一種超臨界水堆堆芯三維瞬態性能分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及核反應堆設計研究領域，尤其涉及一種超臨界水堆堆芯三維瞬態性能 分析方法。
【背景技術】
[0002] 超臨界水堆（SCWR)的運行工況在水的熱力學臨界點（374°C，22. IMPa)以上，系統 熱效率高，經濟性好，但同時，與常規水冷堆相比，超臨界水堆運行參數大幅提高，并且堆芯 結構和冷卻劑流程相對復雜，帶來大量的堆芯物理、熱工-水力以及安全分析等技術難題， 其中，強烈的核熱耦合特性是超臨界水堆堆芯設計與性能分析的關鍵技術難題之一。
[0003] 超臨界水堆的反應性異常事件中，大多數與控制棒動作相關，控制棒動作異常事 件將引起超臨界水堆堆芯功率分布畸變，伴隨著強烈的物理與熱工-水力耦合效應，功率分 布變化將直接影響超臨界水堆燃料最大包殼溫度，而包殼溫度不超限是超臨界水堆非常重 要的瞬態安全分析準則，對于功率分布異常事件，點堆或一維的中子動力學模型無法正確 描述功率的空間分布，無法準確計算功率隨時間的變化，為保證計算的包絡性，就必須引入 大量的保守性假設，此外，超臨界水堆由于本身就具備強核熱耦合特性，其反應性及功率分 布異常事件的瞬態過程更加復雜，而保守方法不能提供其真實的響應過程，這使得設計人 員難以對反應性異常事件進行深入的研究和分析，只有耦合三維中子時空動力學與熱工-水力學進行瞬態過程分析，才能準確描述物理與熱工-水力之間的反饋，提供較精確的三維 功率分布，真實地模擬超臨界水堆的瞬態過程和事故過程。
[0004] 現有技術中，對于超臨界水堆功率分布異常事件，國際上采用的瞬態分析方法，其 中子動力學部分采用點堆或一維模型，并不具備堆芯核熱耦合三維功率計算能力，難以真 實或精確地模擬例如反應性及功率分布異常事件的瞬態過程。
[0005] 綜上所述，本申請發明人在實現本申請實施例中發明技術方案的過程中，發現上 述技術至少存在如下技術問題：
[0006] 在現有技術中，現有的超臨界水堆功率分布瞬態分析方法存在不具備堆芯核熱耦 合三維功率計算能力，難以真實或精確地模擬例如反應性及功率分布異常事件的瞬態過程 的技術問題。
【發明內容】
[0007] 本發明提供了一種超臨界水堆堆芯三維瞬態性能分析方法，解決了現有的超臨界 水堆功率分布瞬態分析方法存在不具備堆芯核熱耦合三維功率計算能力，難以真實或精確 地模擬例如反應性及功率分布異常事件的瞬態過程的技術問題，實現了能夠準確描述物理 與熱工-水力之間的反饋，提供較精確的堆芯三維功率分布，真實地模擬超臨界水堆的瞬態 過程和事故過程的技術效果。
[0008] 為解決上述技術問題，本申請實施例提供了一種超臨界水堆堆芯三維瞬態性能分 析方法，所述方法包括：
[0009] 步驟1:超臨界水堆堆芯三維穩態物理-熱工水力耦合模塊執行堆芯穩態計算，堆 芯燃料管理模塊向子通道熱工-水力模塊提供功率參數，子通道熱工-水力模塊向堆芯燃料 管理模塊提供熱工參數，執行迭代耦合計算直至堆芯穩態功率參數和熱工參數收斂；
[0010] 步驟2:堆芯三維穩態物理-熱工水力耦合模塊向超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊提供堆芯初始狀態和組件截面庫；
[0011] 步驟3:超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊執行瞬態計算，三維中 子時空動力學模塊向子通道熱工-水力模塊提供功率參數，子通道熱工-水力模塊向三維中 子時空動力學模塊提供熱工參數，執行迭代耦合計算直至堆芯瞬態功率參數和熱工參數收 斂；
[0012] 步驟4:在堆芯計算中對熱組件進行功率重構得到熱組件柵元尺度的精細功率分 布，再次利用子通道熱工-水力模塊進行熱組件子通道分析，最終給出安全評價關鍵參數；
[0013] 步驟5:判斷所述安全評價關鍵參數是否超過相應的瞬態或事故安全限值，評價超 臨界水堆堆芯在瞬態過程下的安全性能。
[0014] 進一步的，所述安全評價關鍵參數包括:最大包殼壁面溫度、芯塊熱焓。
[0015] 進一步的，在堆芯三維中子學計算中使用少群截面，少群截面關于熱工參數及預 設參數的變化采用分段插值的方式預先加工成截面庫供堆芯三維中子學模塊使用，所述預 設參數包括:燃料組件燃耗、有無控制棒。
[0016] 進一步的，所述執行迭代耦合計算直至堆芯穩態功率參數和熱工參數收斂具體包 括：
[0017]開始；
[0018] 讀取輸入文件，初始化組件少群截面、堆芯中子通量；
[0019] 進行子通道熱工模塊穩態計算；
[0020] 進行更新截面；
[0021] 進行三維中子學模塊穩態計算；
[0022] 進行子通道熱工模塊穩態計算；
[0023] 判斷堆芯功率分布是否收斂，若否則返回步驟重新進行更新截面;若是則穩態計 算結束，進入瞬態計算。
[0024]進一步的，所述超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊執行瞬態計算 具體包括：
[0025]開始瞬態計算；
[0026] 進行時間步更新，準備η時刻的初值；
[0027] 進行子通道熱工模塊瞬態計算一個時間步；
[0028]進行更新截面；
[0029]進行三維中子時空動力學模塊瞬態計算第一個時間步；
[0030]判斷堆芯功率分布是否收斂，若否則返回執行時間步更新，準備η時刻的初值;若 是則η = η+1;判斷tn是否小于Τ，其中，tn為第η時步對應時間，Τ為預先指定的瞬態計算至Τ 時刻，若是則返回執行時間步更新，準備η時刻的初值;若否則計算結束。
[0031]進一步的，所述超臨界水堆堆芯三維穩態物理-熱工水力耦合模塊執行堆芯穩態 計算和所述超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊執行瞬態計算，均采用相同 的空間求解方法:第二類邊界條件節塊格林函數方法。這樣以保證三維穩態-瞬態計算分析 過程中中子學計算的自洽性。
[0032] 進一步的，所述執行堆芯三維瞬態物理計算的三維中子時空動力學模塊采用的時 間離散方法為向后歐拉方法。其中，向后歐拉方法具備絕對-穩定性，并且便于程序的串行 親合開發。
[0033] 本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點： [0034]由于采用了將超臨界水堆堆芯三維瞬態性能分析方法設計為包括:步驟1:超臨界 水堆堆芯三維穩態物理-熱工水力耦合模塊執行堆芯穩態計算，堆芯燃料管理模塊向子通 道熱工-水力模塊提供功率參數，子通道熱工-水力模塊向堆芯燃料管理模塊提供熱工參 數，執行迭代耦合計算直至堆芯穩態功率參數和熱工參數收斂;步驟2:堆芯三維穩態物理-熱工水力耦合模塊向超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊提供堆芯初始狀態 和組件截面庫;步驟3:超臨界水堆堆芯三維瞬態物理-熱工水力耦合模塊執行瞬態計算，三 維中子時空動力學模塊向子通道熱工-水力模塊提供功率參數，子通道熱工-水力模塊向三 維中子時空動力學模塊提供熱工參數，執行迭代耦合計算直至堆芯瞬態功率參數和熱工參 數收斂;步驟4:在堆芯計算中對熱組件進行功率重構得到熱組件柵元尺度的精細功率分 布，再次利用熱工模塊進行熱組件子通道分析，最終給出安全評價關鍵參數;步驟5:判斷所 述安全評價關鍵參數是否超過相應的瞬態或事故安全限值，評價超臨界水堆堆芯在瞬態過 程下的安全性能的技術方案，即通過耦合三維中子時空動力學與熱工-水力學進行瞬態過 程分析，中子動力學部分采用三維模型，使其具備堆芯核熱耦合三維功率計算能力，實現超 臨界水堆堆芯三維瞬態分析的技術效果;所以，有效解決了現有的超臨界水堆功率分布瞬 態分析方法存在不具備堆芯核熱耦合三維功率計算能力，難以真實或精確地模擬例如反應 性及功率分布異常事件的瞬態過程的技術問題，實現了通過建立堆芯三維穩態-瞬態物理-熱工水力耦合計算流程，能夠準確描述物理與熱工-水力之間的反饋，提供較精確的堆芯三 維功率分布，真實地模擬超臨界水堆的瞬態過程和事故過程的技術效果。
[0035] 進一步的，本方法可以真實地模擬超臨界水堆堆芯瞬態過程，提高對超臨界水堆 堆芯瞬態工況的認識，更加精確的估計安全裕量，改善堆芯設計并提高堆芯性能。
【附圖說明】
[0036] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本 發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作 為對本發明的限定。
[0037]圖1為超臨界水堆堆芯三維