[发明专利]反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法

说明书

反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法,步骤如下：采用伪二元化简化的熔融物系统，利用耦合了流体力学方程纳维‑斯托克斯方程和相场方程卡恩‑希利亚德方程的方程组作为分层熔池瞬态演变过程中瑞利‑泰勒不稳定现象的控制方程；推导计算求解卡恩‑希利亚德方程所需要的自由能关系，化学势关系，化学迁移率和梯度自由能系数；利用涡量‑流函数方法对纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组进行数值离散，利用伪谱方法求解方程组，求解之前对方程组中所有的非光滑项光滑化；利用熔池瞬态相变模拟软件执行数值运算，模拟出完整的熔池瞬态相变过程并可视化。

技术领域

本发明属于反应堆严重事故现象计算领域，具体涉及反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法。

背景技术

严重事故下，堆芯熔融，熔融物穿过下栅格板在堆芯下腔室重定位，出现反应堆熔池。熔融物包容策略被认为是一项有效的事故缓解策略，在该策略下，熔池衰变热的转移通过冷却外壁面实现。熔池主要由铀，氧，锆，铁四种元素组成，由于熔池元素间存在相变间隙，熔池被认为会出现相分离行为，并在热化学相互作用下出现双层或者三层的构型，由于实验条件的严苛性，多层熔池的瞬态演化数值模拟对IVR的安全性评估至关重要。

最近几年，国内在严重事故研究方面开始投入较多的人力和物力，并取得了很多研究成果，但是与核工业发达国家相比，我国对严重事故的研究相对不足，尤其是严重事故下熔池的瞬态相变模拟仍然是一片空白。目前我国尚没有具有自主知识产权的反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟软件。而开发反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟软件对我国核电安全分析有着重要的意义，它能通过对熔池内在相变机理的探究对IVR的安全性分析提供重要参考。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法，本发明的原理基于材料学的相场模型，计算流体力学基本方程和熔体元素的热力学相关理论，结合伪谱方法这一高精度的数值解法，利用已开发的熔池瞬态相变模拟软件MPTPC_I执行数值运算，完成了反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：熔池瞬态相变过程控制方程开发：采用伪二元化简化的熔融物系统，利用铁的元素浓度指示铀、氧、锆、铁四元系统的相场分布并利用耦合了流体力学方程纳维-斯托克斯方程和相场方程卡恩-希利亚德方程的方程组作为分层熔池瞬态演变过程中瑞利-泰勒不稳定现象的控制方程，其中纳维-斯托克斯方程基于布辛涅司克近似；

步骤二：计算纳维-斯托克斯-卡恩-希利亚德方程组求解所需的热工水力参数。基于四元系统的热力学数据，计算化学迁移率M和梯度自由能系数κ；通过伪二元化简化的熔融物系统中铁浓度c与自由能f的关系f(c)计算自由能f，通过双势阱型的化学势关系μ(c)计算化学势μ；对分段线性的伪二元化简化的熔融物系统的密度和浓度关系p(c)光滑化处理；

步骤三：利用涡量-流函数方法对纳维-斯托克斯-卡恩-希利亚德方程组进行数值离散与求解，纳维-斯托克斯-卡恩-希利亚德方程组采用半隐式离散格式，时间离散采用一阶离散；对离散方程求解时，线性项直接投影到傅里叶空间计算，非线性项则先在物理空间中计算后利用快速傅里叶变换算法投影到傅里叶空间；每个时间步在傅里叶空间中计算出流体的涡量和铁浓度的谱系数；利用快速傅里叶逆变换算法将傅里叶空间中的变量的谱系数重新投影回物理空间；对每一个时间步计算得到的c绘图使得熔池的相变可视化；

步骤四：利用熔池瞬态相变模拟软件执行数值运算，模拟出完整的熔池瞬态相变过程并可视化：首先在每个时间步将铁浓度和涡量投影到傅里叶空间，在傅里叶空间中求解下一个时间步的铁浓度和涡量的谱系数，将计算出的铁浓度和涡量的谱系数从傅里叶空间中投影回物理空间得到此时铁的浓度和涡量，并绘制铁浓度的空间分布指示熔池的相变过程。

本发明与现有技术对比，具有如下优点：