用于模拟核反应堆中容器内流体流动的方法以及用于计算核反应堆堆芯组件的机械形变 ...的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于模拟核反应堆中容器内的流体流动的方法。
[0002] 本发明还涉及一种用于计算位于核反应堆容器内的堆芯的至少一个核燃料组件 的机械形变的方法。
[0003] 本发明还涉及一种用于执行该模拟方法的计算机程序产品，以及用于执行该用于 计算机械形变的方法的计算机程序产品。
[0004] 本发明适用于具有冷却剂流体的反应堆，尤其是使用冷却的气体或液体（轻水、 重水、盐或熔融金属）的反应堆。
【背景技术】
[0005] 下面，本发明将就应用于轻水反应堆（例如压水堆，容器内循环的流体是加压的 水）的情况进行描述。
[0006] 通常，压水反应堆的核反应堆包括容器和位于容器内的堆芯。该堆芯包括核燃料 组件，每个组件优选垂直地，沿轴向延伸。每个组件包括核燃料棒和设计用于保持棒的定位 和/或确保冷却剂流体的混合的栅格，并且每个组件通过间隙沿垂直于轴向的横向与另一 组件间隔开。每个棒包括容纳核燃料芯块的包壳。
[0007] 流体（诸如加压水）在容器内流动，例如穿过堆芯返回至容器，其中，流体在堆芯 中被加热而确保了堆芯的冷却和慢化。
[0008] 这就需要通过计算机尽可能精确地模拟容器内的流体流动，从而例如在反应堆的 运行期间，在无需过多计算能力（puissancedecalcul)的同时，改进对堆芯的组件的机械 形变的计算。事实上，组件的形变很可能破坏反应堆的运行和性能：控制簇的不完全插入 的风险，其中，该控制簇能够调节核反应堆堆芯的反应性；或者其下落时间的不可接受的增 加；堆芯慢化的局部变化的风险等。在处理期间，例如在对堆芯进行卸载和再次加载以进行 维护期间，这些形变增加了燃料组件之间钩住的风险。因此，需要对这些形变进行更好地建 模以便解决这些问题，或者至少提供缓解措施。
[0009] 文献KR100957066B1描述了一种通过流体数字力学计算（也称为计算流体动力学 (CFD))对核反应堆堆芯建模的方法。堆芯的模型基于多孔模型。
[0010] 文献KR100957061B1描述了一种用于核反应堆的安全性分析方法，该方法由压头 损失系数实现液压计算。
[0011] 然而，对流体在容器内部流动的模拟并不理想，堆芯的齐次建模并不能确定燃料 组件的形变。此外，该建模需要当前的计算装置能够实现过多的计算能力。
【发明内容】
[0012] 因此，本发明的一个目的在于提供一种用于模拟反应堆的容器内的流体流动的方 法以提供更好的流动模型，尤其改进对堆芯组件机械形变的计算，同时无需过多的计算能 力。
[0013] 为此，本发明涉及一种用于模拟核反应堆的容器内的流体流动的方法，所述核反 应堆包括容器和位于所述容器内部的堆芯，所述堆芯包括核燃料组件，每个组件沿轴向延 伸并且包括核燃料棒和用于保持所述棒的至少一个栅格，每个组件在垂直于所述轴向的横 向上通过所述栅格之间的间隙与另一组件间隔开，所述流体能够在所述堆芯内流动，
[0014] 所述方法包括以下步骤：
[0015] i)确定所述堆芯中的压头损失系数；
[0016] ii)利用下列方程，计算所述堆芯中所述流体的压力和所述流体的速度的分量：
[0017] VP=-KxV
[0018] 其中，V为一阶空间求导微分算子，
[0019]Ρ为所述流体的压力的分量，
[0020]Κ为包括步骤i)期间所确定的压头损失系数的矩阵，以及
[0021] V为包括所述流体的速度的分量的向量，
[0022] 在该方法中，在步骤i)期间，所述组件中的横向压头损失系数被确定为所述横向 上的横向雷诺数的函数，以及所述间隙中的轴向压头损失系数被确定为所述横向上的所述 间隙的尺寸的函数。
[0023] 根据本发明的其它有益方面，单独或以技术上所有可能的组合来考虑，所述模拟 方法包括一个或多个以下特征：
[0024] 在步骤i)期间，对于所述横向雷诺数的值，通过将利用第一模型对所述组件的一 部分所计算出的变量与利用不同于所述第一模型的第二模型对所述组件的所述一部分所 计算出的所述变量进行比较，来确定所述横向压头损失系数，其中，所述变量诸如为所述横 向上的液压力；
[0025] 通过所进行的多个比较所确定的所述横向压头损失系数的若干个值的插值法，来 计算作为横向雷诺数的函数的所述横向压头损失系数的关系；
[0026] 所述栅格中的至少一个第一栅格进一步包括能够产生沿所述横向具有至少一个 横向速度的流动的附加混合构件，并且所述栅格中的至少一个第二栅格不包括附加混合构 件；以及
[0027] 对于包括所述第一栅格的所述组件的第一部分，计算作为所述横向雷诺数的函数 的所述横向压头损失系数的第一关系；以及对于包括所述第二栅格的所述组件的第二部 分，计算作为所述横向雷诺数的函数的所述横向压头损失系数的第二关系；
[0028] 在步骤i)期间，对于所述间隙的尺寸值，通过将利用第一模型对所述组件的一部 分所计算出的变量与利用不同于所述第一模型的第二模型对所述组件的所述一部分所计 算出的所述变量进行比较，来确定所述间隙中的所述轴向压头损失系数，其中，所述变量诸 如为所述横向中的液压力；
[0029] 通过所进行的多个比较所确定的所述栅格之间的所述间隙中的所述轴向压头损 失系数的若干个值的插值法，来计算作为所述间隙的尺寸的函数的所述栅格之间的所述间 隙中的所述轴向压头损失系数的关系；
[0030] 在步骤i)期间，除了所述组件中的所述横向压头损失系数和所述栅格之间的间 隙中的所述轴向压头损失系数之外，所述压头损失系数各自具有预定值，优选地为预定的 常数值；
[0031] 所述容器包括流体入口孔和流体出口孔，所述堆芯包括下板和上板，所述组件在 所述下板和所述上板之间延伸，所述堆芯具有由第一界面和第二界面沿轴向界定的体积， 所述第一界面和所述第二界面分别对应于所述下板和所述上板；以及
[0032] 所述方法进一步包括以下步骤：
[0033] 确定所述容器内的至少一个附加容积，所述附加容积在所述堆芯容积的外部并且 位于所述堆芯容积沿轴向的端部之一处，所述附加容积由两个界面沿轴向来界定，所述附 加容积的所述两个界面之一是所述第一界面或所述第二界面；
[0034] 对所述附加容积，利用所述流体的质量平衡方程、动量平衡方程和能量平衡方程， 由在所述附加容积的所述界面之一中的速度或压力的初始值以及在所述附加容积的所述 界面的另一界面中的速度或压力的初始值，来计算所述流体的压力和所述流体的速度的分 量；
[0035] 对所述堆芯容积，根据步骤ii)，由在所述第一界面中的所述流体的速度或压力的 初始值和在所述第二界面中的所述流体的速度或压力的初始值，来计算所述流体的压力和 所述流体的速度的分量；以及
[0036] 首先对所述附加容积和所述堆芯容积中的第一容积完成所述流体的压力和所述 流体的速度的分量的计算，并且尤其对在所述第一界面和所述第二界面中的由所述附加容 积和所述堆芯容积共享的界面完成所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算，
[0037] 然后，对所述附加容积和所述堆芯容积中的第二容积计算所述流体的压力和所述 流体的速度的分量，则在所述附加容积和所述堆芯容积共享的界面处的用于与所述第二容 积相关的计算步骤中的速度或压力的初始值为之前计算出的所述第一容积的所述界面处 的速度和压力中对应变量的值。
[0038] 质量平衡方程、动量平衡方程和能量平衡方程分别如下：
[0042] 其中，▽为一阶空间求导微分算子，P为所述流体的压力的分量，V为包括所述流体 的速度的分量的向量，P为所述流体的密度，t为时间，τ为粘性应力的张量，F为包括所 述流体中所施加的质量力的合力的分量的向量，Ε为每单位质量的总能量，Q为包括由热传 导造成的热量损失的分量的向量，R为由辐射造成的容积热损失，Sm为质量源，Si为动量源， 以及\为能量源；
[0043] 利用之前进行的步骤中计算出的所述第二容积的该界面处的速度和压力中的对 应变量的值作为在该共享的界面处的用于重复进行与所述第一容积相关的计算步骤的速 度或压力的初始值，来重复对所述第一容积的计算步骤；以及
[0044] 利用之前在重复计算期间计算出的所述第一容积的所述界面处的速度和压力中 对应变量的值作为在所述共享的界面处的用于重复进行与所述第二容积相关的计算步骤 的速度或压力的初始值，来重复对所述第二容积的计算步骤；
[0045] 在所述确定步骤期间，确定两个附加容积：沿所述流体的流动方向位于所述堆芯 容积上游的上游附加容积，以及沿所述流体的流动方向位于所述堆芯容积下游的下游附加 容积；所述堆芯容积的所述第一界面与所述上游附加容积共享，所述堆芯容积的所述第二 界面与所述下游附加容积共享；以及
[0046] 通过下列步骤完成对所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算：
[0047]a)在所述第一界面中，首先对所述上游附加容积和所述堆芯容积中的第一容积完 成所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算，然后对所述上游附加容积和所述堆芯 容积中的第二容积完成所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算，其中，用于与所 述第二容积相关的计算步骤的在所述第一界面中的速度或压力的初始值为在之前与第一 容积相关的计算步骤期间计算出的在所述第一界面中的速度和压力中的对应变量；以及 [0048] b)在所述第二界面中，首先对所述下游附加容积和所述堆芯容积中的第三容积完 成所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算，然后对所述下游附加容积和所述堆芯 容积中的第四容积完成所述流体的压力和所述流体的速度的分量的计算，其中，用于与所 述第四容积相关的计算步骤的在所述第二界面中的速度或压力的初始值为在之前与所述 第三容积相关的计算步骤期间计算出的在所述第二界面中的速度和压力中对应变量。
[0049] 本发明还涉及一种包括软件指令的计算机程序产品，其中，当通过计算机执行所 述软件指令时，所述软件指令实现如上限定的模拟方法。
[0050] 本发明还涉及一种用于计算核反应堆的堆芯的至少一个组件的机械形变的方法， 所述核反应堆包括容器和位于所述容器内的堆芯，每个组件的机械形变取决于所述容器内 的流体流动，其中，利用上述限定的模拟方法来模拟所述流体的流动。
[0051] 本发明还涉及一种包括软件指令的计算机程序产品，其中，当通过计算机执行所 述软件指令时，所述软件指令实现如上限定的计算机械形变的方法。
【附图说明】
[0052] 通过阅读以非限制性方式给出的以下描述并且参考附图，本发明的特征和优点将 更加明显，其中：
[0053] 图1为压水核反应堆的示意图，该压水核反应堆包括容器以及位于该容器内的堆 芯，其中，该堆芯包括核燃料组件；
[0054] 图2为图1中反应堆堆芯的水平截面图；
[0055] 图3为图1中堆芯中两个组件的示意图，其中，上述组件沿轴向（即垂直方向）延 伸，每个组件包括核燃料棒和用于保持棒的栅格，这两个组件通过第一间隙和第二间隙沿 垂直于轴向的横向彼此隔开，其中，该第一间隙在这两个组件的相应栅格之间，该第二间隙 在这两个组件的相应棒之间；
[0056] 图4为图3中的棒的示意图；
[0057] 图5为图3中的第一间隙和第二间隙的顶视图；
[0058] 图6为根据本发明第一方面的模拟方法的流程图；
[0059]图7为使用现有技术中的模拟方法计算的堆芯入口处的流体流速的图示；
[0060]图8与图7类似，为使用本发明的第一方面的模拟方法获得的图示；
[0061]图9为本发明第二方面的模拟方法的流程图；
[0062]图10和图11分别为使用本发明第二方面的模拟方法计算出的流体在堆芯内部从 堆芯下板的组件的第一栅格向下游流动的横向速度和轴向速