[发明专利]一种堆芯熔化收集器的优化设计方法

权利要求书

1.一种堆芯熔化收集器的优化设计方法，其特征在于，对简化的堆芯熔化收集器进行建模，根据对称边界取部分托盘进行建模；将熔融物简化为圆柱状，初始条件设置为一盒燃料元件全部融化，从大栅格板掉落至堆芯熔化收集器顶盖及托盘；采用三维的DEM方法进行计算，在计算结果的径向上取至少10个样本点，定义无量纲不均匀度σ量化不同堆芯熔化收集器结构及尺寸对碎片床形成厚度分布的影响，包括以下步骤：

S1、根据现有堆芯熔化收集器结构以及尺寸，通过对收集器结构简化建立1:1的计算模型；

S2、采用三维的离散要素法DEM对底面托盘、通道以及通道顶盖的45°进行计算，模型的侧边设置为对称边界，熔融物与之发生碰撞后返回，采用对称边界进行计算，离散要素法DEM计算具体为：

在DEM计算模型中，根据牛顿第二定律求解每个颗粒的平移和旋转运动，搜索邻域粒子并判断粒子接触，计算粒子重合长度，采用线性的弹簧-阻尼模型计算颗粒之间以及颗粒与固体表面之间的接触力，计算法向刚度系数k_n和阻尼系数c_n，切向的刚度系数k_s和粘性系数c_s，计算颗粒与流体之间的曳力，颗粒所受浮力以及重力后，更新时间步长的受力更新粒子的速度，位置以及角速度，然后进入下一时间步计算；

S3、对于每种工况的结果，在径向方向上均匀选取至少10个样本点；

S4、定义无量纲的不均匀度σ，量化不同堆芯熔化收集器结构对碎片床形成厚度分布的影响；

S5、通过计算不同堆芯熔化收集器结构和尺寸下的σ，得出最优的堆芯熔化收集器设计。

2.根据权利要求1所述的一种堆芯熔化收集器的优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，托盘顶盖为一个圆锥形顶盖，倾角与实际保持相同，顶盖直径与通道顶盖的宽度一致，取托盘的八分之一进行建模，通道与通道顶盖的高度和半径采用实际收集器的高度和半径，模型的托盘底板保持中间高，边缘低1°倾角，托盘圆筒实际高度相同。

3.根据权利要求2所述的一种堆芯熔化收集器的优化设计方法，其特征在于，设熔融物为圆柱形，熔融物的直径为300mm，高度为80mm，计算工况选取熔融物从1500mm处掉落的情况，并且掉落位置处于堆芯熔化收集器的中心位置，选取堆芯熔化收集器的5°进行计算，模型共由325200个熔融物粒子和17960个堆芯熔化收集器粒子组成，熔融物粒子直径为1mm，密度取不锈钢与燃料的平均密度，熔融物的掉落量为1盒燃料的总质量。

4.根据权利要求1所述的一种堆芯熔化收集器的优化设计方法，其特征在于，颗粒i的平移和角速度计算如下：

其中，v_i，ω_i，m_i和I_i分别是颗粒i的平移和角速度，质量和惯量，F_i和T_i是作用在颗粒i上的合力和力矩；

对颗粒之间以及颗粒与固体表面之间的接触力采用线性的弹簧-阻尼模型计算得到：

其中，为颗粒之间接触力，为颗粒与固体表面之间的接触力，δ是颗粒之间接触点处的相对位移，k，c，μ分别是刚度，阻尼和摩擦系数，下标n和s分别代表法向和切向方向；

法向刚度系数k_n和阻尼系数c_n的计算如下：

其中，m^*是颗粒i和j的等效质量，和分别是无量纲的刚度和阻尼修正系数，Δt是时间步长，需满足

切向的刚度系数k_s和粘性系数c_s，通过以下关系式得到：

其中，ν是泊松比；

颗粒与流体之间的曳力，颗粒所受浮力以及重力计算如下：

其中，C_d是曳力系数，d_p是颗粒直径，ρ_p是颗粒密度，v是颗粒的速度，g是重力加速度。