一种Zr元素迁移及重分布的计算方法、系统、介质及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种Zr元素迁移及重分布的计算方法、系统、介质及设备。所述方法基于固定Pu含量的U

【技术实现步骤摘要】
一种Zr元素迁移及重分布的计算方法、系统、介质及设备


[0001]本专利技术涉及核反应堆燃料棒热力性能分析领域，尤其涉及一种U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内Zr元素迁移并重分布的计算方法、系统、介质及设备。

技术介绍

[0002]传统的核反应堆分为热中子堆(Thermal neutron reactor)和快中子堆(Fast neutron reactor)，目前应用最广泛最成熟的是属热中子堆类型的压水堆(Pressurize Water Reactor,PWR)，然而压水堆会产生大量的核废料，核燃料利用效率较低。而快中子堆具有功率大，单位之间内释放热量多的特点，且使用快中子堆可以充分利用自然界中的核燃料，相较于传统的压水堆，快中子堆在防止核扩散方面具有更加优异的性能，以钠冷快堆(Sodium
‑
cooled Fast Reactor,SFR)、铅冷快堆(Lead
‑
cooled Fast Reactor,LFR)为典型代表。为了防止快堆中燃料的整体温度过高而导致的燃料熔融以及包壳失效等现象的发生，需要使用高温下热力性能较好的燃料。其中，金属燃料具有热导率、热容随温度的上升而增加的特性，因此具有优良的热力性能，其中以U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料为代表。然而，金属燃料在快中子堆中的服役行为伴随着复杂的物理化学过程，其中以三元金属燃料在服役过程中会出现内部Zr元素迁移并重分布的现象最为重要，该现象在较大程度上影响金属燃料的热容及热导率，进而较大程度地影响燃料棒在整个核反应堆运行期间的燃料性能。目前尚未存在对U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内Zr元素迁移的计算方法，因而，有必要提出一种可靠、准确的U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内部Zr元素迁移以及重分布的计算方法。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术第一目的在于提供一种U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内Zr元素迁移并重分布的计算方法，采用斐克定律、索瑞效应(热致扩散现象)与热传导全耦合计算的方式，计算各个时刻Zr元素在燃料芯块内的浓度分布燃料芯块以及包壳的温度分布，并同时考虑了针对Zr元素迁移速率的修正方法，获得准确可靠的计算结果。
[0004]本专利技术的第二目的在提供一种U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内Zr元素迁移并重分布的计算系统。
[0005]本专利技术的第三目的在于提供一种存储介质。
[0006]本专利技术的第四目的在于提供一种计算设备。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供的一种U
‑
Pu
‑
Zr三元金属燃料内Zr元素迁移并重分布的计算方法，采用一维非稳态热传导方程计算燃料芯块及包壳的温度分布，采用斐克定律及索瑞效应(热致扩散现象)计算Zr元素在燃料芯块内的浓度分布，具体包括下述步骤：
[0008](1)确定所述金属燃料中U、Pu、Zr在所述金属燃料中的初始浓度百分比，并查阅得到在该Pu含量下的U
‑
Zr伪二元相图；
[0009](2)基于所述金属燃料的燃料芯块线功率以及燃料芯块、包壳及燃料芯块与包壳之间间隙的物理性质计算各个时刻燃料芯块与包壳的温度分布；
[0010](3)基于所述金属燃料的燃料芯块中的温度分布以及所述U
‑
Zr伪二元相图，建立对燃料芯块中各个时刻各个位置的合金相判断准则，获得合金相的分布；
[0011](4)基于金属燃料中燃料芯块的各个时刻及位置的合金相的分布，采用在不同的U
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Pu
‑
Zr元素相状态下，Zr金属的斐克定律以及热致扩散经验公式，对Zr的扩散及重分布过程进行计算，得到燃料芯块内各个时刻、各个位置的Zr浓度分布。
[0012]作为优选的技术方案，所述金属燃料内燃料芯块、包壳以及芯块与包壳之间的间隙的传热计算，具体计算公式为：
[0013][0014]其中，ρ为材料的密度，C
p
为燃料芯块或包壳的热容，T
*
为未修正的燃料芯块或包壳的温度，τ为时间，k为燃料芯块或包壳的热导率，r为距燃料芯块中心线的距离，q为单位体积的燃料芯块产热速率。公式(1)用于计算燃料芯块内的传热过程以及温度分布，而对于包壳及燃料芯块与包壳之间间隙的传热过程及温度分布，由于没有热源，因此公式(1)中的源项q舍去。
[0015]作为优选的技术方案，进行传热计算的温度修正，将计算所得到的温度降低58K，从而将相转变温度相对提高58K：
[0016]T＝T
*
‑
58K
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]公式(1)及公式(2)采用COMSOL中的固体传热模块进行计算。
[0018]作为优选的技术方案，根据金属燃料芯块中所含的固定Pu浓度下的U
‑
Pu
‑
Zr元素，建立该U
‑
Pu
‑
Zr元素的相判别准则，并依据该判别准则确定在各个时刻，燃料芯块的各个位置处的U
‑
Pu
‑
Zr元素相。具体步骤如下：
[0019](1)确定所需计算金属燃料所使用U
‑
Pu
‑
Zr元素中的Pu浓度，依据该Pu浓度查阅相关U
‑
Zr伪二元相图；
[0020](2)依据在(1)步骤中查阅到的U
‑
Zr伪二元相图，确定Zr的相种类(α相、β相
……
等等)，并确定U
‑
Pu
‑
Zr元素处于各相所需满足的条件，如：
[0021]①
若单独的满足某一条件或满足某些条件的组合(条件一、条件二
……
；条件组合a、条件组合b
……
)，则U
‑
Pu
‑
Zr元素处于α相。
[0022]②
若单独的满足某一条件或满足某些条件的组合(条件A、条件B
……
；条件组合Ⅰ、条件组合
Ⅱ……
)，则U
‑
Pu
‑
Zr元素处于β相。
[0023]……
[0024]类似上述，对于U
‑
Pu
‑
Zr元素的每一种相，都确定U
‑
Pu
‑
Zr元素处于该相需要满足的条件。
[0025]作为优选的技术方案，计算所得的各个时刻下所述燃料芯块各处的合金相分布，确定该处在该时刻的Zr的迁移速率以及迁移方向，Zr在金属燃料芯块中处于非稳态扩散状态，其扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三元金属燃料内Zr元素迁移及重分布的计算方法，其特征在于，所述金属燃料中包含有U、Pu、Zr三种金属元素，且Pu元素被认为含量固定、不进行扩散，所述方法具体包括以下步骤：(1)确定所述金属燃料中U、Pu、Zr在所述金属燃料中的初始浓度百分比，并查阅得到在该Pu含量下的U
‑
Zr伪二元相图；(2)基于所述金属燃料的燃料芯块线功率以及燃料芯块、包壳及燃料芯块与包壳之间间隙的物理性质计算各个时刻燃料芯块与包壳的温度分布；(3)基于所述金属燃料的燃料芯块中的温度分布以及所述U
‑
Zr伪二元相图，建立对燃料芯块中各个时刻各个位置的合金相判断准则，获得合金相的分布；(4)基于金属燃料中燃料芯块的各个时刻及位置的合金相的分布，采用在不同的U
‑
Pu
‑
Zr元素相状态下，Zr金属的斐克定律以及热致扩散经验公式，对Zr的扩散及重分布过程进行计算，得到燃料芯块内各个时刻、各个位置的Zr浓度分布。2.根据权利要求1所述的一种三元金属燃料内Zr元素迁移及重分布的计算方法，其特征在于，所述金属燃料内燃料芯块、包壳以及芯块与包壳之间的间隙的传热计算，具体计算公式为：式中，ρ为材料的密度，C
p
为燃料芯块或包壳的热容，T
*
为未修正的燃料芯块或包壳的温度，τ为时间，k为燃料芯块或包壳的热导率，r为距燃料芯块中心线的距离，q为单位体积的燃料芯块产热速率；其中，公式(1)用于计算燃料芯块内的传热过程以及温度分布，而对于包壳及燃料芯块与包壳之间间隙的传热过程及温度分布，由于没有热源，因此公式(1)中的源项q舍去。3.根据权利要求1所述的一种三元金属燃料内Zr元素迁移及重分布的计算方法，其特征在于，步骤(2)中，还对三元合金的相转变温度进行了修正，将相转变温度提高了58K，即式中，T
*
为未修正的燃料芯块或包壳的温度，T为修正后的温度，K为单位，开尔文。4.根据权利要求1所述的一种三元金属燃料内Zr元素迁移及重分布的计算方法，其特征在于，步骤(4)中，Zr在燃料芯块中处于非稳态扩散状态，Zr元素的扩散方程为：式中，c
Zr
为Zr元素的浓度，D(c
Zr
,T)为Zr元素的斐克定律扩散系数，S(c
Zr
,T)为Zr元素热致扩散的扩散系数，为浓度梯度，为温度梯度，为哈密顿算子。5.根据权利要求4所述的一种三元金属燃料内Zr元素迁移及重分布的计算方法，其特征在于，采用斐克定律以及热致扩散经验公式对扩散方程进行求解：对于单相区：
式中，D
π
(c
Zr
,T)代表π相的斐克定律扩散速率，π代指合金所可能处于的任意相，D
oπ
为扩散指前因子，oπ代表π相的斐克定律扩散指前因子，Q
π
为扩散活化能，R代表标准状况下的通用气体常数，S
π
(c
Zr
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣，刘胜禹，韩慧云，杨丽雯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：