本发明涉及燃料元件性能分析领域，具体而言，涉及一种核燃料棒性能分析方法。
背景技术
燃料元件(核燃料棒)是核反应堆的核心部件，堪称反应堆的“心脏”，是反应堆运行过程中产生热量和维持链式反应的主要来源。核燃料元件及组件的性能对反应堆寿期、安全性及经济性有着深远的影响，所以燃料元件的性能分析对核反应堆的工作性能和寿命，还有对反应堆的设计运行和安全的分析十分重要。
现有技术对燃料元件性能的分析主要是针对单个燃料元件，比如，由美国核管理委员会(nrc)开发的用于计算长期燃耗时轻水反应堆燃料棒的稳态响应的方法(frapcon-3)。该方法以时间为单位，燃料棒功率和冷却液边界条件为输入，根据输入指定的时间步长推进时间，执行稳态解决方案，确定新的燃料棒状态。在每个时间步内计算燃料和包壳的温度、计算燃料和包壳的变形、计算裂变产物的产生和释放、计算空隙体积、计算燃料棒内部压力等，模拟了燃料棒稳态情况下的的一系列现象：1)通过燃料和包层向冷却剂的热传导；2)包层弹性和塑性变形；3)燃料包层机械相互作用；4)裂变气体从燃料和棒内部释放压力；5)包层氧化等。
上述方法可以计算单个轻水反应堆燃料棒的性能，但是不能同时对多个燃料棒乃至全堆芯燃料棒进行性能分析；同时，如果将现有的方法将单个直接进行并行容易出错、并行难度较大。除此之外，现有技术的单棒分析的速度较慢。
针对上述现有技术中存在的不能同时对多棒进行分析并且单棒分析速度较慢的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种核燃料棒性能分析方法，以至少解决现有技术中存在的对单棒分析速度较慢的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种单个核燃料棒性能分析方法，包括：获取多个轴向段的信息，其中，所述轴向段是将单个核燃料棒延轴向分割形成的一段燃料棒；将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程至少分配一个所述轴向段的信息；在所述轴向段的信息所分配的进程上分析多个轴向段的性能；根据多个轴向段的性能得到所述单个核燃料棒的性能。
进一步地，将多个轴向段的信息分配给多个进程包括：将所述多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程分配预定个数的轴向段的信息，所述轴向段的总数量大于等于所述进程的总数量；根据每个进程的分析速度再次分配其余的所述轴向段的信息。
进一步地，根据每个进程的分析速度再次分配其余的轴向段的信息包括：判断每个进程分析所述轴向段的速度快慢；根据所述速度快慢对进程进行优先级排序；根据优先级高低分配其余的轴向段。
进一步地，所述轴向段的性能包括：温度、应力应变、内压、包壳腐蚀。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种多个核燃料棒性能分析方法，包括：获取多个核燃料棒的信息；将所述多个核燃料棒的信息分发给多个进程，其中，多个进程中的每个进程对应一个核燃料棒的信息，所述进程的数量与所述核燃料棒的数量相同；根据所述核燃料棒的信息在多个进程上同时分析多个核燃料棒的性能。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种单个核燃料棒性能分析装置，包括：获取模块，用于获取多个轴向段的信息，其中，所述轴向段是将单个核燃料棒延轴向分割形成的一段燃料棒；分配模块，用于将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程至少分配一个所述轴向段的信息；第一分析模块，用于在所述轴向段的信息所分配的进程上分析多个轴向段的性能；第二分析模块，用于根据多个轴向段的性能得到所述单个核燃料棒的性能。
进一步地，所述分配模块包括：第一分配子模块，用于将所述多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程分配预定个数的轴向段的信息，所述轴向段的总数量大于等于所述进程的总数量；第二分配子模块，用于根据每个进程的分析速度再次分配其余的所述轴向段的信息。
进一步地，所述第二分配子模块包括：判断子模块，用于判断每个进程分析所述轴向段的速度快慢；排序子模块，用于根据所述速度快慢对进程进行优先级排序；分配子模块，用于根据优先级高低分配其余的轴向段。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种多个核燃料棒性能分析系统，包括：获取单元，用于获取多个核燃料棒的信息；分发单元，用于将所述多个核燃料棒的信息分发给多个进程，其中，多个进程中的每个进程对应一个核燃料棒的信息，所述进程的数量与所述核燃料棒的数量相同；分析单元，用于根据所述核燃料棒的信息在多个进程上同时分析多个核燃料棒的性能。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供给了一种存储介质，所述存储介质上保存有程序，所述程序被运行时执行上所述的方法。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供给了一种处理器，所述程序被运行时执行上述的方法。
在本发明实施例中，采用获取多个轴向段的信息，其中，所述轴向段是将单个核燃料棒延轴向分割形成的一段燃料棒；将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程至少分配一个所述轴向段的信息；在所述轴向段的信息所分配的进程上分析多个轴向段的性能；根据多个轴向段的性能得到所述单个核燃料棒的性能的方式，进而解决了现有技术中存在的对单棒分析速度较慢的技术问题，从而在很大程度上缩短了分析时间，提高分析效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析方法的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒的轴向和径向径向节点划分示意图；
图3是根据本发明实施例的一种单棒分析模块间有相互影响及耦合的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒的分析流程图；
图5是根据本发明实施例的一种可选的单棒内进程与任务分配结果示意图；
图6是根据本发明实施例的另一种可选的单棒内进程与任务分配结果示意图；
图7是根据本发明实施例的一种多个核燃料棒并行分析的示意图；
图8是根据本发明实施例的一种温度模块求解流程图；
图9是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种单个核燃料棒性能分析方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的单个核燃料棒性能分析方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤s102，获取多个轴向段的信息，其中，轴向段是将单个核燃料棒延轴向分割形成的一段燃料棒；
步骤s104，将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程至少分配一个轴向段的信息；
步骤s106，在轴向段的信息所分配的进程上分析多个轴向段的性能；
步骤s108，根据多个轴向段的性能得到单个核燃料棒的性能。
上述步骤忽略轴向段之间的影响，故对轴向段并行求解。
上述轴向段的信息是可以衡量某个轴向段性能的输入信息，也就是与温度、应力应变、内压、包壳腐蚀等相对应的输入信息。比如，温度在芯块和包壳上的分布是输入的核轴向段的信息，输出得到的对应温度代表核轴向段的性能。影响温度性能的输入信息还包括轴向段的环径、包壳内外径、间隙传热系数、芯块热导率等参数。应力应变对应的轴向段的信息是指弹性模量、剪切模量、泊松比等参数；内压对应的轴向段的信息是指温度、发射率等参数；包壳腐蚀对应的轴向段的信息是指熔点、相变等参数。
通过上述步骤将单个核燃料棒拆分成多个轴向段(如图2所示)，对各个轴向段的性能分别同时进行分析，这与现有技术中仅仅是对整根完整的单个核燃料棒进行分析是不同，可以实现核燃料棒内的并行分析，能够同时求解同一个燃料棒内的多段燃料棒的相关物理量；在很大程度上缩短求解时间，提高求解效率。
在上述步骤中，使用每个进程分析每个轴向段的过程，相当于一个单独的处理器去分析每个轴向段，所使用的分析方法可以是整根单个核燃料棒的分析方法。
通过对燃料元件性能分析软件进行计算需求分析和功能需求分析，如图3所示，分析单根核燃料棒的软件可以划分为6个功能模块：中子物理模块、温度模块、力学模块、裂变气体释放模块、内压模块、包壳腐蚀模块；分析模块间有相互影响及耦合；最终实现单棒性能分析，和全堆芯燃料棒性能的并行分析。
各个模块的功能如下：中子物理模块功能：计算燃料芯块内部功率密度、核素分布等，为温度分布计算提供功率参数。温度模块功能：模拟芯块内热量通过间隙、包壳最终传入冷却剂的过程，根据冷却剂边界条件及燃料棒功率历史计算燃料元件温度分布。力学模块功能功能：任务是计算包壳的应力、应变。根据包壳应力、应变可分析包壳是否失效。裂变气体释放模块：主要通过单个气体原子在晶格内的扩散过程进行模拟，计算气体释放量。内压模块功能：计算燃料棒的内压。包壳腐蚀模块功能：计算锆合金包壳在高温冷却剂中发生金属-水放热反应生成的氧化膜的厚度。
对单个燃料棒的分析流程也是上述步骤中对每个轴向段所做的分析(软件串行)如图4所示，具体如下：
1.初始化输入数据
2.开始最外层时间步循环，时间步内数据更新
3.开始第二层气压迭代，开始第三层轴向节点循环
4.轴向层数据更新
5.芯块重定位
6.开始间隙电导迭代
7.计算燃料棒温度(温度模块)
8.计算燃料和包壳变形(力学模块)
9.判断间隙温差是否收敛
a)否，回到f
b)是，间隙电导迭代结束
10.计算裂变气体释放量、空隙体积(裂变气体释放模块)
11.计算燃料棒压力(内压模块)
12.完成对全部轴向节点的计算后，退出轴向节点循环
13.判断气压迭代是否收敛
a)否，回到c
b)是，气压迭代结束
14.计算包壳腐蚀程度(包壳腐蚀模块)
15.时间步控制
16.程序结束。
上述步骤中将多个轴向段的信息分配给多个进程，可以是一个进程处理多个轴向段，也可以是一个进程只处理一个轴相段，在一个可选的实施方式中，首先，将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程分配预定个数的轴向段的信息，轴向段的总数量大于等于进程的总数量；然后，根据每个进程的分析速度再次分配其余的轴向段的信息。
下面根据一个可选的实施方式举例对上述过程进行说明：
上述步骤可以使用for循环来执行每一次轴向段的性能分析，for的每一次循环就是计算一个轴向段，上述过程是对轴向段的动态调度，动态调度是指动态的将每次for的迭代分配到各个线程上，每次迭代代表计算一个轴向段，比如，10次for循环代表计算了10个轴向段；上述预定个数的轴向段的预定个数在本实施例中使用size表示，每个size的大小也代表将几次for循环分配给各个进程(线程)，每个预定个数的轴向段的预定个数(size)至少为一个，可以使用size参数，也可以不使用size参数，不使用size参数情况下，size值默认为1，每个size可以作为一个子任务，上述步骤动态的将子任务分配到各个线程上，分配时可以基于先来先服务方式分配给各线程。在给线程分配完子任务时，还可以根据每个线程的完成情况每次再分配1个迭代给已完成迭代任务的线程，如果使用了size则每次依然分配size个迭代次数(轴向段)。判断每个线程的执行速度，给较快迭代完成的线程分配执行更多次迭代，较慢的线程分配执行较少的迭代，每个线程处理的迭代次数是动态调整的，没有数量范围，随时根据线程的处理情况进行调整，以此来解决各线程间负载分配不均衡的问题。
上述这种分配轴向段的方式是一种动态调度的方式，可以保证每个进程上的负载均衡，从而使每个进程的处理时间差不多，而总的处理时间减少，保证了分析整个单根核燃料棒的分析处理速度比现有技术大大提高，负载均衡是指在各线程之间分配大约相等数量的工作的做法，以便使所有线程在所有时间都保持繁忙，使任务空闲时间最小化，从而提高处理效率。如果负载不均衡会导致所有的线程都要在障碍处同步，最慢的任务将决定全局的时间开销。
根据每个进程的分析速度再次分配其余的轴向段的信息，在一个可选的实施方式中，首先，判断每个进程分析轴向段的速度快慢；其次，根据速度快慢对进程进行优先级排序；最后，根据优先级高低分配其余的轴向段。
下面根据一个可选的实施方式举例对上述过程进行说明：
在分析单棒时，由于轴向段之间的求解过程相互无影响，所以是可以进行并行的。对轴向段的并行可以通过openmp语句来实现。在每个单棒程序内部，轴向段的分析可以是通过for(i＝0；i<m；i++)循环实现的，同时，通过openmp语句开启多个线程对轴向段进行并行处理，比如，一共有10个循环，将10次循环计算拆分给不同的进程去执行，每一次循环计算代表计算了一个轴向段，将整个单棒的分析转化为对各轴向段的温度、应力应变、内压、包壳腐蚀等性能进行数值求解；设置size＝2，代表了每个子任务中划分了执行两次循环，也就是计算两个轴向段，分别是子任务：01、23、45、67、89；将10个循环，划分到3个进程中的划分结果有多种，可能如图5所示，0号进程执行第0、1、6、7次循环。再比如，一共有10个循环，划分到3个进程，当size＝1时，子任务分别是：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；将10个循环，划分到3个进程中的划分结果有多种，可能如图6所示，1号进程执行第1、4次循环。
上述轴向段的性能是通过多种指标来进行衡量的，在一个可选的实施方式中，轴向段的性能可以是温度、应力应变、内压、包壳腐蚀等。
上述方案是对单棒内的每个轴向段的并行处理，也可以对各个单棒之间进行并行处理，在一个可选的实施方式中，一种多个核燃料棒性能分析方法，包括：首先，获取多个核燃料棒的信息；其次，将多个核燃料棒的信息分发给多个进程，其中，多个进程中的每个进程对应一个核燃料棒的信息，进程的数量与核燃料棒的数量相同；然后，根据核燃料棒的信息在多个进程上同时分析多个核燃料棒的性能。
上述燃料棒的信息是可以衡量某个燃料棒性能的输入信息，也就是与温度、应力应变、内压、包壳腐蚀等相对应的输入信息。比如，温度在芯块和包壳上的分布是输入的核燃料棒的信息，输出得到的对应温度代表核燃料棒的性能。影响温度性能的输入信息还包括轴向段的环径、包壳内外径、间隙传热系数、芯块热导率等参数。应力应变对应的燃料棒的信息是指弹性模量、剪切模量、泊松比等参数；内压对应的燃料棒的信息是指温度、发射率等参数；包壳腐蚀对应的燃料棒的信息是指熔点、相变等参数。
通过上述步骤使多个单棒可以分别发送到不同的计算节点(处理器)，能够同时求解多个燃料棒的相关物理量，从而缩短了求解时间，提高求解效率。上述步骤能够对多棒进行并行性能分析，乃至对全堆芯的燃料棒进行性能分析，性能分析结果较之单棒程序更加准确。对多棒进行性能分析时，忽略棒和棒之间之间的影响，对每个棒进行性能分析执行的是完全相同的操作，不同之处在于每个棒的初始条件(输入数据)不同。使用mpi的单程序多数据的并行方式，如图7所示，将不同燃料棒的输入数据通过0号进程发布到不同的进程，各进程对输入数据进行相同的处理，不同进程对不同燃料棒进行温度、应力应变、内压、包壳腐蚀等性能进行数值求解。
上述方法是单棒与单棒之间的并行方式，也可以结合单个棒内的并行方式，将两种并行方式结合使用，单棒与单棒之间的并行方式中的每个单棒都进行轴向段的划分，从而加快每个单棒的处理速度，单棒之间的并行方法与单棒内的并行方法可以更加快速又准确的检测多个燃料棒乃至整个燃料堆棒的性能。
在一个可选的实施方式中，使用c++语言开发燃料元件性能分析程序，并设计并行方法，实现全堆芯的燃料元件性能模拟，通过物理过程分析，设计棒与棒之间的并行。
下面举一个例子对上述具体分析过程进行详细说明：
明确上述各模块的物理模型和数学模型(即求解涉物理过程的数学表达式)，对各自的求解方程使用数学离散方法——有限差分法进行离散，对离散的到的矩阵方程进行求解，得到所求物理量的值。离散时首先要对燃料棒(包括燃料芯块和燃料包壳)进行轴向和径向的节点划分，如图2所示轴向划分为m段、径向划分为n个同心环(此处划分方法为等环宽)。求解时依次求解各个轴向段，对每个轴向段，假设径向环上的各个物理值如温度、功率、应力、应变等相等。在每个轴向段的径向环上对各个物理方程进行离散，得到矩阵方程组，通过求解矩阵方程组，得到所求得物理量的值。
下面以温度模块为例详细说明单棒的求解过程：
输入：燃料包壳外侧温度分布(每个轴向段的最外层温度分布)；输出：每个轴向段的温度分布情况。
如图8所示，首先由包壳外表面温度通过包壳温降方程
其中，
对其进行编程求解使用的是追赶法，得到燃料棒温度分布。
本发明实施例还提供了一种单个核燃料棒性能分析装置，该装置可以通过获取模块、分配模块、第一分析模块、第二分析模块实现其功能。需要说明的是，本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析装置可以用于执行本发明实施例所提供的一种单个核燃料棒性能分析方法，本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析方法也可以通过本发明实施例所提供的一种单个核燃料棒性能分析装置来执行。图9是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析装置的示意图。如图9所示，图9是根据本发明实施例的一种单个核燃料棒性能分析装置的结构图。一种单个核燃料棒性能分析装置包括：获取模块92，用于获取多个轴向段的信息，其中，轴向段是将单个核燃料棒延轴向分割形成的一段燃料棒；分配模块94，用于将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程至少分配一个轴向段的信息；第一分析模块96，用于在轴向段的信息所分配的进程上分析多个轴向段的性能；第二分析模块98，用于根据多个轴向段的性能得到单个核燃料棒的性能。
在一个可选的实施方式中，该分配模块包括：第一分配子模块，用于将多个轴向段的信息分配给多个进程，其中，每个进程分配预定个数的轴向段的信息，轴向段的总数量大于等于进程的总数量；第二分配子模块，用于根据每个进程的分析速度再次分配其余的轴向段的信息。
在一个可选的实施方式中，该第二分配子模块包括：判断子模块，用于判断每个进程分析轴向段的速度快慢；排序子模块，用于根据速度快慢对进程进行优先级排序；分配子模块，用于根据优先级高低分配其余的轴向段。
在一个可选的实施方式中，一种多个核燃料棒性能分析系统，包括：获取单元，用于获取多个核燃料棒的信息，其中，燃料棒的信息包括温度、应力应变、内压、包壳腐蚀；分发单元，用于将多个核燃料棒的信息分发给多个进程，其中，多个进程中的每个进程对应一个核燃料棒的信息，进程的数量与核燃料棒的数量相同；分析单元，用于根据核燃料棒的信息在多个进程上同时分析多个核燃料棒的性能。
本发明实施例提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述方法。
本发明实施例提供了一种处理器，处理器包括处理的程序，其中，在程序运行时控制处理器所在设备执行上述方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。