用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，屬于核電廠設(shè)計(jì)與反應(yīng)堆安全分析領(lǐng)域，適用于超臨界水堆，具體為，利用雙群時(shí)空動(dòng)力學(xué)方程的時(shí)空離散求解，建立瞬態(tài)物理分析程序；通過通道之間的流量分配計(jì)算和各個(gè)通道內(nèi)部流動(dòng)換熱求解，建立瞬態(tài)熱工分析程序；在此基礎(chǔ)上，將物理計(jì)算程序嵌入至瞬態(tài)系統(tǒng)分析程序，建立超臨界瞬態(tài)耦合分析程序，分析系統(tǒng)的安全性。特別是利用雙群中子時(shí)空動(dòng)力學(xué)方程建立的時(shí)空動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)靜態(tài)解法模型與多通道分析方法相結(jié)合，能在保證精度的基礎(chǔ)上，又較子通道模型有效的減少了計(jì)算時(shí)間，進(jìn)而提高超臨界水堆設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，符合安全分析的發(fā)展趨勢。
【專利說明】用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核電廠設(shè)計(jì)與反應(yīng)堆安全分析領(lǐng)域，具體的涉及用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超臨界水堆是在第四代核能系統(tǒng)國際研討會(huì)上，被GIF (第四代國際核能論壇)選定的作為長遠(yuǎn)開發(fā)目標(biāo)的六種堆型之一，也是唯一被選定的輕水堆型。循環(huán)工質(zhì)在吸收核裂變熱之后，直接進(jìn)入汽輪機(jī)做功，從而實(shí)現(xiàn)核能向熱能、熱能再向動(dòng)力能的轉(zhuǎn)變過程。為確保核能、流體動(dòng)能安全地轉(zhuǎn)換成動(dòng)力能，堆芯內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換與流動(dòng)換熱非常關(guān)鍵，而對于采用直流循環(huán)設(shè)計(jì)的超臨界水堆則要求更高。
[0003]超臨界水堆目前依然面臨諸多難題，核熱耦合作用就是其中之一。水在超臨界條件下的物態(tài)表現(xiàn)與在亞臨界條件下的物態(tài)表現(xiàn)完全不同。雖然水在超臨界條件下是單相流體，但它的物性變化非常劇烈，而且這么大的物性變化往往會(huì)集中在一個(gè)較小的幾何尺度內(nèi)。極端的物性變化會(huì)引發(fā)局部慢化劑密度的不均勻性大大超過了常規(guī)壓水堆工況，局部水鈾比易受擾動(dòng)，從而不可避免地引起其堆芯物理特性發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致堆芯局部反應(yīng)性及功率的擾動(dòng)，從而進(jìn)一步引起堆芯流動(dòng)工質(zhì)溫度及物性的急劇變化，形成異于常規(guī)壓水堆強(qiáng)烈的反饋特性，核熱耦合作用可能誘發(fā)堆芯穩(wěn)定性問題。
[0004]所以，確保核反應(yīng)堆工作時(shí)核熱耦合的安全性十分重要，對于安全性的控制和分析也是迫切需要解決的問題，而安全控制的重點(diǎn)在于超臨界水堆耦合計(jì)算程序。
[0005]迄今為止，國內(nèi)外圍繞超臨界水堆耦合計(jì)算程序建立而進(jìn)行了一些工作。
[0006]國外研究學(xué)者多采用程序開發(fā)手段。截止目前，已經(jīng)開展了一定的超臨界水堆物理-熱工耦合工作，并給出可行性驗(yàn)證和應(yīng)用分析。例如，2005年，Yamaji A.等開發(fā)了適用于高溫超臨界水堆SCLWR-H的三維核熱耦合計(jì)算程序，并將其用于三維堆芯計(jì)算。它包含一維單通道熱工分析程序SPROD和三維中子物理計(jì)算程序C0REBN。2006年，Yoo J.等開發(fā)了適用于超臨界水冷快堆SWFR的三維核熱耦合計(jì)算程序，它包含三維擴(kuò)散程序SRAC與單通道熱工水力計(jì)算程序。將燃料組件的所有冷卻劑通道平均近似，一個(gè)代表平均燃料棒通道，一個(gè)代表熱通道。隨后，Reiss T.和Monti L.等開發(fā)了超臨界水堆穩(wěn)態(tài)耦合程序，并建立了 ERANOS/TRACE/CFD多尺度耦合分析程序，用于滿功率穩(wěn)態(tài)工況下HPLWR全堆芯物理與熱工稱合計(jì)算。
[0007]國內(nèi)研究學(xué)者更多地開展了很多系統(tǒng)程序改進(jìn)方面的工作，并逐漸深入至核熱耦合的研究。例如，2009年，胡珀，楊燕華等對堆芯計(jì)算程序PARCS和熱工水力程序RELAP5進(jìn)行了適應(yīng)性改造，應(yīng)用于美國超臨界水堆系統(tǒng)分析。2010年，單建強(qiáng)等借助MCNP中子物理計(jì)算程序和ATHAS子通道熱工分析程序，開發(fā)了穩(wěn)態(tài)耦合程序，應(yīng)用于加拿大超臨界水堆系統(tǒng)分析。它采用對計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器性能要求很高的外耦合方式，具備復(fù)雜集合體建模、連續(xù)能量精確求解、多維熱工計(jì)算的能力。2009年，劉曉晶、程旭等基于子通道熱工分析程序COBRA-1V和物理計(jì)算程序SKETCH-N建立了中子物理與熱工水力耦合分析模型，應(yīng)用于雙排燃料組件分析。耦合界面利用數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)。由上海交通大學(xué)牽頭、程旭擔(dān)任首席科學(xué)家的973計(jì)劃“超臨界水堆關(guān)鍵科學(xué)問題的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目”研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的超臨界水堆核熱耦合程序開發(fā)工作。其中，清華大學(xué)王侃、張鵬等采用蒙特卡洛方法，進(jìn)行了超臨界水堆三維物理計(jì)算以及物理-熱工耦合研究；上海核工程研究設(shè)計(jì)院廖成奎、上海交通大學(xué)張少泓等結(jié)合超臨界水熱質(zhì)傳輸特性研究，進(jìn)行了超臨界水堆核熱耦合行為研究。2010年，中國核動(dòng)力院安萍、姚棟等開發(fā)了核熱耦合程序MCATHAS，應(yīng)用于歐洲超臨界水堆燃料組件分析；2009年，上海交通大學(xué)劉占權(quán)等提出了美國超臨界水堆的一維穩(wěn)態(tài)耦合模型；2011年，西安交通大學(xué)楊萍、曹良志等建立了超臨界水堆三維中子物理熱工耦合模型，應(yīng)用于加拿大超臨界坎杜堆的堆芯設(shè)計(jì)。華北電力大學(xué)周濤團(tuán)隊(duì)成員劉曉壯、李臻洋、孫燦輝、陳娟、羅峰、王晗丁也建立了超臨界水堆熱工分析程序TH-02、組件中子物理計(jì)算程序DRAD,并進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)核熱耦合分析。
[0008]上述各種方法中，蒙特卡羅計(jì)算模型具有強(qiáng)大的幾何處理功能及連續(xù)能量中子截面庫的應(yīng)用，但影響其廣泛應(yīng)用的最主要原因是其計(jì)算耗時(shí)長，效率較低。而子通道模型雖然計(jì)算精確，但其同樣存在計(jì)算耗時(shí)長，程序過于復(fù)雜的問題。單通道的計(jì)算模型雖說程序簡單，計(jì)算速度較高，但是計(jì)算精度有所欠缺，使得用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析方法和裝置仍有所欠缺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服上述問題，本發(fā)明人對現(xiàn)有的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析方法和計(jì)算裝置進(jìn)行了銳意研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過設(shè)置一個(gè)安全控制裝置，該裝置包括瞬態(tài)物理模塊、瞬態(tài)熱工模塊、瞬態(tài)耦合模塊和瞬態(tài)分析模塊，通過瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模塊計(jì)算各個(gè)時(shí)刻的相關(guān)參數(shù)，通過瞬態(tài)耦合模塊將瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模連接起來，將瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模產(chǎn)生的數(shù)據(jù)交互傳遞，并且在傳遞過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，便于瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模的計(jì)算，更新計(jì)算的初始參數(shù)，同時(shí)，由瞬態(tài)分析模塊接收瞬態(tài)物理模塊和計(jì)算瞬態(tài)熱工模計(jì)算出的數(shù)據(jù)，并用來系統(tǒng)的安全分析，以保證整個(gè)反應(yīng)堆的安全，從而完成本發(fā)明。
[0010]本發(fā)明的目的在于提供以下方面:
[0011](I) 一種用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，該裝置包括:瞬態(tài)物理模塊、瞬態(tài)熱工模塊、瞬態(tài)耦合模塊和瞬態(tài)分析模塊；
[0012]瞬態(tài)物理模塊，在啟動(dòng)后的第一個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)物理模塊接收從穩(wěn)態(tài)物理裝置傳遞來的信息，所述信息包括中子通量分布信息、中子密度信息和中子價(jià)值信息，根據(jù)接收到的信息計(jì)算得到軸向功率分布信息，并傳出所述軸向功率分布信息和計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括中子通量分布信息、先驅(qū)核濃度信息和功率值信息；在第一個(gè)大時(shí)間步長結(jié)束后，在第二個(gè)或其后的大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)物理模塊接收從瞬態(tài)耦合模塊傳遞來的信息，所述信息包括中子通量分布信息、中子密度信息和中子價(jià)值信息，根據(jù)接收到的信息計(jì)算得到軸向功率分布信息，并傳出所述軸向功率分布信息和計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括中子通量分布信息、先驅(qū)核濃度信息和功率值信息，進(jìn)入下一個(gè)大時(shí)間步長時(shí)重復(fù)該過程；
[0013]瞬態(tài)熱工模塊，在啟動(dòng)后的第一個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)熱工模塊接收穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息，所述穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息包括穩(wěn)態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，根據(jù)接收到的穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并傳出計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息以及計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度；在第一個(gè)大時(shí)間步長結(jié)束后，在第二個(gè)或其后的大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)熱工模塊接收從瞬態(tài)耦合模塊傳遞來的瞬態(tài)熱工參數(shù)信息，所述瞬態(tài)熱工參數(shù)信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，根據(jù)接收到的瞬態(tài)熱工參數(shù)信息計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并傳出計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息以及計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，進(jìn)入下一個(gè)大時(shí)間步長時(shí)重復(fù)該過程；
[0014]瞬態(tài)耦合模塊，其用于接收每個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模塊傳出信息，對接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)信息分別傳給瞬態(tài)熱工模塊和瞬態(tài)物理模塊；
[0015]瞬態(tài)分析模塊，其用于接收瞬態(tài)物理模塊在每個(gè)大時(shí)間步長輸出的軸向功率分布信息和瞬態(tài)熱工模塊在每個(gè)大時(shí)間步長輸出的工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并將接收到的信息與安全系數(shù)信息進(jìn)行比較，若接收到的信息超出允許的安全范圍，發(fā)出指令控制降低反應(yīng)堆反應(yīng)速率，并報(bào)警；若接收到的信息在允許的安全范圍內(nèi)，待接收到下一個(gè)大時(shí)間步長的信息后繼續(xù)與安全系數(shù)信息進(jìn)行比較。
[0016](2)根據(jù)上述(I)所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，在瞬態(tài)物理模塊中，軸向功率分布通過包括如下步驟的過程計(jì)算得到:
[0017]第一步，計(jì)算出小時(shí)間步長下不同時(shí)刻的堆芯裂變總功率，包括以下子步驟:
[0018]a.設(shè)定中子通量密度僅沿堆芯軸向變化，建立如下雙群中子時(shí)空動(dòng)力學(xué)方程(I)和(II):
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，該裝置包括:瞬態(tài)物理模塊、瞬態(tài)熱工模塊、瞬態(tài)耦合模塊和瞬態(tài)分析模塊； 瞬態(tài)物理模塊，在啟動(dòng)后的第一個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)物理模塊接收從穩(wěn)態(tài)物理裝置傳遞來的信息，所述信息包括中子通量分布信息、中子密度信息和中子價(jià)值信息，根據(jù)接收到的信息計(jì)算得到軸向功率分布信息，并傳出所述軸向功率分布信息和計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括中子通量分布信息、先驅(qū)核濃度信息和功率值信息；在第一個(gè)大時(shí)間步長結(jié)束后，在第二個(gè)或其后的大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)物理模塊接收從瞬態(tài)耦合模塊傳遞來的信息，所述信息包括中子通量分布信息、中子密度信息和中子價(jià)值信息，根據(jù)接收到的信息計(jì)算得到軸向功率分布信息，并傳出所述軸向功率分布信息和計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括中子通量分布信息、先驅(qū)核濃度信息和功率值信息，進(jìn)入下一個(gè)大時(shí)間步長時(shí)重復(fù)該過程； 瞬態(tài)熱工模塊，在啟動(dòng)后的第一個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)熱工模塊接收穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息，所述穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息包括穩(wěn)態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，根據(jù)接收到的穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)信息計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并傳出計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息以及計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度；在第一個(gè)大時(shí)間步長結(jié)束后，在第二個(gè)或其后的大時(shí)間步長內(nèi)，所述瞬態(tài)熱工模塊接收從瞬態(tài)耦合模塊傳遞來的瞬態(tài)熱工參數(shù)信息，所述瞬態(tài)熱工參數(shù)信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，根據(jù)接收到的瞬態(tài)熱工參數(shù)信息計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并傳出計(jì)算得到工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息以及計(jì)算過程中得到的中間過程信息，所述中間過程信息包括瞬態(tài)工況下的燃料芯塊溫度、包殼表面溫度、冷卻劑溫度、慢化劑溫度、冷卻劑密度和慢化劑密度，進(jìn)入下一個(gè)大時(shí)間步長時(shí)重復(fù)該過程； 瞬態(tài)耦合模塊，其用于接收每個(gè)大時(shí)間步長內(nèi)，瞬態(tài)物理模塊和瞬態(tài)熱工模塊傳出信息，對接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)信息分別傳給瞬態(tài)熱工模塊和瞬態(tài)物理模塊； 瞬態(tài)分析模塊，其用于接收瞬態(tài)物理模塊在每個(gè)大時(shí)間步長輸出的軸向功率分布信息和瞬態(tài)熱工模塊在每個(gè)大時(shí)間步長輸出的工質(zhì)溫度分布信息和工質(zhì)密度分布信息，并將接收到的信息與安全系數(shù)信息進(jìn)行比較，若接收到的信息超出允許的安全范圍，發(fā)出指令控制降低反應(yīng)堆反應(yīng)速率，并報(bào)警；若接收到的信息在允許的安全范圍內(nèi)，待接收到下一個(gè)大時(shí)間步長的信息后繼續(xù)與安全系數(shù)信息進(jìn)行比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，在瞬態(tài)物理模塊中，軸向功率分布通過包括如下步驟的過程計(jì)算得到: 第一步，計(jì)算出小時(shí)間步長下不同時(shí)刻的堆芯裂變總功率，包括以下子步驟: a.設(shè)定中子通量密度 僅沿堆芯軸向變化，建立如下雙群中子時(shí)空動(dòng)力學(xué)方程(I)和(II):
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，在瞬態(tài)熱工模塊中，工質(zhì)溫度分布和工質(zhì)密度分布通過包括如下步驟的過程計(jì)算得到: 第一步，建立瞬態(tài)流量分配計(jì)算模型，進(jìn)行流量分配； 第二部，計(jì)算各個(gè)通道的總壓降，以面積為權(quán)重求解所有通道的平均壓降，其計(jì)算公式如下述公式(XIX):
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，建立瞬態(tài)流量分配計(jì)算模型的過程包括如下步驟: 將動(dòng)量守恒方程(XXIII)沿通道長度進(jìn)行積分，得到各冷卻劑通道內(nèi)部的通道流量瞬態(tài)變化方程組(XXVI):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，瞬態(tài)核熱耦合模塊包括中子截面數(shù)據(jù)庫， 中子截面數(shù)據(jù)庫接 收瞬態(tài)物理模塊計(jì)算得到的中子通量分布信息，根據(jù)中子通量分布信息計(jì)算出軸向功率分布信息，并將軸向功率分布信息輸入至瞬態(tài)熱工模塊； 中子截面數(shù)據(jù)庫接收瞬態(tài)熱工模塊計(jì)算得到的軸向冷卻劑溫度分布信息、慢化劑溫度分布信息，根據(jù)軸向冷卻劑溫度分布信息、慢化劑溫度分布信息計(jì)算出中子截面分布信息，并將中子截面分布信息輸入至瞬態(tài)物理模塊； 中子截面數(shù)據(jù)庫接收瞬態(tài)物理模塊計(jì)算得到的幅值函數(shù)，根據(jù)幅值函數(shù)計(jì)算出總功率，并將總功率輸入至瞬態(tài)熱工模塊。 瞬態(tài)核熱耦合模塊包括中子截面數(shù)據(jù)庫，中子截面數(shù)據(jù)庫接收瞬態(tài)物理模塊傳遞的截面數(shù)值，根據(jù)截面數(shù)值計(jì)算出軸向功率分布，并向瞬態(tài)熱工模塊傳遞軸向功率分布； 中子截面數(shù)據(jù)庫接收瞬態(tài)熱工模塊傳遞的軸向工質(zhì)溫度信息和工質(zhì)密度信息，并將工質(zhì)溫度信息和工質(zhì)密度信息傳遞到瞬態(tài)物理模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置，其特征在于，安全系數(shù)信息是指燃料包殼允許達(dá)到的最大溫度、燃料芯塊中心最高溫度和最高系統(tǒng)壓力，其中，燃料包殼允許達(dá)到的最大溫度是1260°C，燃料芯塊中心允許達(dá)到的最高溫度是2590°C，系統(tǒng)壓力允許達(dá)到的最大壓力值是30.3MPa。
7.一種用于控制超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合安全的方法，其特征在于，該方法通過用于超臨界水堆瞬態(tài)核熱耦合的安全分析計(jì)算裝置實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103902784SQ201410146204
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】周濤, 陳娟, 李宇, 劉亮, 程萬旭 申請人:華北電力大學(xué)