【技术实现步骤摘要】
基于粒子法的核反应堆堆芯材料熔池演变特性分析方法
本专利技术涉及核反应堆堆芯材料熔池演变特性分析研究
，具体涉及一种基于粒子法的核反应堆堆芯材料熔池演变特性分析方法。
技术介绍
在核反应堆运行过程中，如果冷却剂无法完全带走堆芯产生的热量，堆芯则会偏离正常运行工况，严重情况下，堆芯温度会大幅上升甚至发生熔化。堆芯熔化过程中，堆芯内材料熔点较低或能够发生化学反应的材料会优先液化。在约800℃时，银铟镉合金发生熔化；在约940℃时，铁-锆和镍-锆共晶反应形成液态共晶产物；约1150℃时，碳化硼和铁发生共晶反应；约1200℃，锆合金被水迅速氧化；约1450℃，不锈钢和铬镍铁合金开始熔化；约1760℃，锆-4合金开始熔化，且液态锆合金会与二氧化铀发生共晶反应，形成铀-锆-氧共晶熔融物；约1975℃，α-Zr(O)熔化；约2350℃，碳化硼熔化；约2690℃，氧化锆熔化；约2520℃，二氧化铀熔化。堆芯材料熔化过程中涉及多种物质，除了以上的物质外，还包含各种裂变产物。因此堆芯熔融物的组分复杂，其形成的熔池特性很难完全精确捕捉。
【技术保护点】
1.一种基于粒子法的核反应堆堆芯材料熔池演变特性分析方法，其特征在于：步骤如下：/n步骤1：几何模型建模，采用离散的粒子构建核反应堆芯材料熔池的几何模型，每个粒子携带有位置和速度信息，当粒子直径小于实际几何的一百分之一时，粒子构型能够精确还原真实几何的结构和运动特性；采用0、1、2号粒子表征液相、固相、固液混合相，采用3号粒子表征虚拟壁面粒子，虚拟壁面粒子保证壁面边界处的粒子数密度守恒，防止流体粒子向壁面的穿透；每个粒子携带有物质信息，核反应堆堆芯材料物质种类繁多，无法精确考虑所有物质，因此只考虑含量较高的物质：二氧化铀、不锈钢、锆和二氧化锆；此外，当压力容器失效后，熔融物...
【技术特征摘要】
1.一种基于粒子法的核反应堆堆芯材料熔池演变特性分析方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：几何模型建模，采用离散的粒子构建核反应堆芯材料熔池的几何模型，每个粒子携带有位置和速度信息，当粒子直径小于实际几何的一百分之一时，粒子构型能够精确还原真实几何的结构和运动特性；采用0、1、2号粒子表征液相、固相、固液混合相，采用3号粒子表征虚拟壁面粒子，虚拟壁面粒子保证壁面边界处的粒子数密度守恒，防止流体粒子向壁面的穿透；每个粒子携带有物质信息，核反应堆堆芯材料物质种类繁多，无法精确考虑所有物质，因此只考虑含量较高的物质：二氧化铀、不锈钢、锆和二氧化锆；此外，当压力容器失效后，熔融物进入安全壳，落入堆坑，在堆坑处重新形成熔池，该过程涉及熔融物与混凝土的相互作用，熔池内会混入混凝土材料，主要包括：二氧化硅和氧化钙；每个粒子携带有焓值信息和温度信息；
步骤2：粒子物性计算，设置每种物质的物性参数信息，根据每个粒子的物质信息，计算每个粒子的物性参数，包括密度、比热、熔点或固相线温度和液相线温度、沸点；
步骤3：定义粒子核函数，表征粒子间的相互作用程度，采用三阶尖峰核函数，如公式(1)所示，
式中
w——粒子核函数；
r——粒子间距m；
re——粒子作用半径m；
当粒子间距大于粒子作用半径时，忽略粒子间的微小作用力，认为粒子间不存在作用力；
定义粒子数密度，表征粒子的密集程度，
ni＝∑j≠iw(r)公式(2)
式中
n——粒子数密度；
i——粒子ID；
j——粒子ID；
w——粒子核函数；
步骤4：物质混合计算，在核反应堆堆芯材料熔池内，物质种类繁多，不同物质与物质之间会相互混合，有些物质之间是互不相溶的，物质的互不相溶会使得熔池出现分层现象，物质的混合过程，决定了熔池结构特性，熔池的不同结构，其换热及流动特性会存在较大差异；物质的混合基于扩散定律，考虑两种物质之间的混合过程，如公式(3)所示，
式中
——粒子i下一时刻的物质浓度kg/m3；
——粒子i当前时刻的物质浓度kg/m3；
D——物质混合系数；
Δt——时间步长s；
d——维度；
n0——初始粒子数密度；
——粒子j当前时刻的物质浓度kg/m3；
wij——粒子i和粒子j的核函数值；
rij——粒子i和粒子j的粒子间距；
物质的传递过程伴随着能量的传递，物质混合过程中的能量守恒如公式(4)和公式(5)所示，此处的物质混合过程不考虑化学反应；
式中
——粒子i下一时刻的体积焓J/m3；
——粒子i当前时刻的体积焓J/m3；
——物质x的焓J/kg；
Tx——物质x的温度K；
cp,x——物质x的定压比热容J/(kg·K)；
Ts——固相线温度K；
Δhsl,x——物质x的熔化潜热J/kg；
Tl——液相线温度K；
粒子的物性参数由各物质的物质浓度决定，其中粒子密度如公式(6)所示，粒子的比热、熔化潜热、汽化潜热、热导率、粘性如公式(7)所示，固相线温度和液相线温度根据不同的混合物的物性模型计算得到；
式中
ρ——粒子密度kg/m3；
x——物质种类号；
mx——粒子中物质x的物质浓度kg/m3；
Y——物性参数；
步骤5：在堆芯材料熔池内，存在大量的金属，极易被氧化，主要考虑铁和锆的氧化反应：
Zr+2H2O→ZrO2+2H2+6.3MJ/kg
Zr+2CO2→ZrO2+2CO+5.7MJ/kg
Fe+H2O+3.0kJ/kg→FeO+H2
Fe+CO2+480kJ/kg→FeO+CO
当核反应堆压力容器下封头失效后，熔池会向堆坑迁移，并于安全壳内混凝土发生长期相互作用，熔池内会混入混凝土材料，其中二氧化硅会与锆金属发生氧化还原反应，同时生产的硅也会被氧化：
Zr+SiO2→ZrO2+Si+1.6MJ/kg温度<1870℃
Zr+2SiO2+4.7MJ/kg→ZrO2+2SiO(g)温度>1870℃
Si+2H2O→SiO2+2H2+15MJ/kg
Si+2CO2→SiO2+2CO+14MJ/kg
基于以上化学反应方程式，当两个粒子间距足够小或粒子满足化学反应条件时，根据化学反应速率进行物质的转变，如公式(8)和公式(9)所示；同时以内热源的形式改变粒子的焓值来模拟化学热的过程，如公式(10)所示；物质种类改变后，同时对粒子物性进行更新计算；
式中
——粒子i下一时刻物质x的物质浓度kg/m3；
——粒子i当前时刻物质x的物质浓度kg/m3；
Cx,chem——物质x的变化速率kg/(m3·s)；
——粒子i下一时刻物质y的物质浓度kg/m3；
——粒子i当前时刻物质y的物质浓度kg/m3；
X——化学反应中物质x与物质y的物质变化比例；
——粒子i下一时刻的焓J/kg；
——粒子i当前时刻的焓J/kg；
Qchem——化学反应热W/kg；
通过步骤4和步骤5，更新每个粒子的物质变化和焓值变化，并根据物质含量和焓值更新粒子的物性；
步骤6：传热计算，除了物质混合过程会伴随着能量传递外，粒子会通过对流换热、导热和辐射换热进行能量交换；在粒子法中，通过粒子的运动和导热过程的结合，还原对流换热过程，对流换热和导热过程采用公式(11)计算，辐射换热过程采用公式(12)和公式(13)计算；
式中
ki——粒子i的热导率W/(m·K)；
kj——粒子j的热导率W/(m·K)；
——粒子j当前时刻的温度K；
Tik——粒子i当前时刻的温度K；
Δt——时间步长s；
hr——辐射换热系数W/(m2·K)；
σstef——斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；
εi——自由表面粒子i的辐射发射率；
εenv——周围环境的辐射发射率；
Ti——自由表面粒子i的温度K；
Tenv——堆腔周围环境温度K；
Qr——辐射换热量W/m3；
A——辐射换热面积m2；
l——粒子直径m；
通过步骤6，获得每个粒子下一时刻的物质焓值和温度；
步骤7：相变计算，通过能量守恒计算得到每个时刻下每个粒子的焓值，根据焓值计算得到粒子对应温度，如公式(14)所示，
式中
T——温度K；
h——焓值J/kg；
hs——固相线温度对应的焓值J/kg；
cp——定压比热容J/(kg·K)；
hl——液相线温度对应的焓值J/kg；
定义固相率ε判断粒子的相态变化，固相率为焓值的函数：
式中
ε——固相率...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣华，蔡庆航，张鹏辉，董春辉，李勇霖，田文喜，苏光辉，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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