[发明专利]一种核反应堆堆芯棒束通道内硼扩散过程的计算方法

摘要

本发明公开了一种核反应堆堆芯棒束通道内硼扩散过程的计算方法，计算步骤如下：1、根据实际情况建立核反应堆堆芯棒束通道几何模型，划分子通道并设置入口条件、出口条件、初始条件及边界条件；2、在一个时间步长内使用子通道分析方法计算得到棒束通道内的流场参数3、建立考虑湍流扩散的硼扩散方程并求解，得到硼在核反应堆堆芯棒束通道内的扩散过程参数；4、进行下一个时间步长计算，重复步骤(2)、(3)，直到达到计算时间的要求。本方法可以精确的计算硼在核反应堆堆芯棒束通道内的扩散过程，对核反应堆的设计与安全分析具有重要意义。

主权项

1.一种核反应堆堆芯棒束通道内硼扩散过程的计算方法，其特征在于：针对核反应堆堆芯棒束通道结构及其内部冷却剂运行条件，充分考虑高雷诺数下发生的棒束通道之间的横向湍流传质现象，使用湍流交混系数计算硼在核反应堆堆芯棒束通道内的准三维扩散过程；该计算方法包括如下步骤：步骤1：根据模拟对象确定堆芯棒束通道几何尺寸，进行子通道划分，并给定边界条件，包括进口流体温度、流量、硼浓度和出口压力、加热功率，给定初始条件，包括各控制体内流体压力、温度、流速、硼浓度；步骤2：每一个时间步长使用子通道分析方法求解子通道内流体的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，以得到堆芯棒束通道内的流场状态参数；步骤3：建立考虑硼扩散过程的组分输运方程式中：i——通道编号；j——通道层数编号；Ai——通道i流通截面积，m2；ΔXj——第j层控制体长度，m；ρij——通道i第j层控制体中流体密度，kg·m‑3；cij——通道i第j层控制体中硼浓度，ppm；mij‑1——i通道第j‑1层控制体轴向质量流速，kg/s；——上一个时间步长通道i第j‑1层控制体中硼浓度，ppm；wk——横流流量，kg/s；——与通道i第j层控制体有质量交换的控制体上一个时间步长的硼浓度，ppm；w'k——湍流交混系数，通过湍流交混模型获得；上标*——表示上一个时间步长的状态参数；上式中等号左边项为控制体内硼质量；右边第一项为从上一控制体轴向流入的硼质量；右边第二项为从控制体轴向流出的硼质量；右边第三项为横向净流量，当w_k为正即流体从i通道j层控制体横向流出时，k＝i，当w_k为负时即流体从周边向i通道j层控制体横向流入，为与通道i第j层控制体有质量交换的控制体上一个时间步长的硼浓度；第四项是湍流交混项，用于计算由于湍流交混导致的硼质量扩散，其中c_kj取为i通道j层控制体及其周边控制体内硼浓度；根据步骤2中计算结果获得流场状态参数，即ρ_ij，m_ij‑1，m_ij为已知量，结合上一时间步长的状态参数及周边控制体硼浓度求解考虑湍流扩散现象的组分扩散方程，以获得组分浓度分布状态及其变化过程；假设横向流向为i通道向n通道流动，其组分扩散方程为：求解得t时刻i通道j层控制体内硼浓度为：式中：Δt——时间步长；从上式能够看出，控制体内硼浓度计算式需要本时间步长内的参数，在求解时，经多次迭代求解得到计算结果，在该时间步长内经过大量迭代直到计算收敛，收敛条件为：[cij(m)‑cij(m‑1)]/cij(m‑1)<δ上式中：m——迭代次数；cij(m)——第m次迭代计算的通道i第j层控制体内硼浓度，ppm；cij(m‑1)——第m‑1次迭代计算的通道i第j层控制体内硼浓度，ppm；δ——收敛因子，设定为0.0001；在核反应堆中，硼在冷却剂中所占的质量分数小，对冷却剂的物性影响小，因此在求解组分输运方程时，为简化计算，忽略了组分浓度对冷却剂物性参数的影响；组分输运方程在考虑了组分的湍流扩散现象后，能更精确的模拟硼在核反应堆堆芯棒束通道内的准三维扩散过程；步骤4：开展下一时间步长计算，重复步骤(2)和步骤(3)，直至达到要求的计算时间跨度。