Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

КузминАМ Основы теории критичности 2008

.pdf
Скачиваний:
193
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1.51 Mб
Скачать

Чтобы точнее выполнить первое из условий (2.42), расположим

точки с координатами r

, r

так, что

r

= 0 ,

r =

r(1)

.

(1 / 2)

1

 

(1 / 2)

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты остальных точек рассчитаем по формулам:

rk = rk(1 / 2)

+

rk(1 / 2)

,

rk+(1 / 2) = rk +

rk+(1 / 2)

, k =1,2,, (2.47)

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

= r(i) , если r

R(i) .

где r

 

= r

r

 

 

k (1/ 2)

 

k

k 1

 

k (1/ 2)

 

 

В качестве примера на рис.2.4 приведено расположение точек основной и вспомогательной сетки в 3-зонном реакторе при

N1 = 4, N2 = 5, N3 = 6 .

Учитывая непрерывность потока и тока нейтронов, запишем разложения:

φ(r) =φ(rk ) + dφ

 

 

(r rk ) +…, rk(1/ 2) r rk+(1/ 2)

 

 

 

dr

 

r=r

(2.48)

J (r) = J (rk+(1/ 2) ) + dJ

k

 

(r rk+(1/ 2) ) +…, rk r rk+1

 

dr

r=r

 

 

 

 

k +(1 / 2 )

 

Рис.2.4. Сетка размещения точек в 3-зонном реакторе

41

Для функции источника q(r) , которая терпит разрыв в точке rk (если она находится на границе раздела зон), имеем:

q(r) = q+ (rk ) + dq

(r rk ) +…,

rk < r rk+(1/ 2)

dr

r=r +0

, (2.49)

q(r) = q(rk ) + dq

k

 

(r rk ) +…,

rk(1/ 2) r < rk

dr

r=r 0

 

 

k

 

где q+ (r ) = lim q(r) ,

q(r ) = lim q(r) .

k

rrk +0

k

rrk 0

 

 

Основное допущение численного метода состоит в том, что в разложениях (2.48) и (2.49) можно ограничиться только первыми слагаемыми. Очевидно, это выполняется, когда функции φ(r) , J (r) , q(r) слабо изменяются на соответствующих

интервалах и шаг сетки r(i) в каждой зоне мал. Тогда в уравнениях (2.44), (2.45) интегралы можно заменить выражениями:

rk +(1/ 2)

rk +(1/ 2 )

(Σ(r)φ(r) q(r))rν dr = φ(rk ) Σ(r)rν dr q+

rk (1/ 2 )

rk (1/ 2)

rk +(1/ 2)

(rk ) rν dr q

rk

r

 

(rk ) k

rν dr

rk (1/ 2 )

rk +1~

~

 

 

 

 

 

 

Σ(r) J (r) dr

= Σ(rk+(1 / 2) ) J (rk+(1 / 2) ) rk+(1 / 2) .

 

 

 

 

rk

 

~

 

 

 

 

 

Здесь учитывается, что функция

постоянна

на

любом

Σ(r)

 

~

 

rk +(1 / 2 )

 

 

 

интервале rk < r < rr+1

 

а значения

Σ(r)r

ν

dr

и равна Σ(rk+(1 / 2) ) ,

 

 

 

 

rk (1/ 2 )

 

 

 

нетрудно получить, учитывая зависимость функции Σ(r)

от r.

 

Вводя обозначения:φk =φ(rk ),

Jk +(1 / 2)

= J (rk +(1 / 2) )

,

 

 

 

Vk =

Σ k =

rk +(1 / 2 )

 

 

~

~

 

 

 

 

 

r

ν

dr ,

 

 

 

 

 

 

 

Σk+(1 / 2) = Σ(rk+(1 / 2) ) ,

 

 

 

rk (1/ 2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

rk +(1/ 2)

ν

 

 

q(r )

rk

ν

 

q+

V

r

Σ(r)r

 

dr ,

q k =

Vk

r

 

dr +

 

k

 

 

 

 

k

r

 

 

 

 

 

k (1/ 2 )

 

 

 

 

k (1/ 2)

 

 

(2.50)

(r ) rk +(1/ 2 )

k rν dr

Vk rk

придём к конечно-разностным уравнениям вида ( k =1, 2,):

rν

J

k(1/ 2)

rν

J

k+(1/ 2)

− Σ

k

φ

k

V =− q

V . (2.51)

k(1/ 2)

 

k+(1/ 2)

 

 

 

k

k k

42

Заменим в них токи нейтронов Jk(1 / 2) ,

Jk+(1 / 2)

выражениями:

Jk(1 / 2) =

φk1

φk

,

Jk+(1 / 2)

=

 

φk φk+1

. (2.52)

~

rk(1 / 2)

3

~

rk+(1 / 2)

 

3Σk(1 / 2)

 

 

 

Σk+(1 / 2)

 

Учитывая первое из условий (2.42) (которое в силу принятых

обозначений запишется в виде J1 / 2

= 0 ), получим:

 

a1φ2 b1 φ1 = − f1 ,

 

 

(2.53)

ak φk+1 bk φk +ck φk1 = − fk ,

k = 2,3,, N 1.

(2.54)

 

 

 

rν

 

 

 

 

 

 

 

ak =

 

~

k+(1/ 2)

 

 

, bk

= ak + ck + Σ k Vk , fk = q k

Vk

3

 

 

 

 

 

Σk+(1/ 2)

rk+(1/ 2)

 

 

 

для значений k =1, 2,, а для коэффициентов ck имеем:

 

c1 = 0 ,

 

ck =

 

~

rk(1 / 2)

, k = 2,3,.

(2.55)

 

3

 

rk(1 / 2)

 

 

 

 

 

Σk(1 / 2)

 

 

Уравнения (2.53), (2.54) образуют систему разностных уравнений 2-го порядка. Каждое содержит неизвестные потоки

φk1 , φk , φk+1 в трёх следующих одна за другой точках основной

сетки. В таком случае решение ищется, используя метод факторизации, называемый также методом прогонки.

Суть метода заключается в переходе к разностным уравнениям первого порядка:

φk+1 = μk φk θk ,

φk1

=

φk +θk1 ,

(2.56)

 

 

 

μk1

 

в которых коэффициенты

μk , θk

определяются

так, чтобы

равенства (2.53), (2.54) выполнялись как тождества. Заменяя в этих равенствах потоки φk+1 , φk1 выражениями (2.56), получим:

φ1 (a1 μ1 b1 ) a1θ1 = − f1 ,

c

 

 

 

 

 

 

 

 

φk (ak μk bk +ck μk11 )ak θk +

k

θk1

= − fk , k = 2,3,

μ

 

 

 

k1

 

 

 

Отсюда

вытекают

следующие

 

соотношения

между

коэффициентами μk , θk и μk1 , θk1 в двух узлах сетки:

43

μ =

b1

,

θ

=

f1

,

 

(2.57)

 

 

 

1

 

 

a1

 

 

1

 

a1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μk

=

bk

 

ck

 

,

θk =

fk

+

ck

θk1 , k = 2,3,

 

 

ak μk1

ak

 

 

 

 

ak

 

 

 

 

 

 

ak μk1

Учитывая выражения (2.56) и (2.57), приходим к следующей схеме расчёта потоков. Вначале по значениям μ1 , θ1 , полученным

по формулам (2.57), определяют остальные коэффициенты μk , θk ,

последовательно перемещаясь от точки k = 2 до точки k = N 1. Записав второе соотношение (2.56) для точки k = N и учитывая, что φN = 0 , находим значение φN 1 . Затем по той же формуле (2.56) рассчитываем остальные значения потоков, двигаясь в направлении уменьшения номера k точки: φN 2 , φN 3 ,,φ2 , φ1 .

В плоской геометрии (ν = 0) вместо первого условия в (2.43) может приниматься φ(0) = 0 . Это соответствует реактору,

который не обладает свойством симметрии и в котором при r = 0 находится экстраполированная граница. Тогда можно к основной сетке разбиения в 1-й зоне добавить точку с номером k = 0 , поместив её на границу r = 0 . Считая по-прежнему, что N1 – число точек вспомогательной сетки в 1-й зоне, и рассчитывая шаг

сетки

в этой

зоне по формуле

r(1) =

R1

, получим:

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

1

 

r

=

r(1)

, r

= r(1) . Координаты других точек находятся по

(1 / 2)

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

формулам (2.47). На рис.2.4 (в верхнем правом углу) представлено расположение точек, когда N1 = 4 .

В этом случае конечно-разностное уравнение (2.51), записанное для точки k =1 , также приводится к виду (2.53). Однако для коэффициента b1 вместо (2.55) имеем:

b1

= a1

+

3

~ 1

+ Σ 1 V1 .

(2.58)

 

 

 

Σ1 / 2

r1/ 2

 

 

 

 

 

 

44

 

Остальные формулы ничем не отличаются от тех, которые получены ранее.

В заключение отметим, что использование метода факторизации не приводит к возрастанию ошибок округления, т.е. расчётная схема (2.56) устойчива. Это можно продемонстрировать на примере плоского реактора без отражателя. Учитывая, что в таком

~

реакторе Σ, Σ, r не меняются от одной точки к другой, имеем:

ak = ck =

 

~1

, bk =

 

~2

 

r ,

μk = 2 + h

1

, k = 2,3,

3

3

r

 

 

Σ r

 

Σ

 

 

μk 1

μ1 = 2 + h,

 

~

( r)

2

> 0 .

 

 

 

 

h = 3Σ Σ

 

 

 

 

 

Последовательность

{μk }, k =1,2,является

монотонно

убывающей

и

ограниченной снизу.

Поэтому

существует

lim μ

k

= ξ , который можно найти из равенства μ = 2 + h

1

, т.е.

 

k→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

μ

как корни уравнения:

μ2 (2 + h) μ +1 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

нужно

 

выбрать

наименьший

 

корень

~

 

h

h2

+h ,

 

 

 

 

 

 

 

μ =1+ 2

4

что вытекает из анализа сходимости

последовательности {μk } (а также подтверждает рис.6). Причём,

 

 

~

<1, поскольку h > 0 .

 

 

 

 

значение μ

 

 

 

 

Теперь допустим, что при расчёте потока нейтронов в точке rk возникла ошибка округления δk , а вместо истинного значения φk

получено

приближённое

значение φ~k = φk +δk . Тогда

 

при

переходе

к другим точкам

rk+s (s 1)

и определении φk+s

 

по

формулам (2.56) ошибка δk+s = μk

μk+1

μk+s1 δk . Если считать,

что значение k велико (т.е. точка rk

находится далеко от границы),

 

 

 

~

~

s

δk .

то можно принять μk = μk+1 =…= μ

и поэтому δk+s = (μ)

 

Таким образом, ошибка убывает (так как μ~ <1), стремясь к нулю, со скоростью геометрической прогрессии.

45

2.6. Конечно-разностные уравнения двумерного реактора

Особенности численного метода расчёта распределений нейтронов в более сложных моделях рассмотрим на примере многозонного цилиндрического реактора, симметричного относительно центральной оси и диаметральной плоскости. Выбирая для описания нейтронного поля в таком реакторе цилиндрическую систему координат, получим, что поток φ(r, z)

будет зависеть лишь от двух переменных: r и z – расстояний до оси и плоскости симметрии, соответственно. При этом ток

нейтронов J (r, z) = I (r, z) er

+Y (r, z) ez , а уравнения (2.37) можно

записать в виде (по-прежнему номер итерации опускаем):

 

1

(rI (r, z))

+

Y (r, z)

+ Σ(r, z)φ(r, z) = q(r, z) ,

(2.59)

r

r

 

 

z

 

 

 

 

φ(r, z)

 

~

 

 

 

 

 

 

 

r

+3Σ(r, z) I (r, z) = 0 ,

 

(2.60)

φ(r, z)

 

~

 

 

 

 

 

 

 

z

 

+ 3Σ(r, z)Y (r, z) = 0 .

 

(2.61)

Как

и

раньше

считаем,

что

макроскопические

сечения

 

~

 

 

 

 

q(r, z)

терпят разрывы на границах

Σ(r, z) , Σ(r, z) и источник

зон

r = Ri

(i =1,2,, n) ,

z = H j ( j =1,2,, m) ,

а при

r = Rn , z = Hm

расположены

экстраполированные

границы

реактора (рис.2.5). Поток φ(r, z) и проекции тока I (r, z) , Y (r, z)

нейтронов

непрерывны в

области 0 r Rn , 0

z Hm и

удовлетворяют граничным условиям:

 

J (0, z) = 0,

Y (r,0) = 0,

φ(Rn , z) = 0, φ(r, Hm ) =

0 . (2.62)

46

Рис.2.5. Расположение зон в 2-мерном цилиндрическом реакторе

Учитывая замечания, сделанные в разделе 2.4 (относительно

расположения

точек),

 

разместим

на

отрезках

0 r Rn ,

0 z Hm

по

две

системы

узловых

точек

с

постоянными

в

пределах

интервалов

Ri = Ri Ri1

и

H j = H j H j1

шагами

r(i) и

z( j) соответственно.

Как и в

одномерной геометрии, некоторые из точек основной системы попадут на границы раздела зон. Значения r(i) и z( j) рассчитываем по формулам вида (2.45) при заданном числе узлов Ni (или M j ) вспомогательных сеток на интервалах Ri (или H j ). Пронумеровав точки в направлении удаления от начала

координат, определим координаты {rk ,

rk(1 / 2) ,

k =1,2,, N }

точек,

расположенных

на

оси

r,

и

координаты

{zl , zl(1 / 2) , l =1,2,, M } точек, находящихся на оси z. При этом следует учесть, что

 

r

(1)

 

z

(1)

n

m

r1 =

 

, r1/ 2 = 0, z1 =

 

, z1 / 2 = 0 , N = Ni ,

M = M j .

 

2

 

2

i=1

j=1

47

Рис.2.6. Сетка точек и области интегрирования в r z геометрии цилиндрического реактора

Через точки с координатами (0, zl ) , (0, zl(1 / 2) ) проведём

плоскости,

параллельные диаметральной плоскости z = 0 , а через

точки с координатами

(rk , 0),

(rk(1 / 2) , 0)

цилиндрические

поверхности с

общей

осью,

расположенной

при r = 0 .

В

результате

область

0 r Rn , 0 z Hm

разбивается

на

ряд

элементарных

областей, а в плоскости, проходящей через ось

цилиндра, образуется двумерная сетка

основных

(rk , zl ) ,

промежуточных

(rk , zl(1 / 2) ) ,

(rk(1 / 2) , zl )

и

вспомогательных

(rk(1 / 2) , zl(1 / 2) )

точек. В той же плоскости элементарным

областям соответствуют прямоугольники, один из которых

k ,l

(соответствующий области Wk ,l

) заштрихован на рис.2.6.

 

 

Умножим уравнение (2.59)

на r , а затем проинтегрируем по

области

Wk ,l

,

включающей

точки

с

координатами

 

 

 

 

 

48

 

 

 

 

 

rk(1 / 2) r rk+(1 / 2) ,

zk(1 / 2) z zk+(1 / 2) ,

 

уравнение

(2.60)

проинтегрируем

по

области

Wk+(1 / 2),l :

rk

r rk +1 ,

zl (1 / 2)

z zl +(1/ 2) , а уравнение (2.61) – по области

Wk ,l+(1 / 2) :

rk(1 / 2) r rk+(1 / 2) ,

zl z zl+1 . В результате

получим:

 

 

 

 

 

 

rk +(1 / 2 )

 

zl+(1 / 2 )

rk +(1 / 2 )

 

 

 

[Y (r, zl+(1/ 2) ) Y (r, zl(1/ 2) )]rdr +

Σ(r, z)φ(r, z)rdr dz +

rk (1 / 2 )

 

zl(1 / 2 ) rk (1 / 2 )

 

 

 

zl +(1/ 2 )

 

 

 

zl+(1 / 2 ) rk +(1 / 2 )

 

+

[rk+(1/ 2) I (rk +(1/ 2) , z) rk (1/ 2) I (rk(1/ 2) , z)]dz =

q(r, z) rdr dz

 

zl (1 / 2 )

 

 

 

zl(1 / 2 ) rk (1 / 2 )

 

zl +(1/ 2 ) [φ(rk+1 , z) zl (1/ 2)

rk +(1/ 2 ) [φ(r, zl+1 ) rk (1 / 2 )

 

zl +(1 / 2 )

 

(2.63)

rk +1

 

 

φ(rk , z)]dz +3

~

,

(2.64)

Σ(r, z)I (r, z) dz dr = 0

rk

zl (1/ 2)

 

 

zl+1

rk +(1/ 2 )

 

 

φ(r, zl )]dr + 3

~

 

(2.65)

Σ(r, z)Y (r, z)dr dz = 0 .

zl

rk(1 / 2 )

 

 

Дальнейшие преобразования в основном совпадают с теми, которые проводились в одномерной геометрии. Функции φ(r, z), I (r, z) , Y (r, z) раскладываются в ряды Тэйлора в

окрестности точек, совпадающих с центрами элементарных

областей

Wk ,l , Wk+(1 / 2),l , Wk ,l+(1 / 2) соответственно. В

качестве

координат таких точек принимаются:

(rk , zl )

- для потока φ(r, z) ,

(rk+(1 / 2) , zl ) - для

проекции тока

I (r, z)

и

(rk , zl+(1 / 2) )

- для

проекции Y (r, z) .

Что касается функции q(r, z) , которая может

терпеть

разрывы

на границах

r = rk

и

z = zl ,

то

она

раскладывается в ряды Тейлора в окрестности точек с координатами

(rk +0, zl +0) , (rk +0, zl 0) , (rk 0, zl +0), (rk 0, zl 0) ,

принадлежащими разным областям Wk(,sl ) (они отмеченны на

рис.2.6 значениями s=1, 2, 3, 4). Предполагая далее, что функции φ(r, z) , I (r, z) , Y (r, z) , q(r, z) слабо меняются в пределах

49

указанных

выше

элементарных областей

и шаги сеток

r(i) , z( j) малы, приходим к конечно-разностным уравнениям:

(rk(1/ 2) Ik(1/ 2),l rk+(1/ 2) Ik+(1/ 2),l ) zl +(Yk ,l(1/ 2)

Yk ,l+(1/ 2) ) Vk

− Σ k ,l φk ,l Wk ,l

= − q k ,l

 

Wk ,l ,

 

(2.66)

(k =1,2,, N 1, l =1,2,, M 1)

 

 

Ik(1/ 2),l =

 

~ φk1,l

φk ,l

,

k = 2,3,, N,

l =1,2,, M 1,

 

 

 

3 Σ k(1/ 2),l rk(1/ 2)

 

 

 

 

Yk ,l(1/ 2) =

 

~ φk ,l1

φk ,l

,

k =1,2,, N 1,

l = 2,3,, M .

 

 

 

3 Σ k ,l(1/ 2) zl(1/ 2)

 

 

 

 

Здесь приняты следующие обозначения:

φk ,l =φ(rk , zl ) , Ik(1/ 2),l = I (rk(1/ 2) , zl ) , Yk ,l(1/ 2)

(2.67)

=Y (rk , zl(1/ 2) ) ,

 

 

 

rk +(1/ 2 )

 

φk ,l =φ(rk , zl ) , Ik(1/ 2),l = I (rk(1/ 2) , zl ) ,

Vk =

r dr ,

(2.68)

 

 

 

rk (1/ 2)

 

rk = rk+(1 / 2) rk (1 / 2) ,

zl = zl+(1 / 2) zl(1 / 2) ,

Wk ,l = Vk

zl ,

rk = rk+(1 / 2) rk(1 / 2) ,

zl = zl+(1 / 2) zl(1 / 2) ,

zl(1 / 2) = zl zl1 ,

Σ k ,l = W1

 

zl

 

Σ(r, z) r dr dz ,

 

 

 

 

 

+(1 / 2 )

rk +(1 / 2 )

~

 

 

k ,l zl(1 / 2 ) rk (1 / 2 )

 

 

 

1

 

 

 

~

 

 

 

 

z

 

 

zl +(1/ 2 )

Σ k(1 / 2),l

=

 

 

 

Σ(rk (1 / 2) , z) dz ,

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zl(1/ 2 )

 

1

 

 

 

zl +(1/ 2 ) rk +(1 / 2 )

q k,l =

 

 

 

 

q(r, z)rdrdz

W

 

 

 

 

 

k ,l zl (1 / 2 ) rk (1 / 2 )

~

 

 

 

1

 

rk +(1/ 2)

 

 

 

 

 

~

Σ k ,l(1 / 2)

=

 

 

Σ(r, zl(1 / 2) )dr .

 

r

 

 

 

 

 

 

 

k rk (1/ 2 )

Уравнения (2.66) (каждое из них выражает баланс нейтронов в элементе объёма Wk ,l ) необходимо дополнить условиями (2.62), которые запишутся в виде:

J(1 / 2),l = 0, Yk ,(1 / 2) = 0, φN ,l = 0, φk ,M = 0 .

(2.70)

Учитывая соотношения (2.67), (2.68) и первые два равенства (2.70), уравнения (2.66) можно привести к виду:

ak ,l φk+1,l +bk ,l φk ,l+1 +ck ,l φk1,l + dk ,l φk ,l1 pk ,l φk ,l = − fk ,l , (2.71)

50