一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法，首先读取所要模拟的燃料元件的输入信息；之后针对燃料依次求解中子输运方程、核素燃耗方程、热学方程、力学方程、钚迁移

【技术实现步骤摘要】
一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法


[0001]本专利技术涉及核反应堆堆芯设计和安全领域，具体涉及一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法。

技术介绍

[0002]燃料性能分析通过考虑核燃料在堆芯内服役过程中发生的各类物理现象，模拟燃料的行为与性能的演化，预测关键物理量随时间的变化。目前，基于多物理耦合的燃料性能分析方法得到了广泛应用，该方法将燃料性能分析与中子输运、核素燃耗等进行耦合，更加真实、精确地模拟反应堆中燃料的状态。
[0003]然而，在该方法中，当进行核素燃耗计算时，通常假定物质不会在空间上发生迁移；当进行燃料性能分析中的物质迁移计算时，又忽略了物质的燃耗效应。对于铀钚混合氧化物燃料，燃料中的钚的空间迁移效应与燃耗效应均十分显著。因此，若将该方法应用于铀钚混合氧化物燃料，就可能会造成数值结果与实际值的较大偏差。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法，该方法通过求解核素燃耗方程得到由燃耗导致的钚核子密度改变速率，并基于此求解钚的迁移
‑
燃耗方程，得到最终的钚的核子密度，同时，该过程与中子输运、燃料热学与燃料力学耦合，得到燃料的各个物理场的解。与传统方法相比，该方法考虑了钚的迁移效应与燃耗效应的耦合，使模拟更加贴近真实，可提高模拟的准确性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案予以实施：一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法，包括如下步骤：步骤1：获取所要模拟的铀钚混合氧化物燃料元件的几何信息、材料信息、边界条件信息和功率信息作为燃料元件输入信息；步骤2：根据步骤1获取的燃料元件输入信息，求解中子输运方程，如公式（1）所示，得到燃料的中子角通量密度；再根据中子角通量密度计算得到燃料的中子通量密度，如公式（2）所示；
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（1）其中，m — 中子角通量密度方向的编号； — 第m个方向的X轴方向余弦； — 第m个方向的Y轴方向余弦； — 第m个方向的Z轴方向余弦；g — 中子能群的编号；
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— 点r处第g个能群，第m个方向的中子角通量密度；r — 任意空间点；x — 点r的X轴坐标；y — 点r的Y轴坐标；z — 点r的Z轴坐标； — 第g个能群的总截面；Q
g
(x,y,z) — 第g个能群的源项；
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（2）其中， — 中子通量密度；g — 中子能群的编号；G — 中子能群的最大编号；m — 中子角通量密度方向的编号；M — 中子角通量密度方向的最大编号； — 第g个能群，第m个方向的中子角通量密度；步骤3：基于步骤2得到的中子通量密度，求解核素燃耗方程，如公式（3）所示，得到由燃耗导致的钚核子密度改变速率及除钚核素外的核素的核子密度；
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（3）其中，t — 时间；i —除钚核素外的核素编号；N
i
(t) — 第i个核素的核子密度； — 第i个核素的衰变常数； — 第i个核素的微观中子吸收截面； — 中子通量密度； j — 由衰变产生第i个核素的各个核素的编号；b
j,i — 第j核素衰变产生第i核素的衰变分支比； — 第j核素的衰变常数；N
j
(t) — 第j核素的核子密度；k — 与中子发生核反应产生第i个核素的各个核素的编号； — 第k核素产生第i核素的微观中子截面；
N
k
(t) — 第k个核素的核子密度；N
Pu
(t) — 钚核素的核子密度； — 由燃耗导致的钚核子密度改变速率； — 钚核素的衰变常数； — 钚核素的微观中子吸收截面；b
j,Pu — 第j核素衰变产生钚核素的衰变分支比； — 第k核素产生钚核素的微观中子截面；步骤4：基于步骤2得到的中子通量密度，计算得到燃料的功率密度，并基于该功率密度求解燃料的热学方程，如公式（4）所示，得到燃料的温度；
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（4）其中， — 燃料的密度；C
p
— 燃料的定压比热；T — 燃料的温度； — 燃料的热导率；S — 燃料的功率密度；步骤5：基于步骤4得到的燃料的温度，求解燃料的力学方程，如公式（5）所示，得到燃料的应力与应变，并将应变传递给热学方程；
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（5）其中， — 燃料的应力； — 燃料的密度；f — 燃料单位质量的体积力； — 燃料的应变；u — 燃料的位移；E(T) — 燃料的弹性张量；— 燃料的塑性应变； — 燃料的蠕变应变；— 燃料的本征应变；步骤6：基于得到的燃料的温度和由燃耗导致的钚核子密度改变速率，求解燃料的钚迁移
‑
燃耗方程，如公式（6）所示，得到燃料的钚核子密度，并将其传递给中子输运方程和
核素燃耗方程； （6）其中，N
Pu — 钚核子密度； — 由迁移导致的钚核子密度改变速率； — 由燃耗导致的钚核子密度改变速率；D
Pu — 钚核素的扩散系数；N
U — 铀核素的核子密度；Q
Pu — 钚核素的输运热；R — 通用气体常数；T — 燃料的温度；步骤7：重复步骤2至步骤6，直至步骤2至步骤6中计算得到的各个物理场满足公式（7），即各物理场收敛，得到燃料的各个物理场的解；
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（7）其中，F
new — 在最新的步骤2至步骤6的计算中得到的任意物理场；F
old — 在上一次的步骤2至步骤6的计算中得到的任意物理场； — 物理场F的相对收敛限值。
[0006]与现有技术相比，本专利技术有如下突出优点：本专利技术通过求解核素燃耗方程得到由燃耗导致的钚核子密度改变速率，并基于此求解钚的迁移
‑
燃耗方程，通过重复迭代，得到最终的钚的核子密度，同时，该过程与中子输运、燃料热学与燃料力学耦合，得到燃料的各个物理场的解。与传统方法相比，本专利技术考虑了钚的迁移效应与燃耗效应的耦合，使模拟更加贴近真实，可提高模拟的准确性，可用于装载铀钚混合氧化物燃料的核反应堆的设计与安全分析计算，在确保安全性的前提下提升反应堆的经济性。
附图说明
[0007]图1是本专利技术方法流程图。
[0008]图2a和图2b分别是计算对象的中子输运几何模型及网格划分的径向和轴向示意图。
[0009]图3a和图3b分别是计算对象的燃料性能几何模型及网格划分的径向和轴向示意图。
具体实施方式
[0010]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。
[0011]本专利技术方法具体步骤如图1所示，图2a和图2b分别是计算对象的中子输运几何模型及其网格划分的径向和轴向示意图。如图所示，在中子输运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对铀钚混合氧化物燃料的多物理燃料性能分析方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：获取所要模拟的铀钚混合氧化物燃料元件的几何信息、材料信息、边界条件信息和功率信息作为燃料元件输入信息；步骤2：根据步骤1获取的燃料元件输入信息，求解中子输运方程，如公式（1）所示，得到燃料的中子角通量密度；再根据中子角通量密度计算得到燃料的中子通量密度，如公式（2）所示；（1）其中，m — 中子角通量密度方向的编号； — 第m个方向的X轴方向余弦；— 第m个方向的Y轴方向余弦；— 第m个方向的Z轴方向余弦；g — 中子能群的编号； — 点r处第g个能群，第m个方向的中子角通量密度；r — 任意空间点；x — 点r的X轴坐标；y — 点r的Y轴坐标；z — 点r的Z轴坐标；— 第g个能群的总截面；Q
g
(x,y,z) — 第g个能群的源项；（2）其中， — 中子通量密度；g — 中子能群的编号；G — 中子能群的最大编号；m — 中子角通量密度方向的编号；M — 中子角通量密度方向的最大编号； — 第g个能群，第m个方向的中子角通量密度；步骤3：基于步骤2得到的中子通量密度，求解核素燃耗方程，如公式（3）所示，得到由燃耗导致的钚核子密度改变速率及除钚核素外的核素的核子密度；
（3）其中，t — 时间；i —除钚核素外的核素编号；N
i
(t) — 第i个核素的核子密度；— 第i个核素的衰变常数；— 第i个核素的微观中子吸收截面；— 中子通量密度；j — 由衰变产生第i个核素的各个核素的编号；b
j,i — 第j核素衰变产生第i核素的衰变分支比； — 第j核素的衰变常数；N
j
(t) — 第j核素的核子密度；k — 与中子发生核反应产生第i个核素的各个核素的编号； — 第k核素产生第i核素的微观中子截面；N
k
(t) — 第k个核素的核子密度；N
Pu...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宙宇，许晓北，邵世豪，吴宏春，曹良志，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：