一种铀溶液的核临界安全计算的方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及后处理技术领域，特别是指一种铀溶液的核临界安全计算的方法、装置及设备。

背景技术

核燃料后处理是核燃料循环体系的中枢环节，也是核燃料循环体系中最薄弱的环节，是制约我国核能快速发展的突出因素，因此必须加快我国核燃料后处理的技术发展进程。

在核燃料后处理过程中，核临界安全至关重要，直接影响到产能与工艺设计，因此，对后处理设备进行有效的核临界安全计算与评价有一定的现实意义。

核燃料后处理过程中，由于核燃料浓度的空间变化引起的反应性效应是核临界安全的一个重要问题，尤其对低富集度(≤wt20％)铀的固液混合物临界计算的建模，历来是核临界安全计算评价的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铀溶液的核临界安全计算的方法、装置及设备，以提高核临界安全计算的精度，保证反应安全进行。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种铀溶液的核临界安全计算的方法，包括：

获取铀溶液系统中的材料参数与几何参数；所述铀溶液系统为盛放有铀溶液的溶解器；所述铀溶液的铀富集度低于20％；

根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型；

通过所述栅格模型计算所述铀溶液系统的有效中子增殖因子。

可选的，所述栅格模型位于所述铀溶液系统中的吊篮中。

可选的，所述栅格模型为多个核燃料棒在慢化剂中均匀分布形成的阵列，多个所述核燃料棒为二氧化铀核燃料棒。

可选的，所述二氧化铀核燃料棒为圆柱体，多个所述二氧化铀核燃料棒与慢化剂形成的阵列中，任意相邻的三个核燃料棒呈正三角形分布。

可选的，所述材料参数包括：

所述几何参数包括：所述栅格模型中二氧化铀核燃料棒的长度及半径、相邻两个二氧化铀核燃料棒间的棒间距、容器的尺寸及材质。

可选的，所述慢化剂与所述反射剂均为水。

可选的，根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型，包括：

根据所述铀溶液系统的无限中子增殖因子，获得所述栅格模型中二氧化铀燃料棒间的间距以及所述二氧化铀燃料棒的半径；

根据所述二氧化铀燃料端间的棒间距，获取所述二氧化铀燃料棒在多个不同预设半径下的有效中子增殖因子；

根据所述有效中子增殖因子、所述二氧化铀核燃料棒间的棒间距以及所述二氧化铀燃料棒的半径获取所述棒间距与所述有效中子增殖因子的第一曲线图，以及所述二氧化铀核燃料棒的半径与所述有效中子增殖因子的第二曲线图；

确定所述第一曲线图、所述第二曲线图中极值为所述栅格模型的目标棒间距、目标核燃料棒半径。

可选的，通过所述栅格模型计算所述铀溶液系统的有效中子增殖因子，包括：

根据公式：K

一种铀溶液的核临界安全计算的装置，包括：

获取模块，用于获取铀溶液系统中的材料参数与几何参数；所述铀溶液系统为盛放有铀溶液的溶解器；

处理模块，用于根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型；通过所述栅格模型对所述铀溶液系统进行计算，并获得所述铀溶液系统的有效中子增殖因子的计算结果。

一种计算设备，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如上述所述的方法。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明的上述方案，通过获取铀溶液系统中的材料参数与几何参数；所述铀溶液系统为盛放有铀溶液的溶解器；所述铀溶液的铀富集度低于20％；根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型；通过所述栅格模型计算所述铀溶液系统的有效中子增殖因子，提高了核临界安全计算的准确度与精度，进而保证核反应设备的安全。

附图说明

图1是本发明实施提供的铀溶液的核临界安全计算的方法流程示意图；

图2是本发明一可选实施例提供的不同

图3是本发明一可选实施例提供的栅格模型的俯视图；

图4是本发明一可选实施例提供的栅格模型的剖视图；

图5是本发明一可选实施例提供的K

图6是本发明一可选实施例提供的K

图7是本发明一可选实施例提供的铀溶液的核临界安全计算的装置模块示意图。

附图标号说明：1、核燃料棒；2、溶解器；3、大吊篮。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的实施例提出一种铀溶液的核临界安全计算的方法，包括：

步骤11，获取铀溶液系统中的材料参数与几何参数；所述铀溶液系统为盛放有铀溶液的溶解器；所述铀溶液的铀富集度低于20％；

步骤12，根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型；

步骤13，通过所述栅格模型计算所述铀溶液系统的有效中子增殖因子。

该实施例中，所述铀溶液系统中，铀富集度低于20％，且铀溶液为粒径达到厘米量级，即为明显的固液混合物；

所述溶解器可以包括：溶解罐、大吊篮、小吊篮、循环板槽等结构，在进行后处理之前，可以通过剪切机将核燃料组件剪切成短段，该核燃料组件为包含铀元素的燃料组件，长度一般为2-5cm，并限制在大吊篮中进行溶解；在溶解过程中核燃料短段逐渐减少，同时溶液的铀浓度逐渐增大，溶解终了后获取均匀浓度的铀溶液；优选的，所述溶解器可以选用不锈钢材质；

本发明的一可实施例中，溶解器适用的规格可以是：直径31.5cm，高度为200cm，所述大吊篮为圆柱体，适用的规格可以是：直径27.5cm；

所述铀溶液系统中，燃料棒为二氧化铀核燃料棒，系统中二氧化铀的总质量保持不变，优选的，可以通过调整燃料棒的半径、高度以及密度来实现；所述栅格模型为低富集度的铀溶液系统中临界事故情景假设下的几何模型，构建成所述栅格模型的核燃料棒为二氧化铀核燃料棒，通过所述材料参数、所述几何参数以及所述核燃料棒在所述溶解器中构建栅格模型，并基于构建好的栅格模型，采用蒙特卡罗程序进行核反应安全计算，获得所述铀溶液系统的有效中子增殖因子，并将所述有效中子增殖因子作为最终计算结果，以及所述栅格模型可以提高有效中子增殖因子计算的精度，并规范后处理过程中核临界安全的计算；

进一步的，所述材料参数包括：

所述几何参数包括：所述栅格模型中二氧化铀核燃料棒的长度及半径、相邻两个二氧化铀核燃料棒间的棒间距。

该实施例中，在基于所述栅格模型采用蒙特卡罗程序进行核反应安全计算的时，所需的参数包括：材料参数与几何参数；其中，所述几何参数由外向里主要包括全水反射层的厚度、所述栅格模型的结构，所述栅格模型的结构可以包括：二氧化铀核燃料棒按正三角形排列时形成的正三角形的边长、二氧化铀核燃料棒的半径与长度、二氧化铀核燃料棒的间距、二氧化铀核燃料棒的总质量等。

本发明的一可选实施例中，所述栅格模型位于所述铀溶液系统中的吊篮中，且处于大吊篮3中，针对不同

优选的，所述无限中子增殖因子K

K

其中，p为铀溶液系统中逃脱共振俘获概率，f为铀溶液系统中热中子利用系数，η为铀溶液系统中有效裂变中子数，ε为快中子增殖因数；

如图3至4所示，所述栅格模型由多个具有相同直径和高度的二氧化铀核燃料棒1、慢化剂以及反射剂构成；优选的，所述慢化剂1与所述反射剂3均可以是水，以保证反应过程中的安全性以及慢化效果；核燃料棒的尺寸可以采用核燃料组件中核燃料棒的直径，一可选参数为0.816cm；在溶解核燃料组件的过程当中所述核燃料棒的直径也会随之减小；所述核燃料棒的高度按可以依据溶解器的高度进行设置；

所述二氧化铀核燃料棒1置于所述大吊篮3中，所述大吊篮3置于所述溶解器1中，所述慢化剂填充在多个二氧化铀核燃料棒1之间，所述反射剂置于所述溶解器2的外部，形成所述栅格模型的全水反射层；

如图3至4所示，本发明的一可选实施例中，多个二氧化铀核燃料棒1在所述慢化剂中均匀分布形成的阵列，以保证整个铀溶液系统的均一性，达到最优的慢化效果；优选的，多个所述核燃料棒1为二氧化铀核燃料棒。

本发明的一可选实施例中，所述二氧化铀核燃料棒为圆柱体，多个所述二氧化铀核燃料棒与慢化剂2形成的阵列中，任意相邻的三个核燃料棒呈正三角形分布。

该实施例中，所述阵列中任意相邻的三个二氧化铀核燃料棒呈正三角形排列，以保证每根二氧化铀核燃料棒与其周围的二氧化铀核燃料棒的距离都相同，保证反应时的慢化效果最优；

本发明的一可选实施例中，上述步骤12，可以包括：

步骤121，根据所述铀溶液系统的无限中子增殖因子，获取构建所述栅格模型所需的二氧化铀燃料棒间的间距以及所述二氧化铀燃料棒的半径；

步骤122，根据所述二氧化铀核燃料棒间的棒间距，获取所述二氧化铀核燃料棒在多个不同预设半径下的有效中子增殖因子；

步骤123，根据所述有效中子增殖因子、所述二氧化铀核燃料棒间的棒间距以及所述二氧化铀核燃料棒的半径，获取所述棒间距与所述有效中子增殖因子的第一曲线图，以及所述二氧化铀核燃料棒的半径与所述有效中子增殖因子的第二曲线图；

步骤124，确定所述第一曲线图、所述第二曲线图中极值为所述栅格模型的目标棒间距、目标核燃料棒半径。

该实施例中，根据所述铀溶液系统的无限中子增殖因子K

根据设置核燃料棒之间的不同棒间距以及核燃料棒的半径，可以通过计算铀溶液系统的有效中子增殖因子K

根据所述第一曲线图以及第二曲线图，确定曲线图中峰值点对应的有效中子增殖因子K

一可实现实例中，以核燃料棒的半径为0.6cm为例，进行计算，计算过程中通过调整核燃料棒之间的间距，计算出同一半径下、不同棒间距下的有效中子增殖因子K

表1燃料棒半径为0.6cm的计算结果

通过表1和图5可以看出，对于核燃料棒半径为0.6cm的情况，应选取的点是K

进一步，对不同棒半径的最佳慢化进行了计算，对应的计算结果见表2所示，并绘制和图2。计算出不同半径以及不同棒间距下的有效中子增殖因子K

表2不同棒半径的计算结果

通过表2和图2可以看出，峰值对应的点的半径为0.4cm，在对溶解器采用栅格模型建模时，所选用的建模参数可以选用核燃料棒的半径为0.4cm及核燃料棒的棒间距为1.5cm，为最佳栅格模型的建模参数；

本发明的一可选实施例中，上述步骤13，可以包括：

步骤131，根据公式：K

该实施例中，通过构建好的栅格模型，以及栅格模型中的核燃料棒的半径以及棒间距，计算铀溶液系统的有效中子增殖因子，进一步的，可以根据最终计算获得的有效中子增殖因子，可以调控系统在反应过程中的参数，以保证设备在运行过程中的安全性。

本发明的实施例还提供一种铀溶液的核临界安全计算的装置70，包括：

获取模块71，用于获取铀溶液系统中的材料参数与几何参数；所述铀溶液系统为盛放有铀溶液的溶解器；

处理模块72，用于根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型；通过所述栅格模型对所述铀溶液系统进行计算，并获得所述铀溶液系统的有效中子增殖因子的计算结果。

可选的，所述栅格模型位于所述铀溶液系统中的吊篮中。

可选的，所述栅格模型为多个核燃料棒在慢化剂中均匀分布形成的阵列，多个所述核燃料棒为二氧化铀核燃料棒。

可选的，所述二氧化铀核燃料棒为圆柱体，多个所述二氧化铀核燃料棒与慢化剂形成的阵列中，任意相邻的三个核燃料棒呈正三角形分布。

可选的，所述材料参数包括：

所述几何参数包括：所述栅格模型中二氧化铀核燃料棒的长度及半径、相邻两个二氧化铀核燃料棒间的棒间距、容器的尺寸及材质。

可选的，所述慢化剂与所述反射剂均为水。

可选的，所述处理模块72，用于根据所述材料参数、所述几何参数以及核燃料棒构建栅格模型，包括：

根据所述铀溶液系统的无限中子增殖因子，获得所述栅格模型中二氧化铀燃料棒间的间距以及所述二氧化铀燃料棒的半径；

根据所述二氧化铀核燃料棒间的棒间距，获取所述二氧化铀燃料棒在多个不同预设半径下的有效中子增殖因子；

根据所述有效中子增殖因子、所述二氧化铀核燃料棒间的棒间距以及所述二氧化铀燃料棒的半径获取所述棒间距与所述有效中子增殖因子的第一曲线图，以及所述二氧化铀核燃料棒的半径与所述有效中子增殖因子的第二曲线图；

确定所述第一曲线图、所述第二曲线图中极值为所述栅格模型的目标棒间距、目标核燃料棒半径。

可选的，所述处理模块72，用于通过所述栅格模型计算所述铀溶液系统的有效中子增殖因子，包括：

根据公式：K

需要说明的是，该装置是与上述方法对应的装置，上述方法实施例中的所有实现方式均适用于该装置的实施例中，也能达到相同的技术效果。

本发明的实施例还提供一种计算设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的方法对应的操作。

需要说明的是，该计算设备是与上述方法对应的计算设备，上述方法实施例中的所有实现方式均适用于该计算设备的实施例中，也能达到相同的技术效果。

本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有指令，所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上所述的方法。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行，某些步骤可以并行或彼此独立地执行。对本领域的普通技术人员而言，能够理解本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本发明的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。

因此，本发明的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本发明。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。还需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。