一種超臨界水堆堆芯核熱耦合迭代方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種超臨界水堆堆芯核熱耦合 迭代方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超臨界水堆（SCWR)的運(yùn)行工況在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)（374°C，22. IMPa)以上，具備 較高的系統(tǒng)熱效率且反應(yīng)堆系統(tǒng)簡化、緊湊。但是，超臨界水的密度、比熱以及熱導(dǎo)率在超 臨界區(qū)域變化劇烈，在通常定義的運(yùn)行壓力25MPa、堆芯冷卻劑進(jìn)口/出口溫度280°C/500°C 的超臨界水堆中，冷卻劑的密度由堆芯入口的約777kg/m3變化到堆芯出口的約90kg/m3。劇 烈變化的水密度顯著影響堆芯內(nèi)中子慢化能力，慢化能力變化引起的功率密度分布變化反 過來又將顯著影響堆芯內(nèi)水密度分布。這種物理-熱工耦合特性顯著強(qiáng)于傳統(tǒng)的壓水堆，要 求在堆芯穩(wěn)態(tài)性能分析及方案設(shè)計時必須考慮核熱耦合。
[0003] SCWR堆芯中，冷卻劑密度、慢化劑密度分布不均勻且變化劇烈，功率密度分布的微 小變化可能引起冷卻劑密度、慢化劑密度的劇烈變化，進(jìn)而顯著改變中子截面參數(shù)，反過來 使功率密度分布也產(chǎn)生劇烈變化。上述強(qiáng)烈核熱耦合特性，使得SCWR堆芯的核熱耦合計算 面臨迭代收斂性、數(shù)值穩(wěn)定性以及計算效率的挑戰(zhàn)。
[0004] 現(xiàn)有核熱耦合迭代技術(shù)中，耦合迭代方法通常采用解耦迭代方法和逐次迭代方 法。解耦迭代方法要求每個迭代步中，所有計算完全收斂后才開始下一步的迭代計算。對于 一個給定迭代步，基于當(dāng)前熱工-水力參數(shù)和中子截面參數(shù)的預(yù)估值，計算至中子裂變源完 全收斂。解耦迭代方法的計算效率較低，且對于迭代計算參量變化劇烈的分析對象，如冷卻 劑密度變化劇烈的SCWR堆芯，甚至?xí)?dǎo)致迭代計算不收斂。逐次迭代方法假設(shè)一個功率密 度分布，通過迭代公式不斷進(jìn)行迭代，直至相鄰兩次的功率密度分布最大相對偏差小于收 斂精度要求。對于迭代計算參量變化劇烈的SCWR堆芯，相鄰兩次的功率密度分布容易出現(xiàn) 功率振蕩，導(dǎo)致無法收斂。特別是對于多流程SCWR堆芯，在堆芯頂部和底部可能分別形成功 率峰，這將進(jìn)一步導(dǎo)致堆芯內(nèi)功率密度分布難以收斂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種超臨界水堆堆芯 核熱耦合迭代方法，該方法解決了超臨界水堆堆芯核熱耦合計算過程中迭代計算難以收斂 的問題，并提高核熱耦合計算的計算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是： 一種超臨界水堆堆芯核熱耦合迭代方法，執(zhí)行完m次中子學(xué)計算后執(zhí)行一次熱工水力 計算，m為設(shè)定的中子學(xué)計算迭代次數(shù)，m大于5。本技術(shù)方案中，在執(zhí)行每步熱工水力計算前 并不要求外迭代完全收斂才執(zhí)行熱工水力計算，也不要求每執(zhí)行一次外迭代就進(jìn)行一次熱 工水力計算;核熱耦合計算的效率得到顯著提高。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在執(zhí)行中子學(xué)計算中，引入自適應(yīng)松弛因子ω并利用 功率密度分布迭代函數(shù)對第2次至第m次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布進(jìn)行調(diào)整，得 到的調(diào)整后功率密度分布用于下一次執(zhí)行中子學(xué)計算中或執(zhí)行熱工水力計算中，具體包括 以下步驟： 51、 設(shè)定中子學(xué)計算迭代次數(shù)m，構(gòu)建功率密度分布迭代函數(shù)，初始化執(zhí)行中子學(xué)計算 次數(shù)η; 52、 執(zhí)行第一次中子學(xué)計算，并統(tǒng)計中子學(xué)計算次數(shù)后跳轉(zhuǎn)到步驟S3; 53、 利用執(zhí)行第一次中子學(xué)計算得到的功率密度分布執(zhí)行第二次中子學(xué)計算，并統(tǒng)計 中子學(xué)計算次數(shù)后跳轉(zhuǎn)到步驟S4; 54、 計算最近一次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布的相對偏差，并根據(jù)該相對偏 差選取自適應(yīng)松弛因子ω的取值； 55、 將步驟S4中選取的自適應(yīng)松弛因子ω的取值和最近一次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功 率密度分布代入功率密度分布迭代函數(shù)計算出調(diào)整后功率密度分布，判斷中子學(xué)計算次數(shù) 是否等于中子學(xué)計算迭代次數(shù)，是則將中子學(xué)計算次數(shù)設(shè)為初始值后跳轉(zhuǎn)到步驟S7,否則 跳轉(zhuǎn)到步驟S6; 56、 利用步驟S5中的調(diào)整后功率密度分布再一次執(zhí)行中子學(xué)計算，統(tǒng)計中子學(xué)計算次 數(shù)，跳轉(zhuǎn)到步驟S4; 57、 利用步驟S5中的調(diào)整后功率密度分布執(zhí)行熱工水力計算，判斷執(zhí)行熱工水力計算 后得到的功率密度分布是否收斂，是則結(jié)束計算，否則跳轉(zhuǎn)到步驟S2。本技術(shù)方案中，在功 率密度分布迭代計算過程中引入松弛因子對功率密度分布進(jìn)行調(diào)整，可以避免由于相鄰兩 次迭代計算結(jié)果差值過大而引起迭代過程發(fā)散，自適應(yīng)松弛因子隨著迭代的收斂情況而自 行調(diào)整取值，在保證迭代收斂性和數(shù)值穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高計算效率。
[0008] 進(jìn)一步，所述功率密度分布迭代函數(shù)為：
式（1)中，η為中子學(xué)計算次數(shù)；ωη為對第η次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布進(jìn) 行調(diào)整時使用的自適應(yīng)松弛因子ω的取值;Ρη為第η-1次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度 分布，Ρη為第η次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布，Ρ'η為第η-I次執(zhí)行中子學(xué)計算得 到的功率密度分布的調(diào)整后功率密度分布，Ρ' η為采用進(jìn)行調(diào)整得到的調(diào)整后功率 密度分布。
[0009] 進(jìn)一步，步驟S4中所述選取自適應(yīng)松弛因子ω的取值方法為：
式中，εΡη為第η次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布的相對偏差，其中：
式(3)中，Pw為第n-1次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布，ρζ η為第n-1次執(zhí)行中 子學(xué)計算得到的功率密度分布的調(diào)整后功率密度分布，Pn為第η次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的 功率密度分布。
[0010]進(jìn)一步，所述中子學(xué)計算迭代次數(shù)m為20-40。
[0011]優(yōu)選的，所述中子學(xué)計算迭代次數(shù)m為30。
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟S6中判斷執(zhí)行熱工水力計算后得到的功率密度分布是否收斂的 具體方法為:判斷執(zhí)行熱工水力計算后的功率密度分布和執(zhí)行熱工水力計算前的功率密度 分布是否滿足公式(2 )，滿足則收斂，不滿足不收斂：
(4 >;式(4)中，f (q'm)為執(zhí)行熱工水力計算后的功率密度分布，q 'm 為第m次執(zhí)行中子學(xué)計算得到的功率密度分布的調(diào)整后功率密度分布，δ為設(shè)定的收斂值。
[0013] 綜上，本發(fā)明的有益效果是： 1、 本發(fā)明通過采用改進(jìn)的外迭代耦合方法和匹配的自適應(yīng)松弛因子，有效解決了 SCWR 堆芯核熱耦合計算時的迭代收斂性問題，并確保了耦合計算的數(shù)值穩(wěn)定性； 2、 本發(fā)明將SCWR堆芯核熱耦合計算的計算效率提高了三倍以上。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的超臨界水堆堆芯核熱耦合迭代方法； 圖2是超臨界水堆堆芯核熱耦合計算流程。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明通過采用改進(jìn)的外迭代耦合方法和匹配的自適應(yīng)松弛因子，提高核熱耦合 計算的迭代收斂性、計算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。其主要思想是執(zhí)行完設(shè)定次數(shù)(m次）的中子學(xué) 計算后執(zhí)行一次熱工水力計算，m為設(shè)定的中子學(xué)計算迭代次數(shù)，m大于5。在執(zhí)行中子學(xué)計 算中，引入自適應(yīng)松弛因子ω并利用功率密度分布迭代函數(shù)對每輪第2次至第m次執(zhí)行中子 學(xué)計算得到的功率密度分布進(jìn)行調(diào)整得到調(diào)整后功率密度分布，該調(diào)整后功率密度分布用 于下一次執(zhí)行中子學(xué)計算中或執(zhí)行熱工水力計算中，保證迭代收斂性和效率。下面結(jié)合實(shí) 施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0016] 實(shí)施例1: 如圖1所示，一種超臨界水堆堆芯核熱耦合迭代方法，包括以下的步驟S1-S7: 51、 設(shè)定中子學(xué)計算迭代次數(shù)m，構(gòu)建功率密度分布迭代函數(shù);初始化執(zhí)行中子學(xué)計算 次數(shù)η，本實(shí)施例中初始化η時將η的值設(shè)定為0; 52、 執(zhí)行第一次中子學(xué)計算，