GPU加速的球床式氟盐冷却高温堆堆芯热工水力程序研发

球床式氟盐冷却高温堆(Pebble Bed Fluoride-salt Cooled High Temperature Reactor,PB-FHR)是一种先进的第四代反应堆。三维堆芯热工水力程序能够模拟具有复杂空间效应的工况,但计算耗时较高。图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)具有大量计算单元,可有效提高程序的计算速度。本文研发了GPU加速的PB-FHR堆芯热工水力程序(GPU-accelerated Thermal Hydraulic Code,GATH),采用非热平衡多孔介质模型建立堆芯物理模型,研究并实现了GPU高速求解算法。对PB-FHR的堆芯模型进行了热工水力分析,与商用计算流体力学软件ANSYS CFX的计算结果进行了对比,验证了程序的正确性。GPU加速性能分析的结果表明,程序整体的加速比率可达8.39倍,证明所研发的GPU求解算法能有效提升堆芯热工水力分析的计算效率。     

熔盐球床堆堆芯入口热工水力特性数值分析

堆芯入口流场设计是小型固态燃料熔盐堆系统项目内容之一,它对反应堆结构的稳定性、堆芯温度和流场分布有着非常重要的影响。研究了熔盐流道流通面积变化对堆芯入口温度、流场分布及压降的影响,优化熔盐流道几何结构。以小型熔盐球床堆模型为研究对象,取符合实际边界条件的输入参数,通过改变熔盐流道流通面积,使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用程序Fluent 16.0对堆芯入口内熔盐的热工水力特性进行数值模拟。在考虑实际下反射层流道的流通面积占比最大为18.14%下,研究了熔盐流道流通面积占比在区间[0,15.00%]变化。结果表明,堆芯活性区熔盐最高局部热点温度随熔盐流道流通面积比的增大而增高;堆芯入口内的压降随下反射层熔盐流道流通面积比的减小而增大;在径向方向上流进孔道的熔盐流速随着孔道远离堆芯位置而增大。本研究可为小型固态燃料球床熔盐堆优化设计提供一定的参考价值。     

超临界水冷堆堆芯简化模型流量分配研究

选取超临界水冷堆(SCWR)燃料组件作为研究对象,在平均孔口尺寸条件下,对堆芯功率分布进行模拟,建立了热工水力计算模型并进行了程序的开发,计算出了各个并联通道内的冷却剂流量以及相关参数分布.结果表明,平均孔口尺寸条件得到的各组群燃料通道轴向密度分布、堆芯功率分布存在较大的不均匀性,致使流量分配存在较大的差异;通过增大高功率组群的孔板尺寸即可得到较为合理的热工水力参数分布.     

空间核电推进球床反应堆热工水力特性数值分析

球床反应堆的功率密度高、堆芯尺寸小、裂变产物完全包容,在空间核动力系统中具有广泛的应用前景。针对空间核电推进球床反应堆,开发了稳态热工水力分析程序,对堆芯进行了全功率稳态运行工况下的热工水力设计优化及安全特性分析,重点优化冷、热孔板孔隙率以消除堆芯热点。计算结果表明,燃料球中心最高温度距燃料熔点具有873 K的安全裕量,冷孔板孔隙率对堆芯流量分配几乎没有影响,孔隙率峰值比为2.0的热孔板可有效避免堆芯热点,此外增大冷却剂入口压力会减小堆芯的压损。本文结果可为空间核电推进球床反应堆的设计及安全特性分析提供建议与指导。     

球床氟盐冷却高温堆堆芯热工水力模拟

本文对球床氟盐冷却高温堆堆芯热工流体现象进行了研究。采用计算流体动力学(CFD)方法进行了三维建模和计算,得到了燃料元件球表面温度分布和堆芯冷却剂速度场、温度场和压力的分布,验证了稳态工况下氟盐对堆芯的冷却能力,分析了氟盐的特殊热工流体力学性质对堆芯安全的影响,结果可用于球床氟盐冷却高温堆的初步设计。     

CFD方法在超临界水冷堆热工水力研究中的应用现状

计算流体力学(CFD)数值方法已成为超临界水冷堆热工水力特性分析的重要工具。目前,超临界条件下的CFD数值方法一般直接采用亚临界单相湍流模型,其局限性在于现有的湍流模型难以准确模拟重力和热膨胀加速度效应,在热流密度特别大的情况下,CFD数值方法适用性较差。本文综合介绍了中核核反应堆热工水力重点实验室(RETH)所开展的超临界水冷堆热工水力特性CFD分析。     

球床堆内冷却剂流动与传热特性的CFD研究

以计算流体力学(CFD)为基础,利用大型商业软件ProE和CFX,对球床式水冷堆堆芯燃料元件进行三维建模、网格划分和数值计算,对堆芯内冷却剂热工水力特性进行了初步的研究.计算比较了燃料元件球间隙和接触情况下冷却剂的速度场、温度场和压力分布,分析了其对堆芯安全的影响.     

超临界水冷堆堆芯传热特性分析

选取了7种最为广泛应用的超临界水换热关系式,计算分析了超临界水冷堆设计工况下堆芯的传热能力.结果表明,采用不同的公式计算出的平均管出口壁温最大相差27℃.采用KOshizuka-Oka公式,热管流量与平均管相同就可满足壁温安全限值;采用Jackson公式,热管流量需比平均管高18%;采用Krasnoshchekov公式,热管流量则需比平均管高40%才能满足壁温安全限值.这说明,采用不同的换热公式会严重地影响堆芯的设计.在超临界水冷堆的设计条件下浮力对传热的影响可以忽略.     

小型自然循环钠冷堆堆芯初步设计研究

提出了一种适用于分布式发电系统的小型自然循环钠冷堆AMTEC系统。通过对堆芯的临界计算和热工水力分析,研究了堆芯燃料装载量不变情况下,芯块半径、燃料棒长度和圈数对堆芯有效增殖因数k_eff、堆芯压降和传热的影响。同时分析了不同额外停堆裕量下,B₄C吸收层厚度和堆芯初始剩余反应性随燃料棒圈数的变化关系。计算结果表明：保持堆芯当量直径和冷却剂通道总截面积不变的情况下,减少燃料棒圈数和活性区长度不仅可增加k_eff,且能降低堆芯压降;为提高额外停堆裕量需增加吸收层厚度,但降低了堆芯初始剩余反应性,不利于电厂的经济性。     

IHNI-1反应堆热工水力与瞬态特性分析

本文利用子通道程序PRTHA计算了IHNI-1反应堆堆芯热工参数,分析了IHNI-1反应堆堆芯燃料元件与冷却剂的温度场分布,同时给出了堆芯发生过冷沸腾时的功率计算结果。利用RELAP5程序分析了反应堆瞬态特性,以及堆芯瞬态参数随反应性的变化过程。通过本文的分析,表明IHNI-1反应堆具有较好的固有安全特性。     

熔盐冷却球床实验堆内流动与传热特性数值研究

采用计算流体动力学（CFD）的方法,对熔盐冷却球床堆（FHR）的堆芯中可能产生热点的位置进行局部数值模拟,从而获得燃料球表面及其内部的温度分布和燃料球附近的流场分布情况,并与所开发的FRAC分析程序结果进行对比,其最大误差为2.9%,可以初步说明FRAC程序的正确性。本文的研究结果对FHR相关实验以及机理的研究具有一定的参考价值。      

The Reactor Core Neutronic model for the Pebble Bed Modular Reactor

This paper describes the technical aspects of the Reactor Core Neutronic model for the Pebble Bed Modular Reactor (PBMR). Included is a model design review with preliminary simulation results and model constraints. The PBMR Demonstration Power Plant is a First of a Kind Engineering plant which will be used for the production and generation of electricity in South Africa.The theory and solution techniques used for modelling and simulating the neutronic core are also described. The neutronic model is discussed, as well as the model capabilities and model requirements. The model formulation for the PBMR plant is also derived from GSE's nuclear (neutronic) simulation model known as REMARK^© (Real Time Multigroup Advanced Reactor Kinetics). The derived neutronic model for PBMR is aptly called the PBMR-REMARK^© Reactor Core Neutronic model. Preliminary results of the Reactor Core Neutronic model simulations are included and discussed in the paper.     

HP-STMCs空间堆堆芯典型瞬态热工分析

以计算流体力学(CFD)为基础,编写HP-STMCs空间堆堆芯功率瞬变模型和反应性反馈模型的用户自定义函数(UDF),开发堆芯瞬态分析程序SNPS-FTASR。对程序的正确性进行验证并得到满意的结果后,用SNPS-FTASR分析1个控制鼓误动作向堆芯引入正反应性和堆芯1根热管失效时的瞬态响应特性。结果显示:在1个控制鼓误动作引入正反应性时,堆芯功率先迅速升高后因堆芯反应性负反馈而缓慢上升,最终堆芯功率稳定在额定功率的121.3%。在堆芯1根热管失效时,堆芯UN燃料芯块的温度先迅速升高后因反应性负反馈使得堆芯功率迅速下降,最终堆芯功率稳定在额定功率的88.7%,堆芯最高温度较稳定状态上升约140 K,表明热管冷却空间堆在一个控制鼓误动作和1根热管失效时热工方面是安全的。     

熔盐冷却球床实验堆堆内热源分布计算与分析

熔盐冷却球床堆采用球形燃料元件,冷却剂采用高温熔盐,其堆内热源分布与压水堆有着明显的区别,而与同样使用球形燃料元件的高温气冷堆相比,燃料球产生的中子和γ会在冷却剂中沉积更多的能量,因此准确计算堆内释热率分布对于这种新型反应堆的热工水力设计、瞬态分析、结构力学设计等都有重要意义。本文使用蒙特卡罗计算程序MCNP对中国科学院设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-SF1）堆内的释热率分布进行了详细计算研究,通过使用光子产生偏倚卡（pikmt）,经过3次MCNP输运计算得到了TMSR-SF1寿期初（BOL）及寿期末（EOL）堆内各部件的总释热率、体积释热率分布和最大体积释热率。计算结果显示,燃料球释热率占堆内总释热率的94%以上,熔盐和反射层释热率占总释热率的1%以上,其他堆内部件释热率的比例都小于1%。寿期末燃料球、控制棒与石墨球的释热率均有所减少,而反射层等其他构件的释热率有所增加。     

A Pebble Bed Reactor cross section methodology

A method is presented for the evaluation of microscopic cross sections for the Pebble Bed Reactor (PBR) neutron diffusion computational models during convergence to an equilibrium (asymptotic) fuel cycle. This method considers the isotopics within a core spectral zone and the leakages from such a zone as they arise during reactor operation. The randomness of the spatial distribution of fuel grains within the fuel pebbles and that of the fuel and moderator pebbles within the core, the double heterogeneity of the fuel, and the indeterminate burnup of the spectral zones all pose a unique challenge for the computation of the local microscopic cross sections. As prior knowledge of the equilibrium composition and leakage is not available, it is necessary to repeatedly re-compute the group constants with updated zone information. A method is presented to account for local spectral zone composition and leakage effects without resorting to frequent spectrum code calls. Fine group data are pre-computed for a range of isotopic states. Microscopic cross sections and zone nuclide number densities are used to construct fine group macroscopic cross sections, which, together with fission spectra, flux modulation factors, and zone buckling, are used in the solution of the slowing down balance to generate a new or updated spectrum. The microscopic cross-sections are then re-collapsed with the new spectrum for the local spectral zone. This technique is named the Spectral History Correction (SHC) method. It is found that this method accurately recalculates local broad group microscopic cross sections. Significant improvement in the core eigenvalue, flux, and power peaking factor is observed when the local cross sections are corrected for the effects of the spectral zone composition and leakage in two-dimensional PBR test problems.     

Safety Analysis of ITER Test Blanket Module for Water Cooled Blanket with Pebble Bed Breeder

Performance test of test blanket modules in the fusion environment using the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) is one of the most important mile-stone for the development of the breeding blanket of the fusion power plant. In the design of test blanket modules in the ITER, it is very important to show that test modules do not cause additional safety concern to the ITER. This work has been performed for the evaluation of the preliminary safety of the test blanket module of a water cooled solid blanket, which is the primary candidate of the breeding blanket in Japan currently. Major issues of the evaluation were, establishment of post-accident cooling in the test blanket module, hydrogen gas generation by Be/steam reaction, and pressure increase and spilled water amount by the event of coolant leakage. The analyses results showed that, suppression tank system is necessary to accommodate the over-pressure by the coolant water after pipe break in the box of the test module. Coolant water pipe break of the first wall of the test blanket module will result relatively small impact to the ITER safety because of the small inventory of the coolant water of the test module and large volume of the vacuum vessel of the ITER. However, it was clarified that the water cooled blanket with beryllium pebble as the multiplier will have the potential hazard of the hydrogen formation. Further investigation to maintain the safety on this aspect is required.     

聚变堆混和球床包层中子学和热工水力特性研究

在聚变堆初步概念设计的基础上，针对固态包层设计路线，提出了一个先进的氦冷固态包层概念。设计采用Be₁₂Ti和Li₂TiO₃陶瓷小球混和球床，物理和化学相容性好；采用SiC作为结构材料，提高耐高温性能及氦气出口温度。计算结果表明：选择Be₁₂Ti和Li^₂TiO₃球体积比在2和4之间较合理；在Be₁₂Ti和Li₂TiO₃球体积比为3时，⁶Li富集度取30％~80％较适宜；球床的最高温度低于材料的温度限值，温度分布合理均匀。该方案可较大程度提高热效率和改善中子学以及氚增殖性能。