[发明专利]基于粒子法的核反应堆燃料早期变形分析方法

说明书

一种基于粒子法的核反应堆燃料早期变形分析方法，主要步骤如下：1、建立几何模型，设置粒子物性和力学参数；2、建立粒子邻居域；3、基于边界条件和固体碰撞模型计算固体边界粒子外力载荷；4、计算温度并基于热膨胀模型计算热膨胀应变；5、基于弹性模型、弹塑性模型和塑性模型计算固体内连续介质粒子的塑性应变和弹性应力应变；6、判断是否发生断裂并更新粒子的速度和位置；7、输出计算结果。本方法能够分析核反应堆在严重事故中燃料早期变形行为；基于粒子法，能够有效避免了网格法中存在的网格畸变问题；本方法为纯拉格朗日核方法，能够有效避免应力应变分析过程中存在的拉伸不稳定性。

技术领域

本发明涉及核反应堆严重事故下燃料早期变形研究技术领域，具体涉及一种基于粒子法的核反应堆燃料早期变形分析方法。

背景技术

当核电厂发生事故时，核反应堆堆芯如果得不到充分的冷却，燃料的状态会偏离正常运行工况，其温度上升导致堆芯结构材料和燃料发生热膨胀，从而使得燃料整体发生变形并承受额外的应力。燃料的变形使得冷却剂通道形状和流通面积发生改变，影响后续应急冷却措施的效果。并且应急水的注入等措施会对堆芯结构及燃料产生外力载荷，这种情况下，处于高温的燃料极易发生变形，存在很大不确定性。如果堆芯温度进一步上升，燃料开始发生失效，堆芯结构材料、燃料包壳甚至芯块可能发生熔化并向下迁移，而燃料的早期变形为后续严重事故中燃料熔化及熔融物的迁移提供了初始条件和边界条件，影响严重事故进程。特别地，在新型燃料元件的情况中，如板状燃料元件、弥散体微球等，其燃料元件变形行为对严重事故安全分析格外重要。在核反应堆严重事故过程中，燃料受到的环境情况复杂，其变形行为存在很大不确定，变形行为对严重事故的影响机理仍未被完全研究透彻，对其的研究有助于严重事故应急措施的分析，对于核电厂严重事故安全分析具有重大意义。

关于核反应堆严重事故下燃料早期变形的研究，国内外已经展开了一些研究，包括实验研究和数值模拟研究。实验研究主要为分离效应性研究，研究燃料元件在不同外力载荷、温度、辐照条件下的应力应变情况，对于整体性实验，这类的侧重点在于燃料熔化后的行为，早期变形行为的研究较少。对于数值模拟研究，大多采用基于网格法的CFD软件对具体的相互作用过程进行分析，但基于网格法的CFD软件在分析大变形过程时，极易存在网格畸变的问题，且重塑网格的计算耗费过大。而对于基于拉格朗日方法的粒子法，其在处理自由表面运动上具有独特的优势，且不存在网格畸变的问题。在海洋研究领域中，粒子法成功应用于弹性结构材料与海浪相互作用的研究当中，但在核反应堆内严重事故下复杂情况应用的研究较少。因此，本研究综合粒子法及核反应堆严重事故下燃料早期变形行为的机理性分析提出一种核反应堆燃料早期变形分析方法。

发明内容

为了全面研究核反应堆燃料早期变形过程，揭示变形过程中可能存在的一些机理现象，本发明在对核反应堆燃料早期变形的机理性分析的基础上结合粒子法、基础控制方程及相关的机力学结构模型，提出一种研究核反应堆燃料早期变形的分析方法，该方法能够对核反应堆燃料早期变形中存在的弹性变形、塑性变形、热膨胀变形、传热过程进行研究，获得核反应堆燃料早期变形中燃料变形规律及程度，为核电厂反应堆严重事故安全特性研究提供重要依据。

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：

一种基于粒子法的核反应堆燃料早期变形分析方法，步骤如下：