基于子群方法的双重非均匀性共振计算方法研究

为计算双重非均匀性条件下的共振截面，提出了耦合Sanchez Pomraning方法的改进的子群方法(ISSP)。ISSP采用精细化共振能群结构来规避共振干涉处理，通过求解双重非均匀性条件下的子群固定源方程和慢化方程得到颗粒和基体等各材料的有效共振截面，最后进行双重非均匀性条件下的输运计算。数值结果表明，与连续能量蒙特卡罗程序及超细群计算结果相比，ISSP可精确高效地计算双重非均匀性条件下的共振截面。     

反应堆堆芯先进中子学模拟软件SCAP-N研发

堆芯中子学计算是反应堆设计分析的基础,为提高堆芯中子学计算的模拟分辨率与计算精度,开发了反应堆堆芯先进中子学模拟软件（SCAP-N）。该程序首先根据轴向特征对堆芯进行分层,并逐层进行二维堆芯非均匀输运计算,再采用超级均匀化方法（SPH）获得栅元等效均匀化截面,最后进行三维堆芯逐棒（pin-by-pin）输运计算,获得堆芯有效增殖因子与精细棒功率分布。为提高程序计算效率,采用分布式/共享式（MPI/OPENMP）混合并行方式对程序进行了并行化开发。利用虚拟反应堆（VERA）系列基准例题及美国先进非能动压水堆（AP1000）启动物理试验实测数据对程序进行了测试验证。结果表明,相比于商用核设计程序系统,SCAP-N程序采用的逐棒输运技术能够提高堆芯中子学的计算精度。与同类型高精度中子学程序相比,SCAP-N具有更高的计算效率,可进一步提高核电厂的经济性及运行灵活性。      

基于数字化反应堆物理计算程序SHARK的一步法输运计算方法研究

为建立基于数字化反应堆技术的新一代反应堆物理计算方法，实现数字化反应堆高保真建模、高分辨率高精度计算，基于数字化反应堆物理计算程序SHARK，开展了一步法输运计算方法研究，建立并比较了二维/一维方法及准三维特征线输运方法；基于空间区域分解及粗网有限差分(CMFD)的大规模并行加速技术，实现了棒状堆芯及板状堆芯的全堆规模一步法输运计算。数值结果与蒙特卡罗程序基准解相比，特征值偏差小于100pcm(1pcm=10^-5)，最大棒功率、板功率偏差小于3%，验证了SHARK程序一步法输运计算方法具有良好计算精度，能够适用于棒状、板状堆芯等多应用场景。     

基于连续能量蒙特卡罗的快中子反应堆均匀化截面计算方法研究

快堆确定论两步法通常由组件均匀化截面计算和堆芯扩散/输运计算共同组成,已广泛应用于快堆工程设计与分析领域。基于连续能量精细几何的蒙特卡罗均匀化截面计算方法可为先进快堆提供高精度均匀化群常数。本文简要综述了蒙特卡罗生成的均匀化截面与堆芯扩散/输运计算结合的发展现状与技术趋势。介绍了蒙特卡罗体积通量均匀化方法和超级均匀化等效修正方法,提出了蒙特卡罗通量矩均匀化方法。以MET-1000金属燃料快堆数值对标为例,针对堆芯扩散计算,对控制棒使用超级均匀化等效修正方法,将堆芯扩散计算的控制棒价值高估从13.5%减小到0.35%,并提高了功率分布预测精度;针对堆芯输运计算,定量解析了误差原因,提出了蒙特卡罗通量矩均匀化方法,可减小MET-1000堆芯输运计算的反应性误差698 pcm。本文中适用于快堆扩散及堆芯输运计算的蒙特卡罗均匀化截面生成方法针对先进非均匀布置快堆、小型快堆等新型堆芯,与不同堆芯求解器的结合有待进一步发展与验证。同时,蒙特卡罗生成快堆均匀化截面还有许多问题需要深入研究,如不连续因子修正、基模修正、历史效应处理方法等。     

二维任意几何子群共振计算及加速优化

共振计算是反应堆组件堆芯设计和燃料管理的基础.子群共振计算方法基于共振能群子群截面,调用输运程序作为求解器,对子群中子注量率进行求解并且归并得到有效共振自屏截面,实现任意二维复杂几何的共振计算.由于子群方法在每个共振能群内部需要反复调用输运求解器,因此和等价理论相比速度较慢及本文基于子群方法的理论模型和自主开发的子群共振计算程序,提出并且完成了多群数据库、输运计算源项及多共振核素迭代的优化方案.通过基准题的验证可知,该方案在保持精度的同时提高了子群程序的计算效率,保证了该程序在工程上的实用性.     

反应堆临界-燃耗耦合蒙特卡罗计算

基于连续点截面MCNP程序 ,研制了三维多群P3 中子输运蒙特卡罗程序MCMG ,并与栅元均匀化程序WIMS耦合 ,实现了临界 燃耗耦合计算。采用WIMS产生的 69群共振、自屏宏观中子截面和BUGLE 80u47群微观中子截面 ,分别计算了简单反应堆和临界实验堆问题 ,计算结果与其它输运方法的计算结果和试验结果一致。在相同计算精度下 ,MCMG的计算时间较MCNP的计算时间少     

六角形布置反应堆高保真物理计算方法研究与验证

俄罗斯商用压水堆VVER和大多数实验堆均采用了六角形紧凑型栅格布置,为了实现VVER和六角形实验堆的高保真数值模拟分析,本文基于数值反应堆物理计算程序（NECP-X）开展了六角形堆芯高保真计算方法研究和程序开发。首先,将全局-局部耦合共振自屏计算方法拓展至六角形堆芯,实现六角形堆芯燃料棒的全堆芯高精度共振计算;其次,基于2D/1D耦合输运计算方法研究了六角形堆芯的高保真计算方法;最后,为了提高全堆芯计算的计算效率,研究了基于区域分解松耦合的非结构网格的粗网有限差分（CMFD）加速方法,可以实现以矩形、六角形和其他多边形栅元为基础的pin-by-pin CMFD 加速。为了验证六角形堆芯高保真计算方法的精度和效率,计算了六角形C5G7基准问题,并分析了六角形输运计算方法的计算精度和CMFD方法的加速效果;将NECP-X程序应用于西安脉冲堆的2D全堆芯计算,与蒙特卡罗程序的结果对比表明NECP-X程序计算得到的特征值和功率分布均具有较高精度。因此,本文建立的六角形堆芯高保真计算方法可以应用于六角形堆芯的分析计算。      

快堆物理计算程序NECP-SARAX1.0开发

针对快堆物理特点,提出一套用于快堆堆芯核设计和稳态分析的计算程序NECP-SARAX1.0。程序采用基于ENDF/BVII的连续能量数据库,利用OPENMC程序产生多群截面,堆芯计算采用非结构网格进行几何建模,采用SN节块输运方法以同时满足临界和次临界堆芯的计算需求,采用微扰方法计算堆芯多普勒系数。数值验证表明,该程序具有较高的计算精度,与蒙特卡洛(MCNP)直接计算相比,有效增殖系数(keff)偏差在100×10-5左右。     

基于GPU加速的三维堆芯物理程序STORK的开发与验证

基于小型多GPU计算平台,采用二维全堆逐层特征线方法(MOC)和三维逐棒(pin-by-pin)三阶简化球谐函数方法(SP3方法)相耦合的方式开发了堆芯三维输运中子学计算程序STORK。在方法论方面,首先通过对堆芯各轴向层的二维MOC输运计算在线产生栅元均匀化截面以及超级均匀化修正因子(SPH因子),然后采用SP3方法进行pin-by-pin三维堆芯计算。在程序开发方面,采用了CUDA、C++和Python的混合编程,且所有计算模块都基于CUDA/C++开发,并进行了大量的性能优化。通过对C5G7三维插棒基准题和VERA基准题的验证表明,与国际上同类中子学计算软件相比,基于CPU/GPU异构系统开发的STORK程序在计算效率和计算成本方面都具有明显优势。     

高温气冷堆控制棒区等效截面方法的改进

等效截面方法以耦合输运计算和扩散计算为基础,只需要对吸收体区的扩散截面系数进行修正,能够方便地求解带有强吸收体的堆芯计算问题。本文以二维输运计算为基准,在二维堆芯模型的条件下尝试了将吸收体区域进行网格划分的可能性,并对几种网格划分的方式及相应的均匀化方案进行了初步探索。计算结果证明,这套方法既能保持扩散计算速度快的优点,又能达到精细化输运模型计算的精度。     

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

熔盐堆稳态物理-热工耦合计算研究

采用基于任意三角形网格解析基函数展开法的三维扩散堆芯物理计算和采用并联多通道模型的堆芯热工水力计算,开发了石墨慢化的通道式熔盐堆的物理-热工耦合计算程序。针对美国熔盐堆实验（MSRE）,用橡树岭国家实验室技术报告中的结果验证了程序的正确性,并计算分析了在稳态情况下MSRE堆芯中的三维功率分布、流量分配以及熔盐和石墨的温度分布。     

基于蒙特卡罗方法和CFD方法的物理-热工耦合计算

基于蒙特卡罗中子输运程序MCNP5和商用CFD软件STAR-CCM+的耦合可搭建反应堆高保真多物理耦合计算平台。通过Perl语言以ASCⅡ文本文件方式耦合了MCNP5和STAR-CCM+,利用STAR-CCM+的六面体网格生成模块“trimmer”实现两者在反馈作用强烈的燃料和慢化剂区域一一对应的空间网格划分,而在反馈作用较弱的包壳区域采取体积权重的网格映射方式,在Linux环境下开发了高保真物理-热工耦合稳态分析程序。利用该耦合程序计算了典型压水堆单根燃料棒和3×3带水洞的燃料子组件,数值结果表明,本文建立的耦合方法和模型可用于高保真物理-热工耦合计算。     

直接三维中子输运特征线法并行计算软件的实现

作为中子输运问题的一种重要确定论方法,特征线法（MOC）具有强几何适应性、计算流程简洁、易于大规模并行的优点。ANT-MOC是自主开发的中国数值反应堆1.0（CVR1.0）中的三维特征线法中子输运计算程序,主要用于压水堆、快堆的堆芯输运计算。ANT-MOC支持基于构造实体几何（CSG）的复杂几何建模、高效的用户输入方式、面向矩形/六边形网格的射线追踪算法,以及基于轨迹链分解的并行算法和负载平衡策略。在国产超算上,ANT-MOC可以扩展到约10万处理器核,并行效率在50%以上。针对压水堆、快堆计算问题进行验证和参数敏感性分析,结果表明ANT-MOC计算结果具有较好的稳定性和准确度。     

cosRMC复杂曲面开发及在聚变中子学的应用

中国聚变工程实验堆（CFETR）是我国自主设计和研制的重大科学工程，CFETR旨在与ITER相衔接和补充，为研制DEMO级别聚变堆电站提供必要的技术。蒙特卡罗方法在聚变中子学与屏蔽设计等方面具有重要作用。本文基于自主化蒙特卡罗程序cosRMC，研究了蒙特卡罗复杂曲面建模的数学模型和计算方法，开发了复杂曲面建模功能，并通过PPCS（power plant conceptual study）模型验证了该功能实现的正确性。然后构建了CFETR的三维精细化模型，并利用该模型对CFETR包层设计中的关键中子学参数进行计算分析。结果表明，cosRMC对中子学参数氚增殖比、中子壁载荷和核热沉积的计算结果与MCNP的计算值吻合良好，相对偏差均小于5%，满足工程设计需求。研究证明了cosRMC应用于聚变堆包层中子学分析的正确性和有效性。CFETR中子学参数的计算分析，也为其设计和优化提供了参考。     

Simplified two and three dimensional HTTR benchmark problems

To assess the accuracy of diffusion or transport methods for reactor calculations, it is desirable to create heterogeneous benchmark problems that are typical of whole core configurations. In this paper we have created two and three dimensional numerical benchmark problems typical of high temperature gas cooled prismatic cores. Additionally, a single cell and single block benchmark problems are also included. These problems were derived from the HTTR start-up experiment. Since the primary utility of the benchmark problems is in code-to-code verification, minor details regarding geometry and material specification of the original experiment have been simplified while retaining the heterogeneity and the major physics properties of the core from a neutronics viewpoint. A six-group material (macroscopic) cross section library has been generated for the benchmark problems using the lattice depletion code HELIOS. Using this library, Monte Carlo solutions are presented for three configurations (all-rods-in, partially-controlled and all-rods-out) for both the 2D and 3D problems. These solutions include the core eigenvalues, the block (assembly) averaged fission densities, local peaking factors, the absorption densities in the burnable poison and control rods, and pin fission density distribution for selected blocks. Also included are the solutions for the single cell and single block problems.     

PARCS code multi-group neutron diffusion constants generation using Monte Carlo method

PARCS code is a three-dimensional (3D) reactor core simulator which solves the steady-state and time-dependent multi-group neutron diffusion equations if the multi-group diffusion constants (MGDCs) are provided. The MGDCs are mostly prepared for reactor physics problems using deterministic lattice codes. Beside approximation in the geometry, a lattice code inherently applies estimates to the neutron transport model. On the other hand, the geometric flexibility and use of continuous energy cross sections data library associated with the Monte Carlo (MC) method makes it a good candidate for the generation of highly accurate multi-group cross sections. In this study, a new MC based methodology is applied to generate the MGDCs which can be utilized in the PARCS code input file directly or as PMAXS files for a reactor core simulation. To achieve this, a new tool in MATLAB software is developed to compute the MGDCs from the MCNPX 2.7 MC code outputs. Verification of the proposed method for two-group constants generation is carried out using Tehran research reactor (TRR) core simulation in different steady state conditions. The calculated values of axial and radial power distributions and multiplication factor using the PARCS code are verified against the MCNPX 2.7 code results. The results illustrate that the proposed method has high accuracy in MGDCs generation.     

针对球床的三维特征线方法几何建模研究

特征线方法通过在计算区域密置特征线来计算角通量，对于计算区域的材料分布和几何结构没有要求，因此特征线方法的几何处理能力受制于几何描述模块对于各种几何区域的描述能力。基于体素构造（CSG）方法，开发了三维特征线程序MOCP的几何描述模块。该几何描述模块可描述随机分布的球床。针对球形燃料的网格划分方式进行了研究，临界球的计算结果表明，当径向网格超过30层时，k_eff的相对误差小于0.1%。通过对几何描述方式的改进大幅提高了三维特征线追踪的效率，并且实现了在各种形状边界上的特征线布置。     

中国聚变工程试验堆包层的核热耦合效应研究

本文以中国聚变工程试验堆（CFETR）的氦冷固态包层和水冷固态包层为研究对象,基于蒙特卡罗程序MCNP和计算流体力学程序FLUENT,利用3D-1D-2D耦合方法和伪材料方法,分别对200 MW的氦冷固态包层和水冷固态包层及1.5 GW的水冷固态包层方案进行了核热耦合计算分析。研究结果表明,金属铍的热散射效应和轻水密度是聚变包层核热耦合效应的主要来源,核热耦合效应对氦冷固态包层的影响可忽略,对水冷固态包层的氚增殖比和温度分布有一定程度的影响。