一种快堆边界下的裂变气体释放的数值确定方法技术

本发明专利技术提供一种快堆边界下的裂变气体释放的数值计算方法，包括稳态工况下的模拟和事故瞬态条件下的数值计算。本发明专利技术通过数值手段详细地描述了稳态下晶粒内自由气体原子扩散行为，以及晶粒内气泡生长与俘获

【技术实现步骤摘要】
一种快堆边界下的裂变气体释放的数值确定方法


[0001]本专利技术涉及裂变气体释放数值计算领域，尤其涉及一种快堆边界下的裂变气体释放的数值确定方法，其为快堆边界下的稳态、瞬态工况下的裂变气体释放的数值计算方法。

技术介绍

[0002]裂变气体释放的模拟对燃料棒整体行为有着极其重要的作用。首先，裂变气体降低了燃料棒内的气体热导率，因此降低了包壳-芯块间隙热导率，而这会导致芯块温度的升高，同时更高的芯块温度又会引起更多裂变气体释放，这种反馈机制会给安全设计带来挑战。其次，裂变气体释放会导致燃料棒内压增加，由裂变气体引起的气态肿胀也会直接加剧芯块-包壳的力学接触，这些都会造成包壳的损伤，影响燃料棒的寿命。这些放射性气体原子的释放会降低反应堆的安全边界。因此，对裂变气体行为的准确模拟是对反应堆安全分析与总体设计的关键环节。但是裂变气体行为由于其本身过程的复杂性以及理论发展的局限性，无论是理论模拟和数值模拟都存在很大的困难。
[0003]而在快堆所特有的高温、高中子通量边界下，燃料棒所处的环境更为严峻，裂变气体无论是产生率还是释放份额往往都比水堆更高，其特征行为也更为复杂。由裂变气体所导致的气体肿胀等对燃料棒的热、力反馈作用更加强烈。因此，裂变气体释放行为在快堆边界下对反应堆整体性能有着更为显著的影响。
[0004]目前，关于裂变气体释放的理论模型还在发展中，国际上相对成熟的燃料棒行为分析程序也大多针对水堆边界，对快堆边界下的裂变气体释放行为的数值模拟开展的工作较少。国内对裂变气体释放行为的模拟主要还是针对水堆稳态情况下的自由气体原子扩散行为，对裂变气体行为以及气态肿胀的模拟主要采用经验关系式的方法，对快堆稳态与瞬态工况下的晶内气泡的模拟以及对晶间气体行为的模拟还有很大的不足。尤其是对快堆边界下的裂变气体演化机理的认识还有很大的不足，缺少一套完整的针对快堆稳态-瞬态情况下的裂变气体模拟机制。

技术实现思路

[0005]基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种完善的快堆裂变气体释放的计算方法，能够解决现有快堆裂变气体行为模型不全面，内在机理认识不清晰，气体肿胀模型只能采取经验关系式以及计算结果不准确等问题。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术实施方式提供一种快堆边界下的裂变气体释放的数值计算方法，包括：
[0008]步骤1，确定晶内气体行为的数值计算方法：对稳态情况下的晶内自由气体原子扩散行为采用等效辐照方法进行数值模拟，得到裂变气体扩散至晶粒边界的份额；将气泡的生长行为同自由气体原子的扩散行为结合起来，最终通过迭代的方式得出对晶内气泡行为的综合描述；
[0009]步骤2，确定晶间气泡行为的数值计算方法：对扩散至晶间的气体进行模拟，包括
气体原子在晶面气泡和晶棱气泡之间的分配，晶面气泡生长所导致的融合，晶棱气泡与自由气腔的联通，裂变气体的释放等行为的数值模拟。通过联立求解气体行为方程组的方式，利用迭代的思想，构建晶间气体行为的数值模拟方法；
[0010]步骤3，确定高温下晶内气泡的数值计算模型：根据高温下(>1600℃)晶内气体行为的特性，考虑高温下晶内大尺寸气泡在温度梯度下的移动行为，以及由此所导致的气泡携带裂变气体扩散至晶粒边界的效应。综合考虑气泡迁移和气体原子自由扩散所导致的气体释放，实现高温条件下对裂变气体释放行为的数值模拟；
[0011]步骤4，确定瞬态下的裂变气体释放机制与数值计算方法：瞬态下通过对气泡扩散行为的描述，建立晶间气泡的生长模拟的数值算法，考虑晶间气泡对自由气体原子的吸收效应以及气泡之间的相互融合机制。通过理论方程模拟气泡在温度梯度作用下的移动效应，最终得出瞬态下的裂变气体释放的数值计算模型。
[0012]本专利技术的原理在于：
[0013]方案1，一种快堆边界下的裂变气体释放的数值计算方法，通过数值手段详细地描述了稳态下晶粒内自由气体原子扩散行为，以及晶粒内气泡生长与俘获-再溶解平衡过程；根据晶粒间气泡的生长与融合模型，考虑了晶面气泡与晶棱气泡的生长所引发的晶间气体肿胀，利用数值的手段模拟了晶粒间气泡的联通以及气体释放通道的形成过程；考虑了高温下晶内大尺寸气泡的移动行为，并基于此建立了高温下的裂变气体释放地数值计算模型；此外，本专利技术还描述了瞬态下晶内气泡的生长、融合、移动、释放等行为，得出了针对快堆瞬态下裂变气体的数值计算模型。
[0014]方案2，利用二分法的思想，迭代求解等效辐照时间，作为外迭代；并且结合晶粒内气泡的生长行为方程，利用气体状态方程，迭代求解晶内气泡的尺寸与浓度；两者相互影响，最终得出晶内气体行为的完整计算方法。
[0015]方案3，对晶面气泡的融合份额以及晶间气泡的通道形成行为过程作了模拟，给出了晶间气泡生长、融合的数值处理手段，同时给出了由晶间气泡行为所导致的气体肿胀的数值计算方法。
[0016]方案4，考虑了高温下，大尺寸气泡在温度梯度作用下定向移动，考虑了气泡在移动过程中的损毁效应，最终通过与方案2中所述的计算结果相叠加的方式，获得高温下裂变气体释放的数值计算方法。
[0017]方案5，充分考虑瞬态条件下的裂变气体释放机制，考虑晶内气泡对晶粒内残余自由气体原子的吸收效应，考虑气泡之间的自由移动所导致的融合现象。另外还涵盖了瞬态下气泡在温度梯度下的移动现象，最终获得裂变气体释放的数值计算方法。
[0018]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0019](1)本专利技术考虑了快堆边界下晶内气泡尺寸及浓度的物理模拟，提供了更为精确的晶内气体行为分析的数值计算模型。
[0020](2)本专利技术考虑了晶间气泡尤其是晶棱气泡的行为模型，通过数值手段实现了晶粒边界气泡生长、融合、联通以及气体释放的模拟。
[0021](3)本专利技术提供了高温下的裂变气体释放数值模拟方法，以解释快堆重结构区域特有的裂变气体释放现象。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0023]图1为本专利技术实施例提供的整体裂变气体释放模型的计算方法流程图；
[0024]图2为本专利技术实施例提供的晶内自由气体扩散的计算方法流程图，其中，t
fic,n
—虚拟辐照时间；c
n
，c
n+1
—t
n
，t
n+1
时刻的平均气体浓度；D
eff
—等效扩散系数；K
g
—气体产生速率；
[0025]图3为本专利技术实施例提供的晶内气泡浓度与尺寸的计算方法流程图；
[0026]图4为本专利技术实施例提供的晶间裂变气体行为的计算方法流程图，其中，S
f
，S
e
—晶面肿胀和晶棱肿胀；p
f
,p
e
—晶面和晶棱气泡的压力；n
f
,n
e...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快堆边界下的裂变气体释放的数值计算方法，其特征在于：包括：步骤1，确定晶内气体行为的数值计算方法：对稳态情况下的晶内自由气体原子扩散行为采用等效辐照方法进行数值模拟，得到裂变气体扩散至晶粒边界的份额；将气泡的生长行为同自由气体原子的扩散行为结合起来，最终通过迭代的方式得出对晶内气泡行为的综合描述；步骤2，确定晶间气泡行为的数值计算方法：对扩散至晶间的气体进行模拟，包括气体原子在晶面气泡和晶棱气泡之间的分配，晶面气泡生长所导致的融合，晶棱气泡与自由气腔的联通，裂变气体的释放等行为的数值模拟，通过联立求解气体行为方程组的方式，利用迭代的思想，构建晶间气体行为的数值模拟方法；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈红丽，廖海龙，杨广亮，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：