模拟托卡马克聚变堆的设计

【英国《国际核工程》2002年8月刊报道】未来聚变堆所面临的最大挑战是如何约束等离子体。电磁模拟在托卡马克聚变堆的设计中起着很大作用。通过计算偏滤器(控制等离子体粒子耗尽和功率在机器中转移的装置)中的涡流,电磁模拟在托卡马克聚变堆设计中起主要作用。对聚变点火研究实验(FIRE)的预先设计研究正在进行之中,以评价在近期是否能对自加热等离子体有更多的科学认识。主要问题之一是设计能承受被击穿的等离子体面对部件,在此处等离子体压力和环向电流会很快弱化。在这些瞬间产生的涡流相当大,产生的应力足以损坏等离子体面对部件。美…     

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...     

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。     

聚变实验增殖堆He冷包层中子学设计研究

在一维计算的基础上，优化分析聚变实验增殖堆Ｈｅ气冷却包层设计参数对堆中子学性能的影响，给出了年产生１００ｋｇ钚、氚自持、安全性好的包层初步设计方案，并用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ输运程序ＭＣＮＰ３Ｂ对此方案进行了三维中子学计算校核。     

聚变裂变混合堆中子学分析软件开发

聚变中子源驱动次临界系统具有系统结构复杂、中子能谱跨度大等特点。借鉴传统反应堆2步法的基本思想,开发适用于次临界系统设计计算的中子学分析软件——NAPTH。NAPTH的组件计算由DRAGON4程序完成,堆芯计算使用MCNP程序的多群功能完成。验证结果表明,NAPTH对IAEA ADS基准题的计算结果和其他国家的计算结果符合很好;对于压力管式聚变裂变混合堆,程序具有较高的计算精度和计算效率,适合压力管式混合堆的设计计算。     

先进托卡马克概念和堆设计

由基于目前在大型托卡马克运行中获得的非常确实的经验的聚变堆设计的讨论中可以得出结论：这些堆在经济上是不具有吸引力的，描述了概念完善的各种选择方案中所涉及到的物理学，给出了某些实验结果的例子，并讨论了对堆经济学的可能影响。     

DAG-OpenMC在聚变中子学分析中的应用研究

聚变装置工程模型极其复杂,使得中子学分析的建模十分繁琐和耗时。开源蒙特卡罗程序OpenMC通过集成DAGMC(Direct Accelerated Geometry Monte Carlo),可以直接基于CAD模型进行粒子输运模拟计算,该特性可显著提高复杂工程模型的建模与分析效率。以中国聚变工程试验堆（China Fusion Engineerging Test Reactor,CFETR）为对象,开展OpenMC在聚变中子学分析中的应用研究。基于CFETR一维柱壳模型验证OpenMC与MCNP计数结果的一致性。根据等离子体空间分布特点,基于源扩展接口自定义源类和源函数准确描述复杂聚变中子源。利用DAG-OpenMC的CAD几何功能成功建立了CFETR的三维模型,并计算获得了中子壁负载分布、氚增殖率和核热沉积等物理量。结果表明：DAG-OpenMC与MCNP的计算结果具有极好的一致性。在建立复杂的聚变堆工程模型时,基于CAD几何功能极大地提高了建模效率。DAG-OpenMC在聚变中子学应用中关键问题的验证表明了其处理复杂工程结构条件下聚变中子学问题的可行性。     

CFETR氦冷陶瓷增殖包层中子学分析

为满足中国聚变工程实验堆(CFETR)包层的应用要求,本文提出氦冷陶瓷增殖(HCCB)包层方案。为验证HCCB包层设计方案的合理性与可行性,采用三维蒙特卡罗粒子输运程序MCNP,计算和分析了HCCB包层方案的氚增殖比、中子壁负载、中子通量密度、核热、辐照损伤等中子学特性。结果表明,HCCB包层方案满足氚自持要求,中子通量密度和核热分布合理,屏蔽性能良好,基本满足设计要求。     

Tritium breeding analysis of a tokamak magnetic fusion production reactor

With three-dimensional modeling and neutron transport analysis, a tokamak with a low technology blanket containing beryllium was found to have a tritium breeding ratio of 1.54 tritons per DT neutron. Such a device would have a net tritium production capability of 9.1 kg/yr from 450 MW of fusion power at 70% capacity factor.This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under contract W-7405-Eng-48.     

核聚变装置HT-7U环境辐射剂量蒙特卡罗模拟计算与分析

在聚变评价数据库FENDL/2的基础上,采用三维蒙特卡罗输运程序MCNP/4C,对核聚变装置HT-7U运行时的环境辐射剂量率进行了模拟计算及相关分析,着重研究了HT-7U硼水屏蔽层不同设计方案对环境剂量率的影响。计算结果表明,硼水层有效地减小了装置运行时周围环境的辐射剂量率,而浓缩硼水方案相对天然硼水方案,屏蔽效果提高不明显。同时本文也对聚变装置环境辐射剂量计算中的天空反（散）射效应进行了初步的研究,计算结果显示,当屏蔽大厅顶厚减至0.5m以下时,装置运行时大厅外辐射剂量分布呈现明显的阴影效应。     

中性束注入快离子初始分布的蒙特卡罗模拟

比较精确地模拟计算中性束注入（NBI）托卡马克等离子体的快离子初始分布是采用大规模数值模拟方法研究NBI快离子相关物理问题的首要任务。本文建立了NBI托卡马克等离子体的简化物理模型,采用蒙特卡罗方法自主开发了NBI应用程序。选取ASDEX Upgrade（AUG）托卡马克上切向注入和垂直注入两种情况为计算实例,分别模拟计算出NBI粒子被离子化的初始三维空间位置,并统计得出初始快离子的径向分布、极向角分布、环向角分布和投掷角分布,这些计算结果与国际上相关文献结果一致。     

聚变发电反应堆双冷液态锂铅包层氚增殖中子学分析研究

针对聚变发电反应堆(FDS Ⅱ)双冷液态锂铅(DLL)包层进行了中子学设计与分析,设计主要的原则是满足聚变堆的氚自持,并在此基础上,分析计算DLL包层核热分布。中子学一维优化分析使用的程序是自主开发的多功能中子输运/燃耗/优化程序VisualBUS1.0以及相应的数据库HENDL1.0/MG。基于二维模型进行校核计算所使用的程序为MCNP4C,相应的数据库为FENDL 2/MC。     

基于GA的Tokamak聚变堆芯参数优化方法研究

托卡马克(Tokamak)聚变堆芯参数优化设计是聚变及聚变驱动次临界堆设计的重要步骤之一。本文发展了基于遗传算法(GA)的堆芯参数优化方法并与中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队研发的系统程序SYSCODE堆芯物理模块相耦合,对堆芯参数进行优化。通过优化指定的聚变堆芯设计参数(如几何尺寸、等离子体电流、环向磁场等),并满足给定的约束条件,使得单个或多个目标达到全局"最优",对于堆芯设计具有一定参考价值。     

球谐函数有限元程序NECP-FISH的开发及其在聚变堆包层中子学分析中的应用

球谐函数有限元方法采用非结构网格求解中子输运方程,具备处理复杂几何的能力;同时又可避免离散纵标方法所造成的射线效应。本文从一阶中子输运方程出发,通过方程的弱形式推导了球谐函数多尺度有限元方法,并基于此方法开发了中子学分析程序NECP-FISH。通过在前后处理平台SALOME中开发接口程序,实现了程序的建模可视化和计算结果可视化。应用此程序计算了氦冷陶瓷包层,数值结果表明NECP-FISH对中子通量密度、氚增殖比和中子释热的计算结果与蒙特卡罗程序NECP-MCX吻合良好。氚增殖比相对偏差为0.56%,所有区域的中子释热偏差均在6%以内。     

RMC均匀裂变源方法及其在堆用蒙特卡罗计算不对称性问题中的应用

堆用蒙特卡罗程序(RMC)不断被研发以适应于反应堆大规模精细模拟计算。在临界计算中,反应堆中子注量率、功率密度等分布不均匀导致其统计偏差的波动性增大,进而导致反应堆物理对称区域计算结果出现不对称性。蒙特卡罗堆芯计算不对称性主要由统计方差造成,减小方差波动可降低堆芯计算不对称程度。本工作在RMC临界计算中增加均匀裂变源方法,并对Hoogenboom-Martin基准题进行计算验证。结果表明,改进的方法在降低堆芯方差波动性与低功率区域方差方面效果显著。     

基于中子平衡研究增殖燃料实现CANDLE模式的最优配置

寿期内中子通量、核素浓度和功率分布的轴向形状均保持恒定(Constant Axial shape of Neutron flux,nuclide densities and power shape During Life of Energy produced,CANDLE)是实现原位增殖-焚烧(Breed-and-Burn,BB)模式的一种燃耗策略。CANDLE堆经易裂变燃料或外中子源进行点火,启动后由增殖燃料的燃烧实现自稳运行。若要CANDLE堆自稳运行于k_(eff)=1,必须对堆芯几何及燃料体积分数进行配置优化。最优配置方案可通过蒙特卡罗方法模拟CANDLE堆芯,根据有效增殖因子筛选得出。但该方法需耗费大量的计算时间,若采用1D模型近似模拟,并结合中子平衡方法进行分析,便可大幅节约计算时间,获得具有指导性意义的结果。本文将论证该方法的可行性,并应用该方法估算钠冷贫铀CANDLE堆半径在100 400 cm、燃料体积分数在35%60%变化时的最优配置。