基于FLUENT的核热耦合程序反应性反馈参数敏感性

将计算流体力学模型与中子动力学模型耦合来进行反应堆瞬态安全分析的方法,由于可以开展复杂几何结构的三维流动传热分析,因此受到很大的关注。基于FLUENT用户自定义功能（UDF）开发了一套可用于池式铅堆瞬态安全分析的核热耦合程序,程序耦合了临界/次临界点堆中子动力学模型和燃料棒模型。由于反应堆处于不同寿期时,随着燃料燃耗、可燃毒物积累等因素导致反应性反馈系数有较大变化,因此使用开发的核热耦合程序对中国科学技术大学提出的小型自然循环铅冷快堆进行不同关键反馈系数下无保护的瞬态超功率事故安全分析。调整点堆模块考虑到的四个反应性反馈系数,可以发现燃料多普勒系数对堆安全的影响最大,同时定量的分析结果表明超功率事故引入时间长短对事故演化有重要影响。     

基于通用型耦合方法蒙特卡罗核热耦合

在自主堆用蒙卡程序RMC内部开发的热工水力子通道功能模块 RMC-TH以及蒙特卡罗几何栅元计数器的基础上,研究并开发了通用型内耦合接口。与传统依赖文件传递信息的外耦合相比,该耦合方式对两种物理过程使用统一的输入文件,利用重复结构热工反馈栅元展开技术,可以实现物理-热工大规模几何模型的快速内部对应,突破了以往核热耦合程序通用性的限制;截面更新方面,采用在线多普勒展宽法（OTF）实现温度对中子截面的反馈作用。该方法只需加载0 K的截面库,可以降低对计算机内存的需求,提高计算效率。以单棒及典型压水堆PWR1717组件为例,对核热耦合过程进行了稳态模拟分析,结果证明了内耦合方法的可行性、正确性及高效性。     

基于通用型耦合方法蒙特卡罗核热耦合

在自主堆用蒙卡程序RMC内部开发的热工水力子通道功能模块 RMC-TH以及蒙特卡罗几何栅元计数器的基础上,研究并开发了通用型内耦合接口。与传统依赖文件传递信息的外耦合相比,该耦合方式对两种物理过程使用统一的输入文件,利用重复结构热工反馈栅元展开技术,可以实现物理-热工大规模几何模型的快速内部对应,突破了以往核热耦合程序通用性的限制;截面更新方面,采用在线多普勒展宽法（OTF）实现温度对中子截面的反馈作用。该方法只需加载0 K的截面库,可以降低对计算机内存的需求,提高计算效率。以单棒及典型压水堆PWR1717组件为例,对核热耦合过程进行了稳态模拟分析,结果证明了内耦合方法的可行性、正确性及高效性。     

有温度反馈阶跃引入负反应性瞬变的解

考虑有温度反馈反应堆阶跃引入负反应性过程的变化规律,对点堆中子动力学方程的解进行研究,给出不同的分析模型,分析发现,（1）用于瞬发超临界的分析模型及其结果不能用于引入大的负反应性过程的分析.（2）在相同的初始功率时,先驱核瞬跳近似模型的结果要优于目前比较普遍的中子瞬跳近似模型的结果.（3）无论初始功率与引入负阶跃反应性的大小,温度瞬跳近似模型的结果总是优于先驱核瞬跳近似与中子瞬跳近似模型的结果.故而温度瞬跳近似模型是目前最为准确的解析模型. 关键词： 中子动力学 温度反馈 反应性 点堆     

有温度反馈阶跃引入负反应性瞬变的解

考虑有温度反馈反应堆阶跃引入负反应性过程的变化规律,对点堆中子动力学方程的解进行研究,给出不同的分析模型,分析发现,（1）用于瞬发超临界的分析模型及其结果不能用于引入大的负反应性过程的分析.（2）在相同的初始功率时,先驱核瞬跳近似模型的结果要优于目前比较普遍的中子瞬跳近似模型的结果.（3）无论初始功率与引入负阶跃反应性的大小,温度瞬跳近似模型的结果总是优于先驱核瞬跳近似与中子瞬跳近似模型的结果.故而温度瞬跳近似模型是目前最为准确的解析模型.     

液体燃料熔盐堆三维瞬态耦合分析

根据熔盐堆的流动特性,采用多群扩散理论,建立液体燃料熔盐堆的三维中子动力学模型和流动传热模型,开发针对液体燃料熔盐堆的三维核热耦合程序,并分析瞬态情况下MOSART堆的物理热工特性.结果表明：堆芯热工参数的瞬态变化直接影响物理参数的变化,液体熔盐堆具有较明显的温度负反馈特性.     

压力管式超临界水堆堆芯核热耦合

针对压力管式超临界水堆(PT-SCWR)新型62棒设计,其功率密度与燃料温度、冷却剂密度/温度紧密耦合,利用中子物理分析程序(WIMS-AECL)和子通道分析程序(ATHAS),对该设计堆芯进行核热耦合分析,并进行优化,结果表明该耦合方法是有效的。分析结果指出新型62棒燃料组件设计包壳最高温度和冷却剂出口温度都低于设计限值,满足设计目标;并且可以通过调整内外圈燃料富集度至5.5%和4.6%、调整燃料组件内圈棒束节圆由5.30 cm到5.175 cm,进行优化来获取一个均匀的温度分布;通过对比不同栅距下的慢化剂温度系数和空泡系数,得到一个最佳栅距为21 cm。     

压力管式超临界水堆堆芯核热耦合

针对压力管式超临界水堆(PT-SCWR)新型62棒设计,其功率密度与燃料温度、冷却剂密度/温度紧密耦合,利用中子物理分析程序(WIMS-AECL)和子通道分析程序(ATHAS),对该设计堆芯进行核热耦合分析,并进行优化,结果表明该耦合方法是有效的。分析结果指出新型62棒燃料组件设计包壳最高温度和冷却剂出口温度都低于设计限值,满足设计目标;并且可以通过调整内外圈燃料富集度至5.5%和4.6%、调整燃料组件内圈棒束节圆由5.30cm到5.175cm,进行优化来获取一个均匀的温度分布;通过对比不同栅距下的慢化剂温度系数和空泡系数,得到一个最佳栅距为21cm。     

基于非线性迭代的压水堆瞬态计算程序开发

采用目前工业上成熟的非线性迭代计算策略,基于两群粗网有限差分方法和多群UNM节块方法,开发了针对压水堆工况的三维瞬态扩散计算程序。UNM方法采用解析基函数作为基函数,通过方程变换解决了解析节块法在临界节块计算不稳定的问题,提高了计算精度。热工计算采用单通道模型和燃料棒一维导热模型,相比目前堆芯在用的经验关系式方法,该模型可以更加准确地计算燃料棒温度分布。采用基于横向积分方程的三节块方法,可以有效减轻控制棒尖齿效应对瞬态计算的影响。为测试程序性能,采用NEACRP等基准算例对程序进行了校验。数值结果表明,开发的程序计算结果正确,适用于压水堆堆芯瞬态过程的模拟。     

基于光电反馈延迟的多点耦合混沌同步和通信

为了实现稳定的、可以同时同步的多点混沌通信,提出一种基于光电反馈延迟的双向混沌通信模型和多点耦合的混沌同步模型。在双向混沌通信模型中引入了时间延迟和混沌调制信息加密技术,增加了系统的安全性。数值分析了系统的同步性能、安全性能和通信性能,研究结果表明,系统能够历经很短的时间实现高质量的、稳定的同时同步,实现双向通信。并且延迟时间、信息信号功率、激光器光信号功率、相位的改变在其他参数匹配的情况下,不会降低系统的同步性能,即系统的信息信号功率、光信号功率、延迟时间、相位均可作为系统的密钥,提高系统的安全性。这种双向混沌通信模型可以拓展为符合一定拓扑结构的多点耦合混沌通信模型,并且推测随着网络中节点数的增加,系统的复杂度增加。     

基于JMCT和FLUENT的物理-热工耦合计算

基于蒙特卡罗程序JMCT2.2和商用CFD程序FLUENT,通过C++语言,采用外耦合的方式开发了一套耦合接口程序。利用JMCT网格和FLUENT计算域之间一一映射的方式完成物理模型和CFD模型之间的网格匹配,实现了物理模型的简单划分和CFD模型网格的精细划分。利用该耦合程序计算了压水堆单根燃料棒模型和3×3带水洞的燃料子组件模型,并与MCNP与FLUENT耦合计算结果进行对比。计算结果表明,使用本文的方法,耦合JMCT程序与FLUENT程序能够用于物理-热工耦合计算并准确提供其反馈参数。     

三维物理-热工耦合过程的网格优化

在反应堆物理-热工耦合过程中,网格划分尺度会影响计算精度和计算时间。利用蒙特卡罗程序和FLUENT程序,对压水堆单棒模型进行不同尺度的网格划分,评估网格划分尺度对耦合结果的影响,得到单个网格中密度差值、温度差值对有效增殖因子和功率分布引入的误差。研究表明当燃料温度差值小于50 K,慢化剂密度差值3 kg/m3时,有效增殖因子相对误差小于10-4,功率相对误差小于1%。使用该规律,对典型的压水堆单棒模型和33通道模型进行网格划分并进行耦合计算。结果表明,单棒模型网格总数减少至1/100,计算时间减少至1/4,33通道模型网格总数减少至1/50,计算时间减少至1/10,但其结果仍然精确有效。     

蒙卡中子输运程序JMCT和子通道热工水力程序COBRA-EN耦合计算

介绍了中子输运蒙特卡罗方法与热工水力耦合计算的流程。开发了一套蒙卡中子输运程序JMCT和子通道分析程序COBRA-EN耦合接口。通过33棒束模型的计算展示了考虑耦合计算和不考虑耦合计算的差异,论证了耦合计算在反应堆分析中的重要性。通过对反应堆组件的模拟计算,测试了耦合计算的正确性。最后分析了蒙卡计算的统计涨落和迭代计算过程中收敛标准的关系,讨论了蒙卡中子输运和热工水力耦合过程中收敛标准设置的方案和可行性。     

蒙卡中子输运程序JMCT和子通道热工水力程序COBRA-EN耦合计算

介绍了中子输运蒙特卡罗方法与热工水力耦合计算的流程。开发了一套蒙卡中子输运程序JMCT和子通道分析程序COBRA-EN耦合接口。通过33棒束模型的计算展示了考虑耦合计算和不考虑耦合计算的差异,论证了耦合计算在反应堆分析中的重要性。通过对反应堆组件的模拟计算,测试了耦合计算的正确性。最后分析了蒙卡计算的统计涨落和迭代计算过程中收敛标准的关系,讨论了蒙卡中子输运和热工水力耦合过程中收敛标准设置的方案和可行性。     

快堆中子学计算程序NECP-SARAX的改进与验证

NECP-SARAX是西安交通大学NECP团队开发的用于快中子反应堆的中子学程序系统。为准确处理快中子反应堆中中等质量核素散射共振以及非弹性散射导致的复杂的中子慢化效应,SARAX程序最初采用连续能量的蒙特卡罗方法计算中子能谱从而获得堆芯计算使用的有效多群截面。由于蒙特卡罗程序计算效率低,且在低能量段统计偏差较大,提出采用基于点截面的超细群方法计算中子慢化能谱,避免了蒙特卡罗方法产生参数时存在的缺陷。堆芯计算采用多群中子输运,通过优化简化几何建模,改进了程序的实用性。采用多种微扰方法计算堆芯各种反应性系数,提出了基于中子输运微扰理论的虚拟密度方法以计算堆内组件变形导致的反应性变化。在进行堆芯瞬态计算时,采用了点堆和改进准静态两种方法,可用于一般快堆和快谱ADS的典型事故分析。OECD发布的一系列快堆基准题测试表明,SARAX程序在快堆计算中具有良好的精度,达到了与国外著名快堆程序相当的水平。有效增殖因子与连续能量的蒙卡计算结果相比偏差在300 pcm以内。同时,由于引入了虚拟密度理论和三维时空动力学模型,程序功能更加完善,可以更好地满足快堆工程设计的需求。     

快堆中子学计算程序NECP-SARAX的改进与验证

NECP-SARAX是西安交通大学NECP团队开发的用于快中子反应堆的中子学程序系统。为准确处理快中子反应堆中中等质量核素散射共振以及非弹性散射导致的复杂的中子慢化效应,SARAX程序最初采用连续能量的蒙特卡罗方法计算中子能谱从而获得堆芯计算使用的有效多群截面。由于蒙特卡罗程序计算效率低,且在低能量段统计偏差较大,提出采用基于点截面的超细群方法计算中子慢化能谱,避免了蒙特卡罗方法产生参数时存在的缺陷。堆芯计算采用多群中子输运,通过优化简化几何建模,改进了程序的实用性。采用多种微扰方法计算堆芯各种反应性系数,提出了基于中子输运微扰理论的虚拟密度方法以计算堆内组件变形导致的反应性变化。在进行堆芯瞬态计算时,采用了点堆和改进准静态两种方法,可用于一般快堆和快谱ADS的典型事故分析。OECD发布的一系列快堆基准题测试表明,SARAX程序在快堆计算中具有良好的精度,达到了与国外著名快堆程序相当的水平。有效增殖因子与连续能量的蒙卡计算结果相比偏差在300 pcm以内。同时,由于引入了虚拟密度理论和三维时空动力学模型,程序功能更加完善,可以更好地满足快堆工程设计的需求。     

基于线性核素链的燃耗算法与蒙特卡罗程序耦合计算

根据线性核素链原理和反应堆燃耗的特点,建立相应核数据库并采用回溯算法生成自适应核素链,完成核素的遍历和计算,形成多群点燃耗计算程序,能够独立进行燃耗计算并具有完整的输出结果形式。同时将所开发的燃耗计算程序与蒙特卡罗程序进行耦合,完成接口模块的设计,形成可用于研究堆和核电站的燃耗-输运耦合计算工具。将所开发的输运-耦合计算程序应用于中国实验快堆首炉堆芯燃耗的计算,将计算结果与现有设计数据进行比较。经过初步分析表明：新的燃耗计算程序能够精确计算锕系核素含量,包括易裂变核素和生成量很小的次锕系核素。对某些锕系核素如Pu241的计算结果还存在较大偏差,这需要对计算结果进一步分析,来确认偏差是来自计算过程还是相关的截面数据。整个燃耗-输运耦合计算系统对裂变产物的处理和反应性变化的计算也与现有的设计数据符合良好。     

基于线性核素链的燃耗算法与蒙特卡罗程序耦合计算

根据线性核素链原理和反应堆燃耗的特点,建立相应核数据库并采用回溯算法生成自适应核素链,完成核素的遍历和计算,形成多群点燃耗计算程序,能够独立进行燃耗计算并具有完整的输出结果形式。同时将所开发的燃耗计算程序与蒙特卡罗程序进行耦合,完成接口模块的设计,形成可用于研究堆和核电站的燃耗-输运耦合计算工具。将所开发的输运-耦合计算程序应用于中国实验快堆首炉堆芯燃耗的计算,将计算结果与现有设计数据进行比较。经过初步分析表明:新的燃耗计算程序能够精确计算锕系核素含量,包括易裂变核素和生成量很小的次锕系核素。对某些锕系核素如Pu241的计算结果还存在较大偏差,这需要对计算结果进一步分析,来确认偏差是来自计算过程还是相关的截面数据。整个燃耗-输运耦合计算系统对裂变产物的处理和反应性变化的计算也与现有的设计数据符合良好。     

JMCT与子通道程序耦合方法研究及验证

蒙特卡罗与热工水力的耦合计算是目前反应堆数值模拟的重要研究方向,在蒙特卡罗方法连续能量点截面的基础上结合热工程序的温度反馈,反应堆中子计算的准确性得到大幅提高。为了提高计算精度,堆芯模型分辨率也需进一步提高,相比于组件均匀化模型,pin-by-pin的建模方式能够获得更好的结果。利用蒙特卡罗程序JMCT与子通道程序COBRA-EN实现了蒙特卡罗-热工的内耦合,内耦合方式通过内存进行数据传递,其计算效率及安全性均优于外耦合方法。随后利用NURISP项目迷你堆的pin-by-pin模型对耦合程序进行验证。计算结果与同类耦合程序相似,验证了程序的准确性。同时,对耦合过程的收敛性问题进行了初步分析。