[发明专利]一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法

说明书

一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，具体步骤如下：1、在笛卡尔坐标系下对板状核燃料进行初始建模；2，采用链表法对邻居粒子进行检索，将邻居粒子信息保存在数组内；3，显式计算动量守恒方程中的重力项、粘性项和表面张力项，得到粒子的估算速度和位置；4，计算粒子间传热，使用焓值相变模型判断粒子的相态；5，检索是否存在固体粒子之间的碰撞，使用DEM模型进行计算；6，隐式计算压力梯度项，修正粒子的速度和位置；7，输出需要的结果，推进时间步长直到模拟结束。本方法考虑了核反应堆板状燃料熔化流固耦合的所有现象，粒子法能够对熔融物自由液面进行精确捕捉，固液耦合模型能够分析熔融物和燃料微粒之间的作用。

技术领域

本发明涉及核电厂严重事故板状核燃料发生熔化时熔融物的迁徙行为的研究技术领域，具体涉及一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法。

背景技术

相较于一般核电站使用的棒状燃料元件，使用弥散颗粒压制的板状核燃料构成的核组件具有更加紧凑的结构，燃料芯体有更大的换热面积所以温度低，较高的换热效率和较深的燃耗等特点，因此被广泛的应用在一体化的反应堆、核动力反应堆和实验用研究堆中。在事故工况下，反应堆中出现如燃料元件在燃耗过深时发生辐照肿胀导致冷却剂流道变窄，而此时堆内材料碎片或异物随冷却剂的循环流入到堆芯内，就可能会引发冷却剂流道堵塞事故，造成堆芯燃料板无法被充分冷却，热量不能及时通过冷却剂带走，燃料板温度升高，进一步会导致局部冷却剂蒸干，完全裸露后的板燃料温度会急剧上升，极大的威胁了燃料包壳的完整性，甚至可能造成反射性外泄，引发严重的核事故后果。历史上，在1965年美国橡树岭研究堆发生过一起因橡胶垫片随冷却剂流入堆芯而引起的堵流事故，并最终造成一个板状燃料组件中的三块燃料板发生局部熔化。此外，由于目前为止国内外的研究主要集中在棒状核燃料的相关问题，因此对于棒状燃料元件在严重事故下的行为和机理的认识比较深入，结合已有的一些严重事故燃料和堆芯行为研究结果的机理性分析程序(如：MELCOR和SCDAP/RELAP5等)，得到了一些针对棒状燃料元件堆芯的较为准确的模拟结果，但国内外对板状核燃料元件的研究较少，已建立的模型存在相对简单、粗糙的问题，且现有的严重事故程序无法满足使用板状核燃料的反应堆严重事故分析的需求。综上所述，有必要针对板状燃料元件开展严重事故机理及关键技术的研究，为板状燃料元件核反应堆制定完善的严重事故缓解策略提供技术支持，进一步能够有针对性的制定一些防止严重事故发生的措施，减少严重事故发生的可能性和概率。

发明内容

为揭示板状核燃料发生熔化后熔融物的迁徙行为，从而能够给板状燃料元件核反应堆制定完善的严重事故缓解策略提供技术支持，制定一些防止严重事故发生的措施，减少严重事故发生的可能性和概率，本发明在粒子法的基础上，添加能够对固体之间作用进行分析的非连续介质模型的分析方法离散单元法并充分考虑固体和液体之间的耦合作用提出一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，该方法能够对板状核燃料熔融物的迁徙运动进行研究，获得熔融物产生位置信息、开始迁徙后的运动信息等，板状燃料元件核反应堆制定完善的严重事故缓解策略提供技术支持。

为了实现上述目标，本发明采取了以下的技术方案予以实施：

一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，步骤如下：

步骤1：对核反应堆板状燃料熔化流固耦合问题进行粒子建模；用不同类型的粒子代表核反应堆板状燃料的各个组成部分，0号粒子代表锆合金材质的燃料包壳和燃料基体，1号粒子代表弥散在燃料基体中的二氧化铀燃料微粒；对每一个粒子进行编号，所有的粒子均具有对应的物性参数，物性参数包括质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓和初速度；粒子在笛卡尔坐标系内，依据核反应堆板状燃料的具体参数均匀布置，能够模拟核反应堆板状燃料的初始状态；

步骤2：使用链表法检索邻居粒子，具体方法是：将整个计算域均匀划分成正方形表格，正方形表格的边长与粒子最大作用半径相等；对于任意一个粒子而言，检索邻居粒子时只需检索包含粒子在内的表格以及包围此表格的共计9个表格，三维计算时，需要检索的就是由正方形表格围成的正方体，需要检索27个三维正方体；