[发明专利]一种小型模块化超级安全气冷堆物理热工耦合分析方法

说明书

本发明公开了一种小型模块化超级安全气冷堆物理热工耦合分析方法，步骤如下：1、划分控制体，输入小型模块化超级安全气冷堆的结构参数和边界条件，给定不同控制体的群常数，设定计算时间和时间步长。2、堆芯初始化计算，得到零时刻的初始值。3、采用PIMPLE算法，计算得到当前t时刻的堆芯功率分布、流场、温度场和压力场。4、在求解每个方程前，计算初始残差，若小于用户设定的公差，则方程不进行求解。当所有方程的初始残差小于公差时，采用PIMPLE进行下一时刻的计算，直到设定的总计算时间，计算停止。本发明可以快速分析小型模块化超级安全气冷堆堆芯的稳态热工水力特性及事故工况下的瞬态响应特性，为气冷堆的设计及安全特性分析提供建议与指导。

技术领域

本发明涉及高温气冷堆技术领域，具体涉及一种小型模块化超级安全气冷堆的物理热工耦合分析方法。

背景技术

高温气冷堆技术采用氦气冷却剂，石墨慢化剂及全陶瓷包覆颗粒燃料元件，反应堆出口温度可以达到700～1000℃。最新一代的高温气冷堆称为“模块式高温气冷堆”，它是1979年三里岛核事故后世界核能界为革新性地改进核能安全而提出的新概念。这种反应堆的核心思想是采用热功率200～600MWt之间的比较小的反应堆模块，利用包覆颗粒燃料元件所能达到的优异耐高温性能，在不需要任何应急冷却的条件下，反应堆都能够自然散热，从而消除堆芯熔化的可能性。安全性是模块式高温气冷堆的突出特点之一。

模块式高温气冷堆的另一个重要特点是高温。它的一个重要用途是高效率发电以及热电联产。在反应堆出口温度达到700～750℃的条件下，可以结合在反应堆二回路的蒸汽循环，实现亚临界、超临界以及超超临界发电，效率达到40～48％。可以通过汽轮机抽汽，实现热电联产，用于100～400℃不同参数的工业和民用供热市场。

在反应堆结构和材料基本不变的情况下，进一步提高高温气冷堆的出口温度，使其达到800～1000℃，可以用于更高温度的核能热利用。其中，最有吸引力的是热分解水制氢，大幅度拓宽核能的应用范围。氢作为一种重要的工业原料，除了合成氨、合成甲醇、石油精炼等传统用途外，氢气在冶金、煤液化以及气化等领域得到了大规模应用。氢还是未来理想的二次能源或能源载体，例如，氢可以通过燃料电池技术的使用推动交通能源的升级。高温气冷堆被认为是最适合用于制氢的核能技术。

小型模块化超级安全气冷堆是模块式高温气冷堆的进一步小型化，具有方便灵活的特点，建造工期短、适用范围广。要研发小型模块化超级安全气冷堆，必须首先对其中的关键问题进行研究，而堆芯物理热工耦合特性就是小型模块化超级安全气冷堆设计过程中亟需解决的问题之一。

小型模块化超级安全气冷堆堆芯在高温环境下，堆内氦气、核燃料材料、结构材料的中子反应截面数据以及物性数据都受温度的影响较大，堆芯物理和热工之间存在强烈的反馈过程。小型模块化超级安全气冷堆中流动换热过程容易演变成为具有多尺度特征的中子动力学、导热、对流、辐射多物理场强耦合的非平衡流动。多物理场耦合分析在堆芯参数分析计算、安全性能评估中占据非常关键的地位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型模块化超级安全气冷堆物理热工耦合分析方法，该方法针对小型模块化超级安全气冷堆的结构特点，通过稳态热工水力计算，对堆芯的设计进行优化，对一些关键参数进行敏感性分析；通过瞬态计算，分析堆芯在一些典型事故工况下的响应特性，评估其安全性，为小型模块化超级安全气冷堆的设计及安全特性分析提供建议与指导。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实施：

一种小型模块化超级安全气冷堆物理热工耦合分析方法，步骤如下：

步骤1：将小型模块化超级安全气冷堆的堆芯根据不同组件以及不同功能划分为若干控制体；输入小型模块化超级安全气冷堆的结构几何参数和边界条件，给定不同控制体的群常数，设定计算时间和时间步长；