基于有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法及系统，该方法包括：面向二维/一维方法进行建模；确定棒位，对于无控制棒插入或者控制棒完全插入的层，进行二维非均匀堆芯共振计算，得到宏观截面；对于存在控制棒部分插入情况的层Z

【技术实现步骤摘要】
基于有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法及系统


[0001]本专利技术涉及核反应堆物理数值计算领域，具体涉及基于有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法及系统。

技术介绍

[0002]数十年来，“两步法”一直是反应堆堆芯物理分析的经典方法。其基本策略为，第一步针对典型组件开展各种特征工况下的能谱计算，并根据等效均匀化理论产生组件的少群均匀化截面表或拟合关系式；第二步，基于少群均匀化截面，开展堆芯层面的粗网节块中子扩散计算，最终获得反应堆堆芯的反应性、功率分布等所关心的中子学特性参数。然而，“两步法”体系存在诸多近似，面对日益提高的反应堆经济性、安全性以及功能性要求，其固有缺陷逐渐显现。因此近年来，借助计算机大规模运算能力的快速发展，基于全堆芯中子输运计算的高保真一步化方法体系成为国内外研究热点。
[0003]在全堆芯中子输运计算体系中，二维/一维方法被认为是兼顾精度、效率和分辨率的最有效方法之一。二维/一维方法将三维非均匀堆芯沿轴向划分为若干层，每一层均采用二维特征线方法开展精细几何材料布置下的多群中子输运计算，层与层之间采用一维输运或扩散计算进行耦合；此外，还可以通过粗网有限差分技术加速全局计算同步收敛。
[0004]但是，二维/一维方法也存在一些问题。与传统节块法类似，由于假设每一层在轴向上是均匀的，二维/一维方法也会遭遇控制棒的“尖齿效应”。尖齿效应是指当控制棒的末端沿轴向部分插入某一均匀层时，由于控制棒对中子的强吸收效应，增大了轴向等效均匀化误差，最终导致控制棒微分价值曲线呈现非物理性“尖齿”的现象。
[0005]为解决这一问题，目前国际上先后提出了子平面方法、子平面碰撞概率方法、子特征线方法等。其中，子平面方法仍然假设同一层中的各子平面具有相同的截面，且未考虑控制棒插入对径向的影响。子平面碰撞概率方法就以上两点进行了改进，但在各向异性散射和复杂几何问题的处理上存在缺陷，且特征线计算依然基于轴向均匀化截面。同时，这些方法仅面向输运求解器本身，并未在二维/一维的系统框架内给出具体可行的实施方案；而这种方案也会对控制棒尖齿效应处理的效果和代价产生至关重要的影响。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是现有的控制棒尖齿效应处理方法中子平面方法仍然假设同一层中的各子平面具有相同的截面，且未考虑控制棒插入对径向的影响；子平面碰撞概率方法在各向异性散射和复杂几何问题的处理上存在缺陷，且特征线计算依然基于轴向均匀化截面的问题。本专利技术目的在于提供基于有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法及系统，本专利技术提供一种充分考虑二维/一维系统框架内共振、输运、燃耗等全面中子学因素的控制棒尖齿效应处理方法，该方法采用子层在线共振计算产生高精度的有效共振截面，并基于此截面开展各层的特征线方法非均匀输运计算，最后通过微观燃耗计算处理产生各核素核子密度供后续燃耗点计算使用。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，该方法包括：
[0009]S1：获取目标堆芯的几何、材料相关参数，根据获取的目标堆芯的几何、材料相关参数定义，面向二维/一维方法进行建模，得到问题模型；其中问题模型包括若干径向具有精细几何材料分布的轴向均匀层；
[0010]S2：对步骤S1得到的问题模型采用二维/一维方法进行数值求解，根据预定义棒位或搜索棒位，对于无控制棒插入或者控制棒完全插入的层，直接进行二维非均匀堆芯共振计算(即采用常规共振计算策略进行求解)，得到宏观截面；对于存在控制棒部分插入情况的层Z
i
，采用基于高精度有效共振截面方法进行计算求解，得到宏观截面；
[0011]S3：根据步骤S2得到的宏观截面，对Z
i
层开展二维堆芯特征线方法输运计算，所述二维堆芯特征线方法输运计算采用体积
‑
重构通量权重方法或子特征线方法等进行求解；
[0012]S4：基于二维输运计算，按照二维/一维框架完成全堆芯数值求解后，对于每一层，分别根据其轴向平均通量开展该层微观燃耗计算，获得该层各燃耗区的轴向平均核子密度；
[0013]S5：以步骤S4所得的各层轴向平均核子密度为基础，更新步骤S1的问题模型，开展下一燃耗步处理，直至完成所有待解燃耗点。
[0014]基于现有的控制棒尖齿效应处理方法中子平面方法仍然假设同一层中的各子平面具有相同的截面，且未考虑控制棒插入对径向的影响；子平面碰撞概率方法在各向异性散射和复杂几何问题的处理上存在缺陷，且特征线计算依然基于轴向均匀化截面的问题。本专利技术设计了一种充分考虑二维/一维系统框架内共振、输运、燃耗等全面中子学因素的控制棒尖齿效应处理方法，该方法采用子层在线共振计算产生高精度的有效共振截面，并基于此截面开展各层的特征线方法非均匀输运计算，最后通过微观燃耗计算处理产生各核素核子密度供后续燃耗点计算使用。
[0015]本专利技术可充分考虑二维/一维系统框架内共振、输运、燃耗等全面中子学因素，既较为充分地考虑了控制棒部分插入问题中轴向与径向的非均匀效应，同时又不额外增加特征线方法输运计算在轴向上的层网格数量，理论上能够在良好的计算精度水平上，提高计算效率，减少内存消耗。
[0016]进一步地，步骤S2中所述的对于存在控制棒部分插入情况的层Z
i
，采用基于高精度有效共振截面方法进行计算求解，得到宏观截面；具体包括：
[0017]步骤21：根据各控制棒组末端在Z
i
层轴向高度内的n个不同位置，沿轴向将Z
i
层细分为n+1个子层，则所得不同子层的差别仅在于具有不同的控制棒插入状态；其中，n为正整数；
[0018]步骤22：对步骤21产生的n+1个子层分别开展二维堆芯共振计算，获取各子层径向的高精度有效共振截面，即微观截面；
[0019]步骤23：根据步骤22共振处理后的微观截面，分别计算n+1个子层的径向宏观截面分布；其中，对于非控制棒部分插入栅元，宏观截面根据Z
i
层轴向平均核子密度计算；对于控制棒部分插入的栅元，插入部分和未插部分分别按各自的实际材料核子密度计算；
[0020]步骤24：根据步骤23获得的各子层径向宏观截面分布，确定部分插入控制棒栅元
以外的“阴影区域”；判断Z
i
层内最上端和最下端两个子层之间控制棒临近燃料栅元对应区域的宏观截面偏差，如大于设定阈值，则认为该燃料栅元位于此控制棒的“阴影区域”内。特殊地，当该阈值足够大时，“阴影区域”仅为该控制棒栅元本身。
[0021]步骤25：根据步骤24确定的“阴影区域”，对各子层截面在Z
i
层轴向范围内进行等效均匀化；对于“阴影区域”以外的栅元，轴向各子层采用简单地体积权重产生层均匀化宏观截面；对于“阴影区域”以内的栅元，继续保留轴向各子层的不同宏观截面；这样最终对于Z
i
层，仅在
““
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，该方法包括：S1：获取目标堆芯的几何、材料相关参数，根据获取的目标堆芯的几何、材料相关参数，面向二维/一维方法进行建模，得到问题模型；S2：对步骤S1得到的问题模型采用二维/一维方法进行数值求解，根据预定义棒位或搜索棒位，对于无控制棒插入或者控制棒完全插入的层，直接进行二维非均匀堆芯共振计算，得到宏观截面；对于存在控制棒部分插入情况的层Z
i
，采用基于高精度有效共振截面方法进行计算求解，得到宏观截面；S3：根据步骤S2得到的宏观截面，对Z
i
层开展二维堆芯特征线方法输运计算，所述二维堆芯特征线方法输运计算采用体积
‑
重构通量权重方法或子特征线方法进行求解；S4：基于二维输运计算，按照二维/一维框架完成全堆芯数值求解后，对于每一层，分别根据其轴向平均通量开展该层微观燃耗计算，获得该层各燃耗区的轴向平均核子密度；S5：以步骤S4所得的各层轴向平均核子密度为基础，更新步骤S1的问题模型，开展下一燃耗步处理，直至完成所有待解燃耗点。2.根据权利要求1所述的一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，步骤S2中所述的对于存在控制棒部分插入情况的层Z
i
，采用基于高精度有效共振截面方法进行计算求解，得到宏观截面；具体包括：步骤21：根据各控制棒组末端在Z
i
层轴向高度内的n个不同位置，沿轴向将Z
i
层分为n+1个子层，则所得不同子层的差别仅在于具有不同的控制棒插入状态；其中，n为正整数；步骤22：对步骤21产生的n+1个子层分别开展二维堆芯共振计算，获取各子层径向的高精度有效共振截面，即微观截面；步骤23：根据步骤22共振处理后的微观截面，分别计算n+1个子层的径向宏观截面分布；其中，对于非控制棒部分插入栅元，宏观截面根据Z
i
层轴向平均核子密度计算；对于控制棒部分插入的栅元，插入部分和未插部分分别按各自的实际材料核子密度计算；步骤24：根据步骤23获得的各子层径向宏观截面分布，确定部分插入控制棒栅元以外的阴影区域；判断Z
i
层内最上端和最下端两个子层之间控制棒临近燃料栅元对应区域的宏观截面偏差，如大于设定阈值，则认为该燃料栅元位于此控制棒的阴影区域内；步骤25：根据步骤24确定的阴影区域，对各子层截面在Z
i
层轴向范围内进行等效均匀化；对于阴影区域以外的栅元，轴向各子层采用体积权重产生层均匀化宏观截面；对于阴影区域以内的栅元，继续保留轴向各子层的不同宏观截面。3.根据权利要求2所述的一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，步骤22中二维堆芯共振计算采用各种能够满足要求的非均匀共振算法，包括典型如子群方法、嵌入式共振自屏方法。4.根据权利要求3所述的一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，步骤22中得到的高精度有效共振截面σ
x,g
表达式如下：式中：σ
x
为x类型微观截面；φ(u)为中子能谱。
5.根据权利要求2所述的一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，步骤23中得到的宏观截面分布表达式为：Σ
x,g
＝∑
i
N
i
σ
x,g,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：Σ
x,g
为第g能群x类型宏观截面；N
i
为第i种核素核子密度；σ
x,g,i
为第i种核素第g能群x类型有效微观截面。6.根据权利要求2所述的一种基于高精度有效共振截面的控制棒尖齿效应处理方法，其特征在于，步骤S3中当采用体积
‑
重构通量权重方法时，结合三维粗网有限差分或一维轴向计算结果获取重构通量，并据此对阴影区域进行轴向均匀化；当采用子特征线方法时，阴影区域即为使用子特征线技术的区域。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭星杰，张宏博，赵晨，赵文博，吴屈，宫兆虎，李庆，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：