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基于弥散颗粒燃料的先进核反应堆大规模并行模拟与优化

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计算机研究与发展 2024年第4期61卷 973-982页

作者：李睿涵侯叶凡李玉辉刘召远张海红梁金刚清华大学核能与新能源技术研究院北京100084 齐鲁工业大学(山东省科学院) 济南250353

颗粒燃料是将核燃料制成颗粒并弥散在基体中的一种新型燃料构型,广泛应用于高温气冷堆、空间堆、氟盐冷却高温堆等先进堆型中.以高温气冷堆和空间堆为例,基于开源蒙特卡罗程序OpenMC研究了适用于颗粒燃料临界计算的虚拟网格模拟加速方法... 详细信息

颗粒燃料是将核燃料制成颗粒并弥散在基体中的一种新型燃料构型,广泛应用于高温气冷堆、空间堆、氟盐冷却高温堆等先进堆型中.以高温气冷堆和空间堆为例,基于开源蒙特卡罗程序OpenMC研究了适用于颗粒燃料临界计算的虚拟网格模拟加速方法,并在山河超算平台开展了超10万核心的大规模并行测试.结果表明,高温气冷堆模型的有效增殖因数计算结果与石岛湾核电站实验数据符合较好,验证了程序及模型的准确性.在性能方面,虚拟网格方法与OpenMC此前的真实网格方法相比,在存储空间和计算速度上均有明显提升,高温气冷堆虚拟网格模型的内存和耗时分别为真实网格模型的0.2%和82%;此外,由于虚拟网格方法简化了模型几何,其间接实现了更好的负载均衡,使得程序拥有了更高的并行效率.对于强可扩展性,在10752核规模的测试中,虚拟网格的并行效率为83.4%,而真实网格为63.6%;对于弱可扩展性,虚拟网格模型在131600核并行效率为83.1%,而真实网格为66.1%.

关键词：核反应堆弥散颗粒燃料蒙特卡罗大规模并行网格加速

弥散颗粒燃料及可燃毒物双重非均匀特性初步研究

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中国核电 2022年第4期15卷 610-617页

作者：娄磊柴晓明姚栋陈亮刘晓黎李司南唐霄张策中国核动力研究设计院四川成都610213

弥散颗粒燃料及可燃毒物由于其固有安全性及自屏效应而被广泛关注,但其双重非均匀性为中子学计算带来挑战。为了研究弥散颗粒系统的双重非均匀性大小,评价体积均匀化方法的适用性,本文针对弥散不同类型、不同相体积、不同颗粒尺寸的颗... 详细信息

弥散颗粒燃料及可燃毒物由于其固有安全性及自屏效应而被广泛关注,但其双重非均匀性为中子学计算带来挑战。为了研究弥散颗粒系统的双重非均匀性大小,评价体积均匀化方法的适用性,本文针对弥散不同类型、不同相体积、不同颗粒尺寸的颗粒以及不同富集度燃料基体的栅元系统进行了分析,评价栅元系统的颗粒模型与体积均匀化模型在零燃耗下的反应性偏差。分析结果显示,对于弥散燃料颗粒,体积均匀化方法的计算偏差随弥散颗粒尺寸的增加、燃料富集度的增加、以及弥散颗粒相体积的减小而增大;对于弥散可燃毒物颗粒,体积均匀化方法的计算偏差随弥散颗粒的颗粒尺寸的增加、基体燃料富集度的减小、弥散颗粒相体积的增加、以及弥散颗粒吸收截面的增大而增大。同时本文给出了弥散颗粒的双重非均匀性大小的大致顺序,针对双重非均匀性最小和最大的两种毒物颗粒也进行了详细分析,给出了是否需要考虑其双重非均匀性的大致判定条件,为弥散颗粒系统的数值计算提供指导。

关键词：弥散颗粒燃料弥散颗粒可燃毒物双重非均匀性体积均匀化方法反应性计算偏差

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双重非均匀子群参数制作研究

原子能科学技术 2022年第1期56卷 22-30页

作者：黄冬袁媛张乾李颂梁越超西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049 中国核电工程有限公司北京100840 哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室黑龙江哈尔滨150001 海军工程大学核科学技术学院湖北武汉430033 国防科技大学并行与分布处理国防科技重点实验室湖南长沙410073

弥散颗粒燃料元件中燃料颗粒以随机形式弥散在基体中,难以获得确定几何。同时由于共振自屏现象的存在,呈现出一种双重非均匀系统。当前均匀系统产生的共振积分在双重非均匀系统中使用时,会在较低的共振能群产生一定的共振计算误差。为... 详细信息

弥散颗粒燃料元件中燃料颗粒以随机形式弥散在基体中,难以获得确定几何。同时由于共振自屏现象的存在,呈现出一种双重非均匀系统。当前均匀系统产生的共振积分在双重非均匀系统中使用时,会在较低的共振能群产生一定的共振计算误差。为满足现有组件计算程序直接进行双重非均匀性共振计算的需求。基于Sanchez-Pomraning模型下的特征线固定源计算方法,建立一套双重非均匀共振积分表,最后结合子群方法实现随机介质燃料元件的共振计算。数值结果表明,考虑双重非均匀性产生的积分表,在相同的输运条件下和积分表的适用范围内,由子群共振部分对k_(eff)计算带来的绝对偏差能保持在200 pcm内。该工作的意义是对于一些不宜改动的传统组件程序,如HELIOS,通过在线修改共振积分表和子群参数,从而使其直接进行弥散颗粒燃料问题的计算成为可能。

关键词：弥散颗粒燃料共振自屏双重非均匀积分表 Sanchez模型

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基于OpenMC的反应性等效物理转换方法在双重非均匀性问题中的应用

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强激光与粒子束 2023年第12期35卷 129-135页

作者：刘鹏飞陈玉清李颂朱彤海军工程大学核科学技术学院武汉430033 中核武汉核电运行技术股份有限公司武汉430074

由于基体中有着大量随机分布的弥散颗粒,双重非均匀系统具有复杂的几何结构,传统中子学计算方法往往难以处理双重非均匀系统,反应性等效物理转换(RPT)方法是常用的近似处理方法。通过分析RPT方法的三个关键步骤:精确初始值的求解、等效... 详细信息

由于基体中有着大量随机分布的弥散颗粒,双重非均匀系统具有复杂的几何结构,传统中子学计算方法往往难以处理双重非均匀系统,反应性等效物理转换(RPT)方法是常用的近似处理方法。通过分析RPT方法的三个关键步骤:精确初始值的求解、等效半径的求解、燃耗算法的选取,探讨了各步骤采用不同算法对RPT方法效率和精度的影响,并基于OpenMC在Python应用程序接口之上开发了RPT模块。数值结果表明,优化后的RPT模块,在保持良好计算效率的同时,也能满足工程计算精度的需要。

关键词： OpenMC 双重非均匀系统弥散颗粒燃料反应性等效物理转换方法

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随机介质确定论中子输运计算方法研究

随机介质确定论中子输运计算方法研究

作者：梁越超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随机介质燃料是将裂变物质制成微球型颗粒,用石墨等碳基物质做基质背景材料,使大量的微球颗粒在基质空间内随机弥散的新型复合燃料。随机介质燃料能够在堆芯严重事故时保证放射性产物包容在颗粒内部而不泄漏,具有固有安全特性,但因其颗... 详细信息

随机介质燃料是将裂变物质制成微球型颗粒,用石墨等碳基物质做基质背景材料,使大量的微球颗粒在基质空间内随机弥散的新型复合燃料。随机介质燃料能够在堆芯严重事故时保证放射性产物包容在颗粒内部而不泄漏,具有固有安全特性,但因其颗粒数目巨大且位置随机不确定为传统堆芯中子学计算带来挑战。随着近年来对反应堆安全特性要求的逐步提升,耐事故的随机介质燃料逐渐成为研究热点,攻克随机介质燃料的中子学计算方法挑战是很有必要的。为此,本文对随机介质燃料的确定论中子输运计算方法展开研究。针对随机介质内燃料颗粒的空间随机特性,研究了随机介质基体弦长概率分布,即球形颗粒间的弦长概率分布,借此描述随机介质内弥散颗粒间的位置相互关系,用概率模型解决随机特性。通过对随机介质内基体弦长的大规模采样,获得不同随机介质的基体弦长概率分布函数,分析随机介质尺寸、弥散颗粒的尺寸和颗粒体积填充率对基体弦长分布的影响。在以往研究中,常用二元无限随机介质的Markovian分布描述实际情况中的基体弦长分布,因此,评估使用Markovian分布近似实际基体弦长分布对中子学计算的影响,为后文的随机介质特征线输运计算方法提供理论基础。每个燃料元件都含有成千上万个微球颗粒,每个颗粒在空间内随机弥散,且空间体积不能重叠,对每个颗粒进行精确建模,再使用确定论方法进行网格中子通量求解是不现实的。为此,本文采取了借助颗粒和基体弦长分布函数对随机介质等效均匀化,对均匀化介质进行特征线输运计算,再复现颗粒内部和基体中子通量的方案,即Sanchez-Pomraning方法,将随机介质内颗粒和基体弦长分布引入中子输运方程,实现了对随机介质燃料的特征线输运计算方法,研制了随机介质燃料特征线输运计算程序ALPHA-DH((?)dvanced (?)attice (?)hysics code based on (?)eterogeneous (?)rchitecture-(?)ouble (?)eterogenity)。为验证ALPHA-DH程序对随机介质燃料的计算准确性,计算了不同颗粒尺寸、颗粒填充率、多种颗粒共存多群宏观输运问题,问题规模从压水堆FCM燃料栅元到组件,并对颗粒尺寸因制造公差带一定分布对反应性的影响进行评估。数值结果表明:该随机介质燃料特征线输运计算方法有着较高的精度,可以满足对随机介质燃料的输运求解要求。

关键词：随机介质弥散颗粒燃料全陶瓷微密封式燃料特征线方法 Sanchez-Pomraning方法