误差

1.首先是栅元均匀化，相较于直接调用蒙特卡罗程序作为输运求解器，栅元均匀化带来的误差不可忽视；

2.其次是离线调用少群参数拟合关系式，来实现截面更新，在拟合时产生的误差很难进行定量分析，此处带来的误差无法预估；

3.最后是物理计算的网格和热工程序计算中划分的网格往往是不一致的，如果对网格进行近似处理，其中的误差也是难以判断的。

针对以上所存在的问题，本文发明了一种适用于核反应堆组件物理热工耦合的在线计算方法。

技术实现要素：

为了实现精确的基于确定论程序的核反应堆组件物理热工耦合计算分析，本发明的目的在于提供一种适用于核反应堆组件物理热工耦合的在线计算方法，在常规的物理热工耦合计算方法的基础上，进行多项改进，以减小在实施物理热工耦合计算时引入的误差。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案予以实现：

一种适用于核反应堆组件物理热工耦合的在线计算方法，包括如下步骤：

步骤1：对压水堆组件进行精确建模，计算的等效几何模型在真实组件的基础上只进行少许合理近似，包括对带定位格架组件中条带的处理，忽略条带上的弹簧片还有导槽，对组件压紧弹簧及上端塞、水隙、上管座非活性区分别进行整体打混；

步骤2：通过物理热工耦合接口程序，完成工况文件读取以及在新的工况下相应的二维组件输入文件更新；

步骤3：摒弃离线制作少群参数拟合关系式的做法，直接调用二维组件程序，经过共振输运计算，在线计算组件少群参数，以实现物理热工耦合计算中的截面更新；调用的输运求解器在计算时不再对模型进行进一步的几何等效，直接进行基于步骤1建立的模型的多群计算，避免了均匀化导致的误差；

步骤4：调用三维输运求解器，使用二维组件程序在线计算产生的组件少群参数，通过输运计算得到三维组件物理网格的功率分布；

步骤5：通过对核反应堆组件物理网格内的功率进行功率拟合重构，实现物理计算和热工计算的功率网格的匹配，得到热工网格内的功率分布；

步骤6：通过物理热工耦合接口程序进行物理热工程序的数据传递；

步骤7：热工程序通过热工网格功率分布计算热工网格工况分布，对热工网格内的温度进行工况拟合重构，实现物理计算和热工计算的工况网格的匹配，得到物理网格新的工况分布；

步骤8：通过物理热工耦合接口程序判定不同迭代间的功率误差与工况误差是否同时小于误差限值，来判定迭代是否收敛，如果收敛则输出结果，如果不收敛则返回步骤2继续迭代直至问题收敛。

与常规的方法相比，本发明有如下突出优点：

1.对组件进行精确建模，而不是采取每个栅元均匀打混的方式进行几何描述，为后续的计算减小了误差；

2.通过在线更新截面的方式，来代替离线制作少群参数关系式的方法，避免了在拟合时引入难以预计的误差，提高了计算的可靠性；

3.调用的输运求解器不进行均匀化近似，与蒙特卡罗程序作为物理热工耦合计算的输运求解器相比，既提高了计算的效率，又保证了计算的精度；

4.通过物理网格内的功率重构，以及对热工网格内工况重构，实现物理热工网格匹配，避免在网格匹配时引入的网格近似带来的误差。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为不带定位格架组件建模栅元示意图。

图3为带定位格架组件建模栅元示意图。

图4为组件非活性区建模示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明包括以下步骤：

1.组件的精确建模与合理近似

在调用三维输运求解器的时候，需要二维组件程序提供少群参数，这样相较于直接进行三维全组件输运计算，计算效率会得到提升。三维组件轴向上具有不均匀性，因此在二维组件计算时需要计算多种不同类型的组件。

1)不带定位格架的组件建模

不带定位格架组件在建模时比较简单，建模时严格按照栅元几何尺寸即可。建模之后，栅元径向方向上从里到外分别是燃料区、气隙、包壳以及最外区的慢化剂，不带定位格架组件建模之后栅元示意图如图2所示。

2)带定位格架的组件建模

带定位格架的组件，在每个栅元的四周都有条带分布，因此在建模时要精确考虑到条带的几何与材料，在处理过程中，为了便于建模，忽略了条带的弹簧片以及导槽。建模之后，栅元径向方向上从里到外分别是燃料区、气隙、包壳、慢化剂以及四周的条带，建模过程中没有进行任何打混。栅元带定位格架组件建模之后栅元示意图如图3所示。

3)组件上管座、水隙、上端塞、压紧弹簧等非活性区建模计算

组件的非活性区没有裂变材料，因此无法直接在径向上直接进行二维组件计算，需要用合理方式引入裂变材料进行二维组件计算。本发明在计算时考虑组件活性区在轴向泄漏对非活性区的影响，计算非活性区时截取轴向横截面的几何进行计算。组件径向各材料区，根据各核素核子密度守恒，在径向组件中按照面积的占比，折算出轴向相应材料区的长度。而为了保证建模前后活性区对非活性区的影响，与等效近似前一致，必须保证轴向活性区的长度，是非活性区的长度三倍以上。因此计算组件非活性区时，实际上是进行板状组件的计算，组件轴向上非活性区建模之后栅元示意图如图4所示，模型从顶部至底部分别表示上管座、水隙、上端塞及压紧弹簧。

2.通过物理热工耦合接口程序，更新工况文件，并完成材料细区工况的读入与组件输入文件的更新。

3.组件截面的在线更新

使用精确的二维组件程序，进行多种二维组件共振输运计算，得到二维组件在新工况下各材料区的少群参数，完成组件截面的在线更新。

4.调用三维输运求解器，使用二维组件程序在线计算产生的组件少群参数，得到三维组件物理网格的功率分布。

5.物理程序与热工程序功率分布的网格匹配

物理程序与热工网格的网格匹配，是物理热工耦合计算的核心之一，包括物理网格功率分布到热工网格功率分布的网格匹配，以及热工网格工况分布到物理网格工况分布的网格匹配。在得到物理网格全组件离散精细功率分布的前提下，对棒状栅元进行棒功率拟合重构，得到棒功率在栅元内的连续函数分布，然后引入热工网格的位置信息，得到热工网格下的棒功率分布，即可实现物理程序与热工程序功率分布网格的匹配。

6.通过物理热工耦合接口程序，将热工网格的功率分布传递至热工程序，经热工程序计算得到热工网格下的工况分布。

7.物理程序与热工程序工况分布的网格匹配

在得到热工网格全组件离散工况分布的前提下，对栅元进行工况拟合重构，得到工况在栅元内的连续函数分布，然后引入物理网格的位置信息，得到物理网格下的工况分布，即可实现物理程序与热工程序温度分布网格的匹配。

8.迭代过程收敛判断

通过物理热工耦合接口程序，判断不同迭代间物理网格下的功率分布与热工网格下的工况分布误差是否同时小于误差限值。如果误差小于误差限值，则问题收敛，输出计算结果；如果误差未小于误差限值，则问题不收敛，返回至步骤2，继续进行迭代计算，直至问题收敛。