金属燃料变形多物理效应分析

针对金属燃料的显著辐照肿胀变形,开发基于紧密多物理耦合计算的数值燃料棒模型及相应程序YUAN。YUAN是一个通用的燃料棒多物理数值模拟平台,可在燃耗过程中基于独特的浮动网格耦合地求解中子学、热工水力、机械力学问题,模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为。利用YUAN对典型金属燃料进行模拟,分析金属燃料由于变形产生的多物理效应对传热、中子学的影响。     

先进中子学栅格程序KYLIN-2中特征线方法模块的开发与验证

针对先进核反应堆中结构复杂的燃料组件,基于特征线中子输运计算方法,在先进栅格计算程序KYLIN-2中开发能够满足各类燃料组件中子学数值模拟的输运计算模块。分别利用循环射线布置和射线反向延长追踪技术处理特定和任意边界条件问题,同时采用广义粗网格有限差分加速方法(GCMFD)来加速中子输运求解流程。数值结果表明,开发的特征线方法模块具有较高的计算精度,满足未来工程使用的需求。     

基于GPU并行的二维时空中子动力学MOC程序开发及验证

目前特征线方法（MOC）被广泛应用于反应堆精细中子输运计算。为提高基于MOC方法的时空中子动力学输运计算效率,本文开发了ALPHA程序的动力学计算模块,实现了基于GPU并行的二维精细动力学输运计算。同时,实现了基于GPU并行的CMFD加速计算,并对TWIGL基准题和MINI-CORE基准题进行验证。数值结果显示,基于GPU并行的中子动力学计算方法能保证良好的计算精度,且具有明显的加速效果。     

基于弦长抽样方法的弥散燃料蒙特卡罗中子输运模拟

弥散燃料因具有燃耗深、包容裂变产物能力强和导热性好等优点而被广泛应用于新型核能系统设计中。然而,弥散燃料因其燃料颗粒在基体材料中的随机分布特性给传统中子输运模拟方法带来了新挑战。基于弦长抽样法发展了弥散燃料蒙特卡罗中子输运计算方法和数值模拟程序,其可以实现弥散燃料的在线建模,充分考虑中子输运过程中燃料颗粒在基体材料中的随机分布特性,快速获得准确可靠的中子输运模拟结果。利用数值例题对本文方法及程序开展了基准验证,证明了本文方法及程序在弥散燃料临界计算中的正确性。      

KYLIN-Ⅱ软件针对IAEA板元件基准题的数值验证

针对国际原子能机构(IAEA)板元件基准题进行了计算分析,对先进中子学栅格软件(KYLIN-Ⅱ)的中子输运计算功能进行了数值验证,结果表明该软件各模块开发是正确的,对复杂几何燃料组件的计算结果精度是可靠的。     

基于OpenFOAM的中子输运动力学求解器ntkFoam研究

由于中子输运模拟的复杂性及其与其他物理过程耦合的困难性，全堆芯精细中子输运-热工水力多物理计算是核工程领域的难点。本文基于有限体积C++开源软件OpenFOAM，采用有限体积法建立稳态和瞬态中子输运动力学方程数值求解模型，开发了中子输运动力学求解器ntkFoam。通过对多个基准问题进行模拟验证表明，本文建立的ntkFoam求解器能准确模拟中子输运动力学问题，并能很好地适应于不同维度及复杂几何条件；可实现中子输运、传热传质的精细耦合，为基于中子输运计算的全堆芯多物理模拟提供了一些精确耦合的思路与方法。      

燃料棒共振有效温度机理性模拟程序FRET研发

利用蒙特卡罗程序模拟燃料棒中功率分布、利用燃料棒性能分析程序模拟燃料棒中的热力学行为,建立能够计算燃料棒共振有效温度的计算模型,并开发了燃料棒共振有效温度机理性模拟程序(FRET)。通过与SCIENCE程序包中SMART程序相关计算模块的计算结果对比,表明FRET程序能够准确地模拟计算压水堆不含可燃毒物燃料棒的共振有效温度。与工程使用的燃料棒共振有效温度计算程序相比,本文开发的机理性程序FRET不需要用户输入燃料有效温度的加权经验参数,能够计算不同类型燃料棒,具有更为广泛的应用性。     

P1各向异性散射特征线方法研究及应用

基于各向同性散射的中子输运方程特征线方法,计算实际组件能谱时经输运修正后,散射矩阵中P0自散射截面可能出现一定量的负值,影响数值稳定性。本文开发了P1各向异性散射特征线方法,并研制了计算程序PEACH-A。压水堆栅元基准问题的验证结果表明,PEACH-A程序具有较高的计算精度。对典型富集度的UO_2、MOX燃料栅元及其组合问题进行了敏感性分析,结果表明,针对MOX燃料及富集度差异较大的UO_2燃料栅元组合问题有必要采用P1各向异性散射。     

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。     

燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟研究

在反应堆运行过程中燃料棒具有复杂的堆内行为,准确可靠的堆内燃料行为预测对于反应堆安全计算、燃料设计需求及燃料性能评估都是所必须的。本研究考虑了UO2芯块与锆合金包壳的相关热效应与辐照效应,并考虑间隙气体热传导、辐射换热、接触热传导的影响;分别编制用户自定义子程序,将燃料棒材料的辐照效应、热效应以及间隙换热等引入商用有限元分析软件ABAQUS,建立了燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟方法。