本发明涉及核反应堆，尤其是涉及一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测方法及装置。
背景技术：
1、反应堆燃料棒包壳的完整性对核能安全至关重要。燃料棒包壳是一种密封、耐腐蚀的外层，用于包裹核燃料，防止辐射物质泄漏并确保反应堆稳定运行。燃料棒包壳是阻挡辐射物质的第一道防线。如果包壳受损，辐射物质可能泄漏到周围环境，对人类和生态系统造成潜在危害。维持包壳的完整性是确保辐射防护的关键。如果包壳受损，核燃料可能会与冷却剂发生非预期的接触，导致反应堆失控，产生过热、蒸汽压力升高等问题，甚至引发核事故。
2、燃料棒使用过程中发生轴向功率偏移是一种在核反应堆运行中常见的现象。随着时间的推移，燃料棒内核燃料会经历裂变反应，部分核燃料将被烧尽。由于核燃料的不均匀烧尽，燃料棒的上部和下部可能存在核燃料含量的差异，导致轴向功率偏移。此外，随着使用时间的增加，燃料棒可能会受到辐射损伤和热力应力的影响，导致结构和材料性质的变化。这种变化可能影响燃料的导热性和反应性，引起轴向功率偏移。轴向功率偏移的发生对于核反应堆的稳定运行可能产生一系列负面影响，因此在设计和运行过程中需要对此进行仔细监测和控制。采取适当的调整措施，如控制棒的移动、调整冷却剂流速等，可以帮助维持燃料棒功率分布的稳定性，确保核反应堆的安全和高效运行。
3、功率轴向偏移是指反应堆内不同轴向位置的功率分布不均匀，而这种不均匀性可能对反应堆运行产生一系列重要的影响。在燃料性能程序中考虑功率轴向偏移是具有重要价值的，因为它直接关系到核反应堆的安全性、性能和效率。此外，考虑功率轴向偏移对于优化燃料寿命和提高反应堆效率至关重要，通过了解不同部分的功率分布，可以更好地管理核燃料的使用，最大限度地延长燃料周期，减少燃料更换频率，提高反应堆的经济性。
4、但是，现有的包壳行为预测技术，通常通过燃料性能程序实现，关注重点在于燃料芯块、包壳间隙、力学变形、温度场分布和裂变气体压力等方面，对于中子物理的计算引入了大量的假设，进行了较多模型简化，无法真实的还原中子物理中轴向功率的分布，包壳行为预测不完整，降低了包壳的安全属性。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测方法及装置，完善了对燃料棒包壳性能的评估，提升了包壳行为预测的完整性，提高了燃料棒包壳的安全属性，对保护燃料棒的完整性、防止放射性物质外泄和确保反应堆安全有重要价值。
2、为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
3、第一方面，本发明实施例提供了一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测方法，包括：
4、对燃料棒进行中子物理计算确定当前时间步的轴向功率分布，基于所述当前时间步的轴向功率分布及所述燃料棒的初始轴向功率分布确定所述当前时间步的轴向功率偏移量；
5、基于所述轴向功率分布对所述燃料棒包壳进行传热计算，得到所述轴向功率偏移量影响下所述燃料棒包壳的温度场分布；其中，所述温度场分布包括包壳外侧温度及包壳内侧温度；
6、基于所述轴向功率偏移量影响下的温度场分布对所述包壳进行弹塑性形变计算，得到所述轴向功率偏移量影响下包壳变形情况。
7、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述对燃料棒进行中子物理计算确定当前时间步的轴向功率分布的步骤，包括：
8、计算所述燃料棒的轴向中子通量密度，基于所述轴向中子通量密度及所述燃料棒的材料在辐照环境中核素转变和衰变过程计算所述各轴向位置处的核素浓度；
9、基于所述轴向中子通量密度及所述各轴向位置处的核素浓度计算当前时间步下各轴向位置处的功率，得到所述轴向功率分布。
10、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述基于所述轴向中子通量密度及所述燃料棒的材料在辐照环境中核素转变和衰变过程计算所述各轴向位置的核素浓度的步骤，包括：
11、基于所述轴向中子通量密度及所述燃料棒的材料在辐照环境中核素转变和衰变过程构建核素燃耗过程方程，基于数值积分求解所述核素燃耗过程方程得到所述各轴向位置处的核素浓度。
12、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述基于所述轴向功率分布对所述燃料棒包壳进行传热计算，得到所述轴向功率偏移量影响下所述燃料棒包壳的温度场分布的步骤，包括：
13、获取当前时间步下的包壳氧化层厚度及污垢层厚度；
14、基于所述氧化层厚度及所述轴向功率分布确定所述包壳氧化层的温降，基于所述污垢层厚度及所述轴向功率分布确定所述污垢层的温降；
15、基于所述氧化层温降和所述污垢层的温降确定所述轴向功率偏移量影响下的包壳外侧温度，基于所述包壳外侧温度及所述轴向热流密度分布确定所述轴向功率偏移量影响下的包壳内侧温度。
16、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基于所述轴向功率偏移量影响下的温度场分布对所述包壳进行弹塑性形变计算，得到所述轴向功率偏移量影响下包壳变形情况的步骤，包括：
17、基于所述包壳外侧温度及所述包壳内侧温度确定所述包壳的特征形变；其中，所述特征形变包括包壳的蠕变和热应变；
18、基于所述包壳的蠕变和热应变构建所述包壳的弹塑性本构方程，采用有限元法求解所述弹塑性本构方程计算得到所述轴向功率偏移量影响下包壳的应力和应变。
19、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括：
20、对芯块和所述包壳进行弹塑性力学分析，直至芯块与包壳之间的相互作用距离小于预设误差距离，得到所述包壳内侧的接触应力；
21、基于裂变气体的扩散过程及裂变气体的释放量确定所述包壳内部的间隙气体压力；
22、将所述接触应力及所述间隙气体压力作为所述弹塑性本构方程的边界条件。
23、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述轴向功率分布的计算算式为：
24、
25、其中，p(z)为轴向z处的功率，α为转换常数，σf,j为核素j的裂变截面，nj(z)为轴向位置z处的核素j的核素浓度，φ(r,z)为轴向r径向z处的中子通量密度。
26、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述包壳外侧温度的计算算式为：
27、tco＝tcoolant+δtox+δtcrud
28、其中，tco为所述包壳外侧温度，tcoolant为冷却剂温度，δtox为所述氧化层温降，δtcrud为所述污垢层的温降。
29、进一步，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述包壳内侧温度的计算算式为：
30、
31、其中，tci为所述包壳内侧温度，tco为所述包壳外侧温度，p(z)为轴向z处的轴向功率，h为转换因子，tc为包壳厚度，kc为包壳导热系数。
32、第二方面，本发明实施例还提供了一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测装置，包括：
33、第一计算模块，用于对燃料棒进行中子物理计算确定当前时间步的轴向功率分布，基于所述当前时间步的轴向功率分布及所述燃料棒的初始轴向功率分布确定所述当前时间步的轴向功率偏移量；
34、第二计算模块，用于基于所述轴向功率分布对所述燃料棒包壳进行传热计算，得到所述轴向功率偏移量影响下所述燃料棒包壳的温度场分布；其中，所述温度场分布包括包壳外侧温度及包壳内侧温度；
35、第三计算模块，用于基于所述轴向功率偏移量影响下的温度场分布对所述包壳进行弹塑性形变计算，得到所述轴向功率偏移量影响下包壳变形量的轴向分布。
36、本发明实施例提供了一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测方法及装置，该方法包括：对燃料棒进行中子物理计算确定当前时间步的轴向功率分布，基于当前时间步的轴向功率分布及燃料棒的初始轴向功率分布确定当前时间步的轴向功率偏移量；基于轴向功率分布对燃料棒包壳进行传热计算，得到轴向功率偏移量影响下燃料棒包壳的温度场分布；其中，温度场分布包括包壳外侧温度及包壳内侧温度；基于轴向功率偏移量影响下的温度场分布对包壳进行弹塑性形变计算，得到轴向功率偏移量影响下包壳变形情况。本发明通过在燃料棒使用过程中对燃料棒进行中子物理分析计算轴向功率分布，可以预测不同时间步下的轴向功率偏移量情况，通过根据轴向功率分布确定轴向热流密度分布，并根据轴向热流密度分布对燃料棒进行传热计算，以及根据轴向功率偏移量影响下的温度场分布确定轴向功率偏移量影响下包壳变形量的轴向分布，可以对不同轴向功率偏移量下包壳的温度场分布情况及包壳变形的预测，实现了对不同轴向功率偏移水平下燃料棒包壳行为的预测，完善了对燃料棒包壳性能的评估，提升了包壳行为预测的完整性，提高了燃料棒包壳的安全属性，对保护燃料棒的完整性、防止放射性物质外泄和确保反应堆安全有重要价值。
37、本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。
38、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
1.一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述对燃料棒进行中子物理计算确定当前时间步的轴向功率分布的步骤，包括：
3.根据权利要求2所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述基于所述轴向中子通量密度及所述燃料棒的材料在辐照环境中核素转变和衰变过程计算所述各轴向位置的核素浓度的步骤，包括：
4.根据权利要求1所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述基于所述轴向功率分布对所述燃料棒包壳进行传热计算，得到所述轴向功率偏移量影响下所述燃料棒包壳的温度场分布的步骤，包括：
5.根据权利要求1所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述基于所述轴向功率偏移量影响下的温度场分布对所述包壳进行弹塑性形变计算，得到所述轴向功率偏移量影响下包壳变形情况的步骤，包括：
6.根据权利要求5所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，还包括：
7.根据权利要求2所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述轴向功率分布的计算算式为：
8.根据权利要求4所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述包壳外侧温度的计算算式为：
9.根据权利要求4所述的燃料棒包壳行为预测方法，其特征在于，所述包壳内侧温度的计算算式为：
10.一种轴向功率偏移下的燃料棒包壳行为预测装置，其特征在于，包括：
