一种轴向分区控制棒组件截面计算方法与流程

1.本发明属于核反应堆堆芯计算技术领域，具体涉及一种轴向分区控制棒组件 的截面计算方法。


背景技术：

2.如何控制核反应堆反应性是反应堆设计的重要内容，核反应堆反应性控制的 主要任务：1)在确保安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性，以满足反应堆 长期运行的需求；2)通过最佳的提棒程序，反应堆在整个寿期内保持平坦的功 率分布，使功率峰因子尽可能的小；3)在外界负荷发生变化的时候，能调节反 应堆功率，使之适应外界负荷变化；4)当反应堆出现事故时，能迅速安全的停 堆，并保持适当的停堆深度。
3.控制反应性的主要方式包括：控制棒控制、固体可燃毒物控制和化学补偿控 制。控制棒是调节反应堆堆芯功率分布、紧急停堆的主要手段。在压水堆、沸水 堆等轻水堆堆型中，二氧化铀芯块装入中空金属管形成燃料元件，150～300根燃 料元件组装成方形截面的燃料组件，在燃料组件中空出一些固定位置用于布置控 制棒元件，这类放置了控制棒元件的组件即为控制棒组件，可以通过驱动机构实 现控制棒在组件内预留位置的提出和插入，其他燃料元件保持不动。而在第四代 金属冷却快堆中，如钠冷快堆、铅铋冷却快堆中，控制棒组件并非是控制棒元件 零星布置在燃料组件内的预留位置中，而是由控制棒元件为主体组装形成的，通 过控制组件驱动机构实现整个控制棒组件在堆芯的提出或插入。与传统轻水堆控 制棒组件另一个较大的区别是，由于快堆相对体积更小，为了更好的控制堆芯功 率分布，控制棒组件往往在轴向进行分区，各区中可以布置不同强度的控制棒吸 收材料。参照图1-2给出的一种新型控制棒组件，径向分布主要由组件壳4、包 壳5和吸收体6组成，轴向分区主要由反射层7、第一种吸收材料8、第二种吸 收材料9构成。
4.传统不考虑轴向分区的轻水堆控制棒组件的截面计算方法在应用于铅铋快 堆等考虑轴向分区的控制棒组件截面计算时存在以下不足：1)传统控制棒组件 截面计算方法是采用基准状态+增量状态组合计算得到，其中基准状态中提供未 插入控制棒时的截面，增量状态提供插入控制棒后的截面变化量，而在新型控制 棒组件中，由于控制棒组件作为一个整体进行移动，因此不再存在无控制棒时全 是燃料元件的基准状态，2)传统方法中的增量状态只区分了控制棒插入到具体 网格节块中的比例，无法提供因考虑轴向分区后，不同材料在网格节块中的比例， 从而无法准确计算增量状态时的控制棒组件截面。


技术实现要素：

5.针对传统不考虑轴向分区的轻水堆控制棒组件的截面计算方法，不能适用于 考虑轴向分区的控制棒组件截面计算的问题，本发明提供一种轴向分区控制棒组 件截面计算方法，目的在于能够针对新型轴向分区的控制棒组件实现其截面参数 计算。
6.为了实现上述发明目的，本发明通过下述技术方案实现：
7.一种轴向分区控制棒组件截面计算方法，包括以下步骤：
8.s1.建立用于全堆芯扩散和/或输运计算的轴向计算网格；
9.s2.针对轴向分区控制棒组件按照材料成分建立轴向材料网格；
10.s3.建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格与轴向材料网格的材料 对应关系；
11.s4.建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格中各材料所占体积份额；
12.s5.基于材料截面库和步骤s4中轴向计算网格内各材料所占的份额，计算 控制棒组件位于高度l时轴向计算网格中的中子截面参数。
13.以上方案通过建立堆芯轴向计算网格与控制棒分区材料的对应关系，提供控 制棒组件在堆芯内任意位置时堆芯轴向计算网格里包含的控制棒材料和该控制 棒材料所占比例的数值算法，实现控制棒组件在各计算网格内的截面参数计算。
14.进一步地，步骤s1中：
15.堆芯轴向计算网格划分为n段，第n段标号为n，第n段的轴向长度为δz(n)， 用z(n)表示第n段网格顶部距离堆芯底部的高度，z(0)＝0为堆芯底部，则第n 段轴向计算网格高度由以下公式计算：
16.z(n)＝z(n-1)+δz(n)。
17.作为优选，步骤s1中：轴向计算网格各段的高度一致。
18.进一步地，步骤s2中：
19.轴向材料网格划分为m段，第m段标号为m，第m段的轴向长度为δh(m)， 第m段的轴向材料标记为mat(m)，堆芯底部以下的冷却剂材料标记为mat(0)， 用h(m)表示第m段网格顶部距离堆芯底部的高度，则第n段轴向材料网格高度 由以下公式计算：
20.h(m)＝h(m-1)+δh(m)；
21.控制棒组件被移动到高度l时，则轴向材料网格底部的高度由以下公式表 示：
22.h(0)＝l。
23.作为优选，步骤s2中：按照一个网格内只包含一种材料的原则进行划分， 轴向材料网格数≤轴向计算网格数。
24.进一步地，步骤s3包括以下子步骤：
25.s31.计算控制棒组件移动到高度l时其底部对应的轴向计算网格号，标记 为rod_down；
26.rod_down＝n；
27.s32.为从堆芯底部到控制棒组件底部对应轴向计算网格rod_down的轴向 计算网格明确材料为冷却剂；
28.zmat(n,0)＝mat(0)；
29.式中，zmat(:,:)：轴向计算网格里的控制棒材料编号；
30.s33.建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格与轴向材料网格的材料 对应关系；
31.zmat(n,m)＝mat(m)。
32.作为优选，步骤s3中：统计轴向计算网格内包含的材料类型数目，并记录 材料号。
33.进一步地，步骤s4中：
34.各材料所占体积份额采用以下公式计算：
[0035][0036]
式中，α(:,:)：轴向计算网格里各控制棒材料所占的体积份额。
[0037]
进一步地，步骤s5中：
[0038]
采用以下公式计算控制棒组件位于高度l时轴向计算网格的截面参数：
[0039][0040]
式中，σz(:)：轴向计算网格里考虑多种材料后的混合截面参数；σ
mat
(:)：材 料截面参数。
[0041]
作为优选，所述中子截面为裂变截面、吸收截面、输运截面或散射截面。
[0042]
综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0043]
1.针对新型轴向分区控制棒组件，建立了堆芯轴向网格与控制棒分区材料 和分区材料在网格中所占比例之间的数值算法，可提供控制棒组件在堆芯内任意 位置时堆芯轴向计算网格里包含的控制棒材料和该控制棒材料所占比例，从而计 算网格内控制棒组件的截面参数。该方法能够克服传统控制棒组件截面计算方法 在应用于新型控制棒组件截面计算时的不足，为全堆芯扩散/输运计算提供了更 准确的截面参数。
[0044]
2.本发明的计算方法可为铅铋快堆等典型采用新型控制棒组件的堆芯的控 制棒组件提供考虑材料分区后的截面参数计算。
附图说明
[0045]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一 部分，并不构成对本发明实施例的限定。
[0046]
图1是一种新型控制棒组件径向分布示意图。
[0047]
图2是一种新型控制棒元件轴向分区示意图。
[0048]
图3给出了实施例计算时控制棒组件轴向网格划分示意图，其中，(a)为轴 向计算网格划分示意图，(b)为轴向材料网格划分示意图，(c)为控制棒移动l 距离后的位置示意图。
[0049]
附图标记与对应的零部件名称：4
‑‑
组件壳；5
‑‑
包壳；6
‑‑
吸收体；7
‑‑
反射层； 8
‑‑
第一种吸收材料；9
‑‑
第二种吸收材料。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图， 对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其 说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。
[0051]
本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本技术的实施例所执行的操作 步骤。应当理解的是，本技术实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地 执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其 他操作添加到这些过程
中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
[0052]
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够针对新 型轴向分区的控制棒组件实现其截面参数计算，通过建立堆芯轴向计算网格与控 制棒分区材料的对应关系，提供控制棒组件在堆芯内任意位置时堆芯轴向计算网 格里包含的控制棒材料和该控制棒材料所占比例的数值算法，实现控制棒组件在 各计算网格内的截面参数计算。本发明具体通过以下实施方式实现：
[0053]
实施例
[0054]
本实施例提出的轴向分区控制棒组件截面计算方法，涉及的物理变量及数学 符号定义如下：
[0055]
n：轴向计算网格的段数；
[0056]
n：第n个轴向计算网格；
[0057]
m：轴向材料网格的段数；
[0058]
m：第m个轴向材料网格；
[0059]
l：控制棒移动的高度，为本发明的输入参数；
[0060]
h(:)：轴向材料网格距离堆芯底部的高度，维度为m，(:)表示一维数组，下 同。
[0061]
z(:)：轴向计算网格距离堆芯底部的高度，维度为n；
[0062]
mat(:)：轴向材料网格里的控制棒材料编号，维度为m，mat(0)表示堆芯底 部下方的冷却剂材料，若控制棒组件向上方移动，则由下方材料向上填充，若控 制棒组件从上往下移动，则由上方材料向下填充。
[0063]
zmat(:,:)：轴向计算网格里的控制棒材料编号，(:,:)表示二维数组，维度为n、 m，在一个轴向计算网格里可能同时包含多种材料，也可能只包含一种材料，初 始时zmat的值均为0，如果包含第m种材料，则在zmat(:,m)填入对应的材料号。
[0064]
α(:,:)：轴向计算网格里各控制棒材料所占的体积份额，维度为n、m， [0065]
σ
mat
(:)：材料截面参数，维度≤m，每一段材料都不同时，维度＝m，该参数 有组件计算程序提供，为本发明的输入参数。
[0066]
σz(:)：轴向计算网格里考虑多种材料后的混合截面参数，维度为n，该参 数未本发明的输出参数。
[0067]
本发明的轴向分区控制棒组件截面计算方法的操作步骤如下：
[0068]
步骤s1，建立用于全堆芯扩散和/或输运计算的轴向计算网格，各段的高度 可以不一致也可一致，如图3(a)所示，但划分原则：各网格高度尽量一致。
[0069]
堆芯轴向计算网格划分为n段，第n段标号为n，第n段的轴向长度为δz(n)， 用z(n)表示第n段网格顶部距离堆芯底部的高度，z(0)＝0为堆芯底部，则第n 段轴向计算网格高度可由公式(1)计算。
[0070]
z(n)＝z(n-1)+δz(n) (1)
[0071]
步骤s2，针对轴向分区控制棒组件按材料成分建立轴向材料网格，如图3 (b)所示，按照一个网格内只包含一种材料的原则进行划分。
[0072]
轴向材料网格划分为m段，第m段标号为m，第m段的轴向长度为δh(m)， 第m段的轴
向材料标记为mat(m)，堆芯底部以下的冷却剂材料标记为mat(0)， 用h(m)表示第m段网格顶部距离堆芯底部的高度，则第n段轴向材料网格高度 可由公式(2)计算。
[0073]
h(m)＝h(m-1)+δh(m) (2)
[0074]
在堆芯实际运行中为控制反应性或调整堆芯功率分布，会通过控制棒组件驱 动机构移动控制棒组件，假设控制棒被移动高度l，如图3(c)所示，则轴向 材料网格底部的高度可由公式(3)表示。
[0075]
h(0)＝l (3)
[0076]
步骤s3，建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格与轴向材料网格的 材料对应关系；步骤3中，统计轴向计算网格内包含的材料类型数目，并记录材 料号；计算轴向计算网格内各材料所占的比例(即该轴向计算网格内材料高度占 总高度的份额)。
[0077]
步骤s31，计算控制棒组件移动到高度l时其底部对应的轴向计算网格号， 标记为rod_down；
[0078][0079]
步骤s32，为从堆芯底部到控制棒组件底部对应轴向计算网格rod_down的 轴向计算网格明确材料为冷却剂；
[0080][0081]
步骤s33，建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格与轴向材料网格的 材料对应关系；
[0082]
[0083]
步骤s4，建立控制棒组件移动到高度l时轴向计算网格中各材料所占体积 份额；
[0084][0085]
步骤s5，基于材料截面库和步骤s4中网格内各材料的所占份额，采用公式 (8)计算控制棒组件位于高度l时轴向计算网格的中子截面参数。
[0086][0087]
式中，σ为中子宏观截面参数，可为裂变截面、吸收截面、输运截面或散射 截面。
[0088]
基于以上实施方式，本发明针对新型轴向分区控制棒组件，建立了控制棒组 件移动后与控制棒材料的对应关系，克服了传统控制棒组件截面计算方法用于新 型控制棒组件的不足，为铅铋快堆等采用新型控制棒组件的全堆芯计算提供了更 准确的截面参数。
[0089]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于 限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。