反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法技术

本发明专利技术公开了一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法，步骤为：1.建立不同尺度下的计算模型；2.开发耦合接口模块实现模型间的数据传递；3.核反应堆系统分析软件计算稳态运行工况并定义初始条件；4.核反应堆系统分析软件开始瞬态事故进程模拟；5.获得下栅格板状态参数后，调用耦合接口模块1传递数据；6.采用Fluent、Abaqus和一维包壳氧化模型分别开展计算；7.若步骤6的计算结果均已收敛，则调用耦合接口模块1，核反应堆系统分析软件继续运行，否则调用耦合接口模块2，并重复步骤6、7；8：若计算时间大于终止时间，则终止计算。否则，进行下一个时间步长的计算，重复步骤5～8。本发明专利技术对严重事故进程预测和分析具有重要意义。要意义。要意义。

【技术实现步骤摘要】
反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法


[0001]本专利技术涉及核反应堆安全分析方法领域，具体涉及一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法。

技术介绍

[0002]在核反应堆严重事故中，包壳温度迅速上升。在气隙内压和燃料芯块变形挤压等因素的作用下，包壳在此过程中发生鼓胀变形，缩小冷却剂流道面积，进一步恶化传热。随着包壳温度的进一步升高，包壳与水蒸汽将发生剧烈的氧化反应，过程中释放的化学热使得堆芯加速升温，同时生成脆性的氧化物相，降低了包壳的力学性能。当包壳应力达到强度极限时，包壳将发生爆破，引起放射性裂变产物逸出。因此核反应堆严重事故中的包壳行为对后续事故进程有很大影响，该过程的准确模拟对事故预测及缓解措施制定具有重要意义。
[0003]目前的核反应堆严重事故模拟软件通常对全堆芯采用等效节点划分，基于准稳态假设，采用实验获得的包壳氧化动力学关系式和失效准则，简化了严重事故中的包壳行为分析。此方法无法考虑包壳形变、流道阻塞、氧化相变、化学反应放热等现象的耦合作用，且需要大量修改模型中的经验系数以达到预期的模拟结果，通用性不强。截至目前，尚未发现有相关报道提出解决这一问题的合理方案，因此开发反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法对严重事故进程预测和分析具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法，对核反应堆严重事故中包壳行为开展高保真精细化的数值模拟分析。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：分别建立不同尺度的计算模型，具体包含以下内容：
[0008]1)采用核反应堆系统分析软件建立核反应堆一回路、二回路及安全壳系统模型；
[0009]2)采用计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus分别建立全堆芯全尺寸燃料组件的几何模型和网格模型；
[0010]3)在各个燃料棒沿轴向等距离选取多个高度，再在各个高度沿周向等角度选取多个位置，最后沿包壳径向进行精细的网格划分，建立一维包壳氧化模型，该模型包括以下内容：
[0011]Ⅰ.氧原子扩散模型：式中：C
O
为氧原子浓度，D为氧原子扩散系数，r为空间坐标，t为时间；
[0012]Ⅱ.相界面迁移模型：式中：p和p
‑
1分别为相邻两相的编号，C
O,p
为相界面处p相的氧原子浓度，C
O,p
‑1为相界面处p
‑
1相的氧原子浓度，ξ为相界面位置；
[0013]Ⅲ.化学反应热模型：Q＝q
·
ΔF，式中：Q为化学反应热的热流密度，q为单位物质的量的锆原子与氧原子结合生成二氧化锆释放的热量，ΔF为相界面处不同相间的氧原子通量密度差；
[0014]步骤2：采用动态链接库，开发核反应堆系统分析软件和计算流体力学软件Fluent的耦合接口模块1；采用多物理场耦合工具MPCCI以及计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus的用户自定义函数，开发Fluent模型、Abaqus模型和一维包壳氧化模型的耦合接口模块2；
[0015]耦合接口模块1具体包括以下内容：
[0016]1)核反应堆系统分析软件向Fluent模型提供堆芯下栅格板处的温度、速度、压力参数分布，作为Fluent模型的进口边界条件；
[0017]2)Fluent模型向核反应堆系统分析软件提供出口处的温度、速度、压力参数分布，作为堆芯上栅格板处的状态参数；
[0018]耦合接口模块2具体包括以下内容：
[0019]1)Fluent模型可获得全堆芯的温度分布；一维包壳氧化模型根据全堆芯的温度分布，更新各个选取位置处的包壳径向温度分布；Abaqus模型根据全堆芯的温度分布，更新堆芯的温度分布，并根据理想气体状态方程，计算各个燃料棒的包壳内压，更新包壳内表面的分布载荷；
[0020]2)Abaqus模型可获得全堆芯包壳的节点坐标和位移，一维包壳氧化模型根据全堆芯包壳的节点坐标和位移，更新各个选取位置处的包壳几何尺寸；Fluent模型根据全堆芯包壳的节点坐标和位移，更新流体域和固体域的边界，再通过自适应网格，优化计算域的网格布置；
[0021]3)一维包壳氧化模型可获得各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布，Fluent模型根据各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布，采用插值方法，并结合堆芯温度分布，更新堆芯各处的包壳物性和导热方程源项；Abaqus模型根据各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布，采用插值方法，并结合堆芯温度分布，更新堆芯各处的包壳物性；
[0022]步骤3：定义核反应堆系统模型、Fluent模型、Abaqus模型和一维包壳氧化模型的初始条件，具体包括以下内容：
[0023]1)采用核反应堆系统分析软件，获得稳态运行工况下的反应堆状态；
[0024]2)根据稳态下的堆芯状态，定义Fluent模型中初始的温度、速度参数场，定义Abaqus模型中的初始温度场，定义一维包壳氧化模型各个选取位置处的径向温度分布；
[0025]3)Abaqus模型中各个燃料棒包壳的初始应变为0，内压为核反应堆系统分析软件的计算值，各个燃料棒包壳的两端设置为固定约束；
[0026]4)一维包壳氧化模型各个选取位置处的初始氧原子浓度为0；
[0027]5)Fluent模型和Abaqus模型根据4)中的初始氧原子浓度，采用插值方法，结合堆
芯温度场，计算堆芯各处的初始包壳物性；
[0028]步骤4：在核反应堆系统分析软件中定义事故类型和安全系统启动逻辑，开始瞬态进程模拟；
[0029]步骤5：当核反应堆系统分析软件计算获得堆芯下栅格板处的温度、速度、压力参数分布时，暂停运行，调用耦合接口模块1，将相关参数传递给Fluent模型；
[0030]步骤6：采用Fluent模型计算获得堆芯温度、速度、压力参数分布，采用Abaqus模型计算获得各个燃料棒包壳的应力应变状态，采用一维包壳氧化模型计算获得各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布；
[0031]步骤7：若Fluent模型计算的堆芯温度、速度、压力参数分布、Abaqus模型计算的各个燃料棒包壳的应力应变状态、一维包壳氧化模型计算的各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布与上一次迭代计算结果间的相对误差小于设定值，则调用耦合接口模块1，将Fluent模型出口处的温度、速度、压力等参数分布传递给核反应堆系统分析软件，核反应堆系统分析软件继续运行，完成本次时间步长内的后续计算，随后执行步骤8；否则调用耦合接口模块2，并重复步骤6和步骤7；
[0032]步骤8：若计算时间大于设定的终止时间，则终本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：分别建立不同尺度的计算模型，具体包含以下内容：1)采用核反应堆系统分析软件建立核反应堆一回路、二回路及安全壳系统模型；2)采用计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus分别建立全堆芯全尺寸燃料组件的几何模型和网格模型；3)在各个燃料棒沿轴向等距离选取多个高度，再在各个高度沿周向等角度选取多个位置，最后沿包壳径向进行精细的网格划分，建立一维包壳氧化模型，该模型包括以下内容：Ⅰ.氧原子扩散模型：式中：C
O
为氧原子浓度，D为氧原子扩散系数，r为空间坐标，t为时间；Ⅱ.相界面迁移模型：式中：p和p
‑
1分别为相邻两相的编号，C
O,p
为相界面处p相的氧原子浓度，C
O,p
‑1为相界面处p
‑
1相的氧原子浓度，ξ为相界面位置；Ⅲ.化学反应热模型：Q＝q
·
ΔF，式中：Q为化学反应热的热流密度，q为单位物质的量的锆原子与氧原子结合生成二氧化锆释放的热量，ΔF为相界面处不同相间的氧原子通量密度差；步骤2：采用动态链接库，开发核反应堆系统分析软件和计算流体力学软件Fluent的耦合接口模块1；采用多物理场耦合工具MPCCI以及计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus的用户自定义函数，开发Fluent模型、Abaqus模型和一维包壳氧化模型的耦合接口模块2；耦合接口模块1具体包括以下内容：1)核反应堆系统分析软件向Fluent模型提供堆芯下栅格板处的温度、速度、压力参数分布，作为Fluent模型的进口边界条件；2)Fluent模型向核反应堆系统分析软件提供出口处的温度、速度、压力参数分布，作为堆芯上栅格板处的状态参数；耦合接口模块2具体包括以下内容：1)Fluent模型能获得全堆芯的温度分布；一维包壳氧化模型根据全堆芯的温度分布，更新各个选取位置处的包壳径向温度分布；Abaqus模型根据全堆芯的温度分布，更新堆芯的温度分布，并根据理想气体状态方程，计算各个燃料棒的包壳内压，更新包壳内表面的分布载荷；2)Abaqus模型能获得全堆芯包壳的节点坐标和位移，一维包壳氧化模型根据全堆芯包壳的节点坐标和位移，更新各个选取位置处的包壳几何尺寸；Fluent模型根据全堆芯包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚培，王栋，吴世浩，苏光辉，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：