基于统一网格的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法

本发明涉及的是一种核反应堆控制领域的技术，具体是一种基于统一网格的数值反应堆中子物理-热工水力-材料腐蚀耦合模拟方法。

背景技术：

1、在核反应堆运行过程中的中子物理、流动传热、材料腐蚀过程及其耦合特性是决定包壳完整性的关键因素。功率分布决定了热工水力参数如燃料、冷却剂温度等参数的分布；热工水力参数的变化又会影响到材料宏观截面，从而影响到功率的分布，同时温度场以及流场也会影响到材料腐蚀速率；材料氧化腐蚀之后的腐蚀产物会影响到流动传热，且组分变化也会影响到材料的宏观截面，从而影响到中子物理场。现有基于有限元的核反应堆系统多物理耦合动态响应分析技术无法获得三维高分辨率的热工参数分布且仅考虑了水化学相关腐蚀迁移模型，忽略了包壳本身的材料氧化腐蚀对反应堆安全带来的影响且误差较大。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的耦合效应考虑不全面、采用网格映射引入额外误差等一系列问题，提出一种基于统一网格的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，通过集成中子物理、流动传热以及材料腐蚀模型，实现三个物理过程在同一求解器下的统一求解，可用于对核反应堆堆芯多物理过程进行高保真模拟，揭示堆芯在中子物理、流动传热和材料腐蚀交叉作用下的耦合机制，获得不同使役条件下的堆芯耦合特性随时间和空间的演化规律。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于统一网格的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，将中子物理、热工水力和材料腐蚀三类物理问题模块联立后进行耦合求解，即采用三维连续介质的中子扩散有限体积法来求解三维的功率场；采用多区域流固耦合共轭传热求解器求解三维的温度场分布；通过材料氧化腐蚀模型求解氧化腐蚀产物沉积层随时间和空间的变化；再通过耦合三类结果实现多物理场耦合模拟。

4、技术效果

5、本发明通过内耦合方式以底层代码形式将中子物理、热工水力和材料腐蚀三类物理问题模块联立后进行耦合，与现有技术相比，能够快速实现符合物理规律的三维高分辨率稳态以及瞬态的核-热-材多物理耦合问题的统一求解。

技术特征：

1.一种基于统一网格的数值反应堆中子物理-热工水力-材料腐蚀耦合模拟系统，其特征在于，包括：中子物理模块、热工水力模块、材料腐蚀模块以及耦合模块，其中：中子物理模块根据时-空中子扩散方程，进行多群多区域的中子扩散求解，得到三维高分辨率的中子通量分布情况及功率分布情况，热工水力模块根据流固耦合共轭传热求解器，进行流体域和固体域的控制方程求解，得到三维高分辨率的温度场分布及流场分布情况，材料腐蚀模块根据氧化腐蚀产物生长模型和氧化腐蚀产物热阻模型，进行氧化腐蚀产物厚度和热阻的求解，得到三维高分辨率的氧化腐蚀产物厚度场及热阻值分布情况，耦合模块根据内耦合方式以底层代码形式，将中子物理模块、热工水力模块、材料腐蚀模块输出的分布情况进行多物理耦合，得到基于统一网格的数值反应堆高分辨率核-热-材多物理耦合结果。

2.一种基于权利要求1所述系统的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，其特征在于，将中子物理、热工水力和材料腐蚀三类物理问题模块联立后进行耦合求解，即采用三维连续介质的中子扩散有限体积法来求解三维的功率场；采用多区域流固耦合共轭传热求解器求解三维的温度场分布；通过材料氧化腐蚀模型求解氧化腐蚀产物沉积层随时间和空间的变化；再通过耦合三类结果实现多物理场耦合模拟。

3.根据权利要求2所述的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，其特征是，具体包括：

4.根据权利要求3所述的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，其特征是，所述的步骤5，具体包括：

5.根据权利要求3所述的数值反应堆核-热-材耦合模拟方法，其特征是，所述的氧化腐蚀产物厚度其中：x为氧化腐蚀产物厚度；t为冷却剂与腐蚀产物交界面温度；t为腐蚀时间；氧化腐蚀产物热阻计算：r＝x/kcr为氧化腐蚀产物热阻；kc为氧化腐蚀产物导热系数。

技术总结
一种基于统一网格的数值反应堆核‑热‑材耦合模拟方法，将中子物理、热工水力和材料腐蚀三类物理问题模块联立后进行耦合求解，即采用三维连续介质的中子扩散有限体积法来求解三维的功率场；采用多区域流固耦合共轭传热求解器求解三维的温度场分布；通过材料氧化腐蚀模型求解氧化腐蚀产物沉积层随时间和空间的变化；再通过耦合三类结果实现多物理场耦合模拟。本发明通过集成中子物理、流动传热以及材料腐蚀模型，揭示堆芯在中子物理、流动传热和材料腐蚀交叉作用下的耦合机制，获得不同使役条件下的堆芯耦合特性随时间和空间的演化规律。

技术研发人员：刘晓晶,谢秋霞,宋美琪,柴翔,张滕飞
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1