申请/专利权人：西安交通大学

申请日：2023-12-27

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN117711507A

主分类号：G16C10/00

分类号：G16C10/00;G06F30/25;G06F17/18

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.02#实质审查的生效;2024.03.15#公开

摘要：基于分子动力学的铅铋快堆裂变产物扩散系数求解方法，主要步骤如下：1、铅铋快堆芯块晶胞模型建模；2、系统初始化；3、扩胞并加入裂变产物；4、裂变产物及铅铋快堆芯块分组；5、建立势函数；6、系统能量最小化；7、选定运行条件；8、弛豫系统；9、基于分子动力学计算裂变产物的均方位移；10、开展统计学分析计算求解扩散系数；11、计算得出一定数量选定温度点的扩散系数；12、结合公式拟合曲线。该方法可以运用于裂变产物在铅铋快堆芯块内扩散系数的计算。由于芯块的扩散过程难以通过实验开展全面的化学相互作用研究，因此需要通过模拟研究来获取扩散预测模型。本发明方法能够基于分子动力学计算裂变产物在铅铋快堆芯块中的扩散系数。

主权项：1.一种基于分子动力学的铅铋快堆裂变产物扩散系数求解方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：首先获取铅铋快堆芯块的晶胞类型和晶格常数，然后采用建模软件建立铅铋快堆芯块的晶胞模型，以供分子动力学软件使用；步骤2：将分子动力学软件系统初始化，选取适配单位制、模拟粒子类型，再将边界条件设定为三向周期性边界；步骤3：读取建立的铅铋快堆芯块的晶胞模型，在正交方向上复制晶胞若干次并去除原子以形成缺陷，并将裂变产物原子填充到这些缺陷中，形成铅铋快堆芯块-裂变产物扩散系数计算模型；步骤4：将裂变产物和铅铋快堆芯块的原子各分为一组，裂变产物原子组用于后续计算裂变产物在铅铋快堆芯块中的均方位移MSD以及裂变产物扩散行为的分析，基体材料原子组用于观测运算中是否存在问题；步骤5：针对裂变产物在铅铋快堆芯块中的扩散模拟，建立相对应的人工势场——势函数，通过实验、基于量子力学原理的计算拟合获取势函数的关键势参数，并将关键势参数以势函数所要求的格式写成势函数文件供分子动力学软件使用，以模拟裂变产物原子与铅铋快堆芯块原子之间的相互作用，以及两者自身原子之间的相互作用；步骤6：采用共轭梯度法对裂变产物和铅铋快堆芯块进行能量最小化，将裂变产物和铅铋快堆芯块的分子结构优化为能量最优结构，防止原子之间距离过近导致排斥力极大破坏模拟运算的进行；步骤7：以一个原子为最小单位基于牛顿经典力学原理计算所有原子的运动状态，首先选取运行步长并采用velocity-Verlet算法计算牛顿运动方程中的时间积分，然后对整个热扩散模拟系统施加一定的初速度，并采用正则系综和Nose-Hoover恒温方法保持裂变产物和铅铋快堆芯块的温度恒定，用于后续弛豫与均方位移计算过程；步骤8：在步骤7所选定的恒温温度下弛豫裂变产物在铅铋快堆芯块中的热扩散模拟系统，使热扩散模拟系统达到热力学平衡状态；步骤9：在正则系综下恒温运行一定时间，通过计算裂变产物所有粒子在若干个步长之后的位置与初始位置的差的绝对值的平方，再将上述的所有数据做加和再求平均值，以此方法计算得到裂变产物在铅铋快堆芯块中的均方位移MSD，计算公式如公式4所示，然后将裂变产物在铅铋快堆芯块中的均方位移MSD数据记录下来，方便后续提取数据； 式中MSD表示裂变产物在铅铋快堆芯块中的均方位移,n表示裂变产物粒子的个数；rit表示在模拟时刻t时第i个原子的位置，埃米ri0表示在初始时刻0时第i个原子的位置，步骤10：提取裂变产物在铅铋快堆芯块中的均方位移MSD数据，去除MSD增长较快的部分，然后计算剩余部分的MSD数据的平均值MSD，之后基于均方位移结果开展统计学分析计算求解扩散系数，具体采用如公式5所示的统计学公式计算扩散系数D； 式中D表示扩散系数，m2s；MSD表示剩余部分的MSD的平均值，N表示热扩散模拟系统的维数；t表示平均时间，皮秒ps；步骤11：选定温度区间，选定该温度区间内一定数量的温度点，根据步骤1到步骤10计算得出一定数量选定温度点的扩散系数；步骤12：采用Arrhenius方程表示扩散系数随温度变化的曲线关系，见公式6所示，使用步骤11中计算得出的一定数量选定温度点的扩散系数，以一定数量的散点来拟合曲线的方式，获取整个温度区间内扩散系数随温度变化的表示式，即公式6，其中Levenberg-Marquardt算法被用来拟合扩散前因子D0和活化能EA； 式中D表示扩散系数，m2s；D0表示扩散前因子，m2s；EA表示活化能，eV；k表示玻尔兹曼常数，JK；T表示运行温度，K。

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权利要求：

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