球床反应堆倒料的模拟计算方法

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1.本发明涉及一种核反应堆物理计算方法，尤其是一种用于球床反应堆、特别是高温气冷堆倒料的模拟计算方法。

背景技术：

2.在球床高温气冷堆中，流道底部卸出的燃料球会被重新倒入到堆芯顶部进入下一次燃料循环，被重新倒入堆芯顶部之前，这些燃料球中达到目标燃耗深度的乏燃料会被丢弃并以新燃料球进行替换。
3.在压水堆以及其它大部分类型反应堆的燃耗计算当中，燃料元件的燃耗历史是确定的，可以通过乏燃料核素密度测量值来验证理论计算值的正确性。但对于球床高温气冷堆，任意一个燃料球在堆芯内的运动轨迹与燃耗历史都是随机的，从理论上无法“准确”预测乏燃料核素密度。因此，球床高温气冷堆燃耗计算验证并不是基于特定计算值与实验值之间的对比验证，而是基于概率分布或统计学意义上的对比验证。
4.为模拟球床高温气冷堆的倒料过程，现有确定论物理计算软件，例如 pangu与vsop，采用了下文中结合图1至图3所述的倒料计算模型。
5.如图1所示，首先将整个球床区在径向上划分为若干个流道(channel)，流道边界可以为直线或曲线；每个流道在轴向上划分为若干层(layer)，将整个球床区划分为若干个体积相等的球流网格。不同流道的层数可不同，以此模拟各流道不同的球流速度。每个球流网格内的燃料球被划分为若干批次(batch)，每个批次的燃料球具有相同物质成分，批次数n通常等于燃料球通过次数。
6.如图3所示，在每个倒料时间步，所有燃料球沿流道下移一层，进入下一层球流网格(最下层燃料球被从流道底部卸出)，并进行燃耗计算。对各流道底部卸出的燃料球的对应批次进行合并平均处理，也就是将各个流道中的第n批次合并(1≤n≤n)置入卸料暂存盒的n个独立空间中的一个，从而保证卸出的燃料仍具有相同的批次数n。然后在装料暂存盒(同样有n 个独立空间)接收这些燃料盒之前，对其中若干批次进行替换和排序等操作，例如丢弃燃耗最深的乏燃料并将其替换为新燃料。最后，将它们重新倒入到堆芯顶部各个流道，并认为各流道顶层的球流网格具有相同的燃料球组成，也即每个流道都分别接收到了n批次燃料球中的每一批次。这里的卸料暂存盒与装料暂存盒是抽象概念，用于在计算过程中模拟卸料与装料过程。
7.在上述倒料模型中，球流网格内批次n代表了不同燃耗深度的燃料球，即认为该网格内包含n种不同燃耗深度的燃料球。而网格内的实际燃料球数远大于批次数n，仅用n个批次无法准确反映出精细的燃耗深度分布。在对堆芯底部卸出的燃料球进行批次合并平均的过程中，以及假设进入各流道顶层的球流网格具有相同的燃料球组成的过程中，进一步抹平了燃耗分布的信息，无法考虑倒料过程的随机性。

技术实现要素：

8.为此，在上述倒料模型基础上，本发明提出一种球床反应堆倒料的模拟计算方法，该模拟计算方法包括如下步骤：将所述球床反应堆的整个球床区划分为若干个球流网格，其中，将所述球床反应堆的整个球床区在所述球床反应堆的径向上划分为若干个流道，每个所述流道在所述球床反应堆的轴向上等体积地划分为若干层，每个所述流道的每一层中具有一个所述球流网格，其中，每个球流网格中的燃料球的批次数小于等于所述球流网格中的燃料球的数目，并且各个流道的球流网格中的燃料球的批次数(m)按照各流道的球流网格的体积比例设定；每经过一个倒料时间步长，每个球流网格中的各个燃料球分别下移到其它球流网格，并进行燃耗计算；将从堆芯底部卸出的燃料球以随机抽样方式按照各流道的球流网格体积比例重新倒入堆芯顶部各个流道，其中，在重新倒入各个流道之前，一部分从堆芯底部卸出的燃料球根据燃耗计算结果由新燃料球替换。
9.优选的是，每个球流网格中的所有燃料球沿所述流道下移到当前所在流道的位于该球流网格下方的球流网格；或者作为替代或补充，每个球流网格中的一部分燃料球沿所述流道下移到当前所在流道的位于该球流网格且其余燃料球下移到相邻的其它流道的球流网格。第二种情形用于模拟不同流道的燃料球的相互交混。
10.由于从堆芯底部卸出的燃料球不再像现有技术中那样进行批次合并平均处理，并且在根据燃耗计算结果有针对性地以新燃料球替换卸出的部分乏燃料球之后又被通过随机抽样的方式按照各流道的球流网格体积比例重新倒入各个流道，因此，这种方法可以充分地模拟倒料过程的随机性。由于取消了批次合并平均处理的操作，本发明允许不同流道的球流网格具有不同体积，但仍要求同一个流道内的所有球流网格具有相同体积。此时，按照各流道的球流网格体积比例为各流道的球流网格设置相应的批次数，并在到达堆芯底部的燃料球返回堆芯顶部时，通过随机抽样的方式、按各流道球流网格的体积比例将相应数量的燃料球重新倒入到各个流道。
11.为便于描述，下文中仍优选地假设球床区的各流道的各球流网格、也就是球床区内所有球流网格具有相同体积，也因而具有相同的批次数。这样，从堆芯底部卸出的燃料球以随机抽样方式按照各流道的球流网格的体积比例均分地重新倒入堆芯顶部的各个流道。
12.同时，由于将每个球流网格中的燃料球的批次数(m)可以设定为大于整个球床区中的任意燃料球通过球床区的最大次数，因此，燃料球的批次数可以用于尽可能地反映其实际燃耗深度分布，相比于简单地以通过球床区的最大次数来表示的批次数更详细地保留了燃耗分布的信息。
13.根据本发明的球床反应堆倒料的模拟计算方法的一种优选实施形式，球流网格的批次数(m)选择得充分大，以尽可能精细地反映所述球流网格内的燃耗分布，例如，球流网格的批次数被选择为大于等于该球流网格内具有非重复的不同燃耗深度的燃料球的数量。因此，批次数至少可以在该球流网格内反映出不同燃耗深度的分布。
14.进一步优选的是，球流网格的批次数被设定为等于所述球流网格内的燃料球的实际数量。这样，即便该球流网格中的每个燃料球都具有不同的燃耗，也能够以批次数精细地反映这些燃料球的燃耗分布。
15.根据本发明的球床反应堆倒料的模拟计算方法中提出的上述随机倒料模型适用于采用在线倒料的任何类型的球床反应堆。优选的是，根据本发明的球床反应堆倒料的模
拟计算方法中的球床反应堆具有平衡堆芯/处于初装堆建立过程/处于过渡过程，实现了对于球床反应堆的全过程模拟。根据本发明的球床反应堆倒料的模拟计算方法的另一种优选实施形式，部分所述燃料球可以由石墨球替代，以例如模拟球床高温气冷堆的初装堆建立过程、过渡过程。
16.作为可能应用领域之一，根据本发明的球床反应堆倒料的模拟计算方法中提出的上述随机倒料模型可用于支撑球床反应堆燃耗计算验证。通过本发明提出的新倒料模型，可以高保真地模拟球床反应堆随机燃耗历史效应，得到各个核素密度的概率分布，在此基础上发展出适用于球床反应堆的燃耗计算验证策略。优选的是，所述球床反应堆是球床高温气冷堆。
附图说明
17.下文结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：
18.图1是球床反应堆倒料模型网格划分示意图；
19.图2是球床反应堆倒料模型网格划分示意图(模拟流道交混)；
20.图3是现有倒料模型示意图；
21.图4是本发明提出的新的随机倒料模型示意图。
具体实施方式
22.图1和图2以示意图的形式示出了球床反应堆倒料模型的网格划分方式。在图1中，纸面的上下方向为球床区10的轴向，左右方向为球床区10的径向，以虚线示出了局部的材料网格70。球床反应堆的整个球床区10在所述球床反应堆的径向上划分为若干个流道40，因此，在图1和图2中每个流道 40大致沿轴向延伸。并且，每个流道40在球床反应堆的轴向上划分为若干层50，每个流道的每层为一个球流网格60。各流道40中的球流网格60的体积相等(但各流道中的球流网格数目可能不同，因此各流道中的球流网格在轴向上的高度可能不同，也因而高度上并不一定对齐，图中仅仅示意性地示出了这种情况)，因此在每个倒料时间步每个球流网格60从上方接收的和向下方排放的燃料球总是保持数量相同。从图上看，相邻的通道i-1，i， i+1的弯曲程度不同，其中的球流网格60的各层k-1，k，k+1也并不与材料网格70完全重合。在图中的一个球流网格60中示例地示出了燃料球的批次 j-1，j，j+1。图1和图2中以颜的深浅示意性地表示它们的燃耗深度的不同。
23.图1和图2的不同之处在于，其中示意出了球流网格60中燃料球下行的不同方式。在图1所示实施形式中，每个球流网格60中的所有燃料球都沿当前所在流道下行到下一层球流网格60。在图2所示实施形式中，两组箭头显示了每个球流网格60中或有部分燃料球流向相邻的其它流道的球流网格，接收燃料球的这些其它流道的球流网格的位置低于发出燃料球的球流网格。
24.在本发明的第二实施例中，以高温气冷堆示范工程htr-pm的平衡堆芯模拟过程为例，反应堆堆芯满装载包含42万燃料球，不妨将堆芯划分为5 个流道、20层，即100个球流网格，则每个球流网格包含4200个燃料球。在此，设定每个球流网格的批次数m＝4200。
25.这样，在每个倒料时间步，所有燃料球沿流道40下移一层，进入下一层球流网格(最下层燃料球被从流道底部卸出)，并进行燃耗计算。从各流道底部卸出的燃料球由卸料
暂存盒20接收。卸料暂存盒20分别独立存放每个流道的各批次燃料球。如图4所示，在i条流道、每条流道中的燃料球被划分为m个批次的情况下，卸料暂存盒20以i
ⅹ
m个独立空间分别各存放一个流道中一个批次的燃料球。然后，按照预先设计的换料策略，决定卸料暂存盒20的i
ⅹ
m个独立空间中的燃料球是否被替换为新燃料球或重新进入堆芯。
26.装料暂存盒30同样具有i
ⅹ
m个独立空间，在执行上述换料策略时，卸料暂存盒20的i
ⅹ
m个独立空间中的乏燃料被从卸料暂存盒20中卸出，其余各个独立空间中的燃料球被分别提供给装料暂存盒30的i
ⅹ
m个独立空间中的一个。装料暂存盒30的空余独立空间被新燃料球填充。
27.然后，装料暂存盒30的i
ⅹ
m个独立空间中的燃料球在堆芯顶部被以随机抽样的方式均分到各个流道，也就是使i个流道中随机均分地接收各m个批次的燃料球。在示例的高温气冷堆示范工程htr-pm的平衡堆芯模拟过程中，每个球流网格在堆芯顶部重新得到4200个批次的燃料球(即每个批次一个燃料球)。
28.在本发明的第二实施例中，以高温气冷堆示范工程htr-pm的初装堆建立过程为例，htr-pm的初始堆芯为低富集度燃料球与石墨球构成的混合球床。具体模拟过程与上述的htr-pm平衡堆芯模拟步骤基本相同，不同之处在于换料策略不是在计算出的燃耗深度的基础上将乏燃料卸出以新燃料球替换，而是在堆芯底部将石墨球和低富集度燃料球替换成高富集度燃料球。这些燃料球在堆芯顶部被以随机抽样的方式均分到各流道40。
29.以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，包括对上述实施例的各个技术特征的任意组合。这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。
30.附图标记列表
31.10球床区
32.20卸料暂存盒
33.30装料暂存盒
34.40流道
35.50层
36.60球流网格
37.70材料网格。

技术特征：

1.一种球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，该模拟计算方法包括如下步骤：将所述球床反应堆的整个球床区(10)划分为若干个球流网格(60)，其中，将所述球床反应堆的整个球床区(10)在所述球床反应堆的径向上划分为若干个流道(40)，每个所述流道(40)在所述球床反应堆的轴向上等体积地划分为若干层(50)，每个所述流道(40)的每一层中具有一个所述球流网格(60)，其中，每个球流网格(60)中的燃料球的批次数(m)小于等于该球流网格(60)中的燃料球的数目，并且各个流道的球流网格(60)中的燃料球的批次数(m)按照各流道的球流网格的体积比例设定；每经过一个倒料时间步长，每个球流网格(60)中的各个燃料球分别下移到其它球流网格(60)，并进行燃耗计算；将从堆芯底部卸出的燃料球以随机抽样方式按照各流道的球流网格体积比例重新倒入堆芯顶部各个流道(40)，其中，在重新倒入各个流道(40)之前，一部分从堆芯底部卸出的燃料球根据燃耗计算结果由新燃料球替换。2.根据权利要求1所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，每个球流网格(60)中的所有燃料球沿所述流道(40)下移到当前所在流道(40)的位于该球流网格(60)下方的球流网格(60)，或者每个球流网格(60)中的一部分燃料球沿所述流道(40)下移到当前所在流道(40)的位于该球流网格(60)下方的球流网格(60)且其余燃料球下移到相邻的其它流道(40)的球流网格(60)。3.根据权利要求1或2所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，所述球床区(10)的各所述流道(40)的各球流网格(60)具有相同的体积与批次数(m)，从堆芯底部卸出的燃料球以随机抽样方式按照各流道的球流网格的体积比例均分地重新倒入堆芯顶部的各个流道(40)。4.根据权利要求3所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，各所述球流网格(60)的批次数(m)等于所述球流网格(60)内的燃料球的实际数量。5.根据权利要求1或2所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，所述球床反应堆采用在线换料。6.根据权利要求5所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，所述球床反应堆是球床高温气冷堆，处于初装堆建立过程、过渡过程或者平衡堆芯状态。7.根据权利要求1、2、5中任一项所述的球床反应堆倒料的模拟计算方法，其特征在于，部分所述燃料球由石墨球替代。

技术总结

本发明涉及一种球床反应堆倒料的模拟计算方法，包括：将球床反应堆的整个球床区(10)划分为若干个球流网格(60)，每个流道在球床反应堆轴向上等体积地划分为若干层(50)，每个流道的每层中具有一个球流网格，每个球流网格中燃料球的批次数(M)小于等于球流网格中燃料球数目，并且各个流道的球流网格中燃料球的批次数(M)按照各流道的球流网格的体积比例设定；每经过一个倒料时间步长，所有燃料球沿流道下移一层进入下一层球流网格并进行燃耗计算；将从堆芯底部卸出的燃料球以随机抽样方式按照各流道球流网格体积比例重新倒入堆芯顶部各个流道，在重新倒入各个流道之前一部分从堆芯底部卸出的燃料球根据燃耗计算结果由新燃料球替换。球替换。球替换。