本發(fā)明涉及核反應堆設計中的燃料元件建模領域，具體涉及一種適用于異形燃料的等效建模方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、近年來隨著反應堆的不斷發(fā)展，核反應堆設計中的燃料元件趨于多樣化，出現(xiàn)了棒狀、球狀、環(huán)狀、板狀及十字型和繞絲型等異形幾何。其中異形十字螺旋燃料組件通過增大換熱面積提升了其熱工水力性能和功率密度。相較于傳統(tǒng)的壓水堆燃料元件，螺旋狀結構元件能夠在保證強換熱能力的同時維持運行工況下的材料強度和結構完整性，從而提高反應堆的安全性和經(jīng)濟性。但是由于傳統(tǒng)反應堆中子物理分析對象多為規(guī)則幾何，難以應用于異形幾何，因此就異形螺旋元件而言，需要建立相應的等效模型來簡化其幾何特征，使其能夠適配傳統(tǒng)的中子學分析軟件。

2、蒙特卡洛程序如serpent，openmc等描述幾何的方法是結構實體幾何(csg)。這種方法使用方程曲面的布爾運算來表示實體幾何，其中常用的幾何形狀包括平面、圓、六邊形、矩形等規(guī)則形狀。csg方法能夠精確描述異形十字螺旋燃料單個二維截面的幾何特征，如圖2所示(圖中黃色部分為燃料，藍色與橙色部分為冷卻劑，灰色部分為包殼)，將離散的二維截面軸向拉伸堆疊即可得到最終的異形十字螺旋燃料軸向切片堆疊模型，其x-z截面圖如圖1所示。

3、但是，異形十字螺旋燃料元件的螺旋曲面表達式中含有正余弦等超越函數(shù)，這使得螺旋幾何體在常見的csg建模方法中無法被有效描述。因此在傳統(tǒng)的蒙特卡洛程序中，通常使用軸向切片的堆疊模型來近似異形十字螺旋燃料，在軸向切片較多的情況下可將離散的螺旋拉伸面視為連續(xù)的螺旋曲面。這種方法提高了建模的精確度，但同時也增加了模型的復雜性。

4、為解決csg建模方法在處理螺旋曲面上的問題，威斯康星大學開發(fā)了直接加速蒙特卡羅方法(dagmc)，實現(xiàn)了基于cad模型的粒子定位與輸運計算。d?agmc可以使用經(jīng)過cubit處理過的由autocad，solidworks，comsol?mu?ltiphysics等軟件建立的cad模型。這種方法擁有很強的建模自由度和精度。

5、由于dagmc的幾何由大量的三角形面片化實體組成，在進行粒子輸運計算時需要引入大量的幾何計算來確定粒子所在的位置和可能的邊界交點，因此存在計算效率上的問題，難以直接應用于反應堆的設計。

6、綜上所述，現(xiàn)有技術中核設計所采用的設計程序一般為apollo、casmo等大多針對的是簡單的圓柱形燃料元件，難以處理復雜的幾何模型，因此需要將異形十字螺旋燃料元件的復雜螺旋幾何等效為簡單的圓形幾何，并確保在不同條件下，有效增殖系數(shù)在燃耗計算中的準確性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中核設計所采用的設計程序的針對的是簡單的圓柱形燃料元件，難以處理復雜的幾何模型，因此需要將異形十字螺旋燃料元件的復雜螺旋幾何等效為簡單的圓形幾何，并確保在不同條件下，有效增殖系數(shù)在燃耗計算中的準確性。

2、為解決上述技術問題本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

3、方案一、一種適用于異形燃料的等效建模方法，所述等效建模方法包括以下步驟：

4、步驟一、計算異形十字螺旋燃料模型的初始條件下的有效增殖系數(shù)keffhex和燃耗條件下的有效增殖系數(shù)

5、步驟二、構建等效模型并設定等效模型的初始值，所述初始值包括初始化等效模型中心燃料體積fueliter和搜索過程中的fuelmin，fuelmax；其中，fuelmin為異形十字螺旋燃料體積的二分之一，fuelmax為異形十字螺旋燃料總體積；

6、初始化等效模型中間層冷卻劑體積wateriter和watermax，其中，watermin＝0；

7、步驟三、使用蒙特卡洛方法計算步驟二中所述的等效模型的有效增殖系數(shù)keffeq，并與步驟一所述的異形十字螺旋燃料模型的有效增殖系數(shù)keffhex進行比較，當兩者的差值小于20pcm時視為等效；若兩者的差值大于20pcm，則需要重新計算等效模型的中間層冷卻劑體積，并對中間層冷卻劑的體積更新；

8、步驟四、使用蒙特卡洛方法分別計算步驟一中異形十字螺旋模型與步驟二中所述的等效模型在不同燃耗點下的有效增殖系數(shù)并進行比較；若在所有燃耗點下，兩者差值均小于300pcm，則與步驟二中所構建的模型等效，否則更新步驟二中等效模型中心燃料的大小。

9、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，步驟一中所述的異形十字螺旋燃料模型采用軸向切片分十層的csg堆疊模型實現(xiàn)。

10、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，步驟三中對中間層冷卻劑的體積更新的方法為：wateriter＝(watermin+watermax)/2

11、如果keffeq>keffhex，則watermax＝wateriter，更新wateriter；

12、如果keffeq<keffhex，則watermin＝wateriter，更新wateriter。

13、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，步驟四中對中心燃料的體積更新的方法為：fueliter＝(fuelmin+fuelmax)/2

14、計算異形十字螺旋燃料與等效模型的有效增殖系數(shù)在所有燃料點下的誤差，并計算其誤差的均值

15、如果err>0，則fuelmax＝fueliter，更新fueliter；

16、如果err>0，則fuelmin＝fueliter，更新fueliter。

17、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，所述步驟二中所述的與異形十字螺旋燃料的有效增殖系數(shù)相等的等效模型的布置方式依次為中心燃料、中間層冷卻劑、外層燃料、包殼和外層冷卻劑。

18、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，設置步驟二中所述的與異形十字螺旋燃料的有效增殖系數(shù)相等的等效模型的布置方式后還包括確定中心燃料、中間層冷卻劑、外層燃料、包殼和外層冷卻劑幾何參數(shù)的步驟。

19、進一步的，提供一種優(yōu)選實施方式，所述中心燃料、中間層冷卻劑的幾何參數(shù)通過二分法確定得到，外層燃料、包殼和外層冷卻劑的幾何參數(shù)通過材料守恒的原理計算得到。

20、方案二、一種適用于異形燃料的等效建模系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

21、計算模塊，用于計算異形十字螺旋燃料模型的初始條件下的有效增殖系數(shù)keffhex和燃耗條件下的有效增殖系數(shù)

22、初始化模塊，用于構建等效模型并設定等效模型的初始值，所述初始值包括初始化等效模型中心燃料體積fueliter和搜索過程中的fuelmin，fuelmax；其中，fuelmin為異形十字螺旋燃料體積的二分之一，fuelmax為異形十字螺旋燃料總體積；

23、初始化等效模型中間層冷卻劑體積wateriter和watermax，其中，watermin＝0；

24、更新模塊，用于使用蒙特卡洛方法計算初始化模塊中所述的等效模型的有效增殖系數(shù)keffeq，并與計算模塊所述的異形十字螺旋燃料模型的有效增殖系數(shù)keffhex進行比較，當兩者的差值小于20pcm時視為等效；若兩者的差值大于20pcm，則需要重新計算等效模型的中間層冷卻劑體積，并對中間層冷卻劑的體積更新；

25、修正模塊，用于使用蒙特卡洛方法分別計算計算模塊中異形十字螺旋模型與初始化模塊中所述的等效模型在不同燃耗點下的有效增殖系數(shù)并進行比較；若在所有燃耗點下，兩者差值均小于300pcm，則與初始化模塊中所構建的模型等效，否則更新初始化模塊中等效模型中心燃料的大小。

26、方案三、計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器中存儲有計算機程序，當所述處理器運行所述存儲器存儲的計算機程序時，所述處理器執(zhí)行方案一中任意一項所述的方法。

27、方案四、計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)方案一中任一項所述的方法的步驟。

28、本發(fā)明的有益之處在于：

29、本發(fā)明所述的一種適用于異形燃料的等效建模方法在保證不同燃耗深度的有效增殖系數(shù)相等的條件下，降低了異形十字螺旋燃料元件的建模復雜度，使其能夠適用于傳統(tǒng)的核設計程序中，擴展異形十字螺旋燃料的分析方法。