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

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%.

空间离散对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响

单栅元燃耗计算是全堆芯燃耗计算的基础,栅元空间离散对燃耗计算的结果有显著影响。弥散颗粒燃料由于双重非均匀性的存在,空间离散的情况更为复杂。本文基于ALPHA组件程序,分析了颗粒在平源区上归类的宏观离散方案与颗粒内部细分燃耗区的微观离散方案对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响。算例包括无毒物的UC颗粒单栅元,含Gd_(2)O_(3)层的QUADRISO颗粒单栅元和含UC颗粒与Gd_(2)O_(3)毒物颗粒的双颗粒单栅元。数值结果表明,无毒物栅元宏观需分3圈以上,含Gd_(2)O_(3)栅元宏观需分5圈以上;无毒物算例微观不需要分圈,含Gd_(2)O_(3)层的QUADRISO颗粒需在微观燃料区细分2圈,双颗粒问题的Gd_(2)O_(3)毒物颗粒微观需分12~15圈。

弥散颗粒燃料及可燃毒物双重非均匀特性初步研究

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。

放电等离子烧结包覆颗粒弥散燃料芯块的性能研究

包覆颗粒弥散燃料是耐事故燃料研究的热点。采用放电等离子烧结制备包覆颗粒弥散燃料芯块,研究了烧结工艺对芯块性能的影响,并对芯块进行了物相检测、金相检测以及微观结构表征分析。研究发现,包覆颗粒弥散燃料芯块放电等离子烧结的最佳工艺为助烧剂添加量7%,在1850℃、45 MPa下保温15 min,芯块相对密度可达98.5%;烧结后芯块为纯β相,表明SPS快速烧结能够较好地控制物相转变;在最佳工艺条件下获得的芯块中未观察到芯块中TRISO颗粒出现明显接触的现象,TRISO颗粒整体完整性较好;热冲击试验中,芯块在一次热冲击后表面未出现贯穿的微裂纹,保持较好的完整性。综上,放电等离子烧结工艺可用于快速制备致密度高、无物相转变且抗热冲击性能良好的包覆颗粒弥散燃料芯块。

弥散颗粒型燃料特征线方法输运计算研究

弥散颗粒型燃料的中子输运问题因其特有的随机性和双重非均匀性难以直接使用现有输运方法进行求解。Sanchez-Pomraning方法借助更新方程,对特征线方法进行改进,使其能应用于弥散颗粒型燃料的输运计算中。本文对二维圆柱形弥散颗粒燃料输运问题进行了计算,数值结果表明:程序在不同颗粒填充率、不同颗粒尺寸、燃料颗粒与毒物颗粒共存的问题下均能保证较好的计算精度,反应性特征值绝对偏差大多低于100 pcm,仅在QUADRISO毒物颗粒填充时绝对偏差达到163 pcm。本文方法能满足弥散颗粒型燃料的输运求解要求,为新型燃料的设计研究工作提供了可靠的结果。

气冷快堆燃料组件设计及中子学特性分析

气冷快堆兼具高温气冷堆的经济性和快堆的可持续性等优点,在四代堆型中具有独特的技术优势。为了适应气冷快堆高温、高中子通量的堆芯环境,本文基于耐事故燃料模型,提出了一种块状气冷快堆燃料组件设计方案,并对该组件中铀钚混合燃料中的钚含量、冷却孔道的直径及数量、栅距比、包壳及组件盒厚度等物理参数对中子学特性的影响规律开展了敏感性分析研究。分析结果表明:在研究的6个参数中,钚含量和栅距比对组件的中子学特性影响最大,冷却孔道数量主要影响组件内的功率分布,其余参数对组件中子学特性几乎无影响。最后针对块状燃料组件低冷却剂份额的特点,利用单通道模型进行组件内的温度分布计算,给出了热工限值对组件参数的要求。

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

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。

裂变气体气泡尺寸对弥散燃料颗粒内部特征的影响规律

在前期均匀裂变气体气泡尺寸弥散燃料颗粒开裂模型基础上,基于不同尺寸气泡压力作用于燃料相的米塞斯(Mises)应力相等这一假设条件,建立了非均匀气泡尺寸的燃料颗粒开裂模型,并通过模型计算了裂变气体气泡尺寸对燃料相等效层厚度、气泡中气体原子数、气泡压力、燃料相最大张应力等内部特征的影响规律。计算结果表明:当气泡半径较大时,燃料相等效层厚度与气泡半径近似呈线性关系,当气泡尺寸较小时,等效层厚度与气泡半径之比随气泡半径减小急剧增加;随着气泡半径减小,气体原子数浓度增加;在升温过程中气泡内壁最大张应力的增大速率明显高于开裂阻力,气泡半径越小,燃料颗粒开裂温度越低。

基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型

根据弥散燃料颗粒开裂后裂变气体的3种释放途径,分别建立了裂纹连通释放模型、气泡连通释放模型以及原子扩散释放模型,综合得到了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型,并采用该模型对裂变气体释放量进行了计算。结果表明:裂变气体释放量主要由裂纹连通释放途径贡献;燃耗深度越高,裂变气体释放量的增加速率会越大;随着退火温度的增加,裂变气体释放量迅速增加,而退火时间越长,裂变气体释放量的增加速率越低。通过裂变气体释放量模型计算得到的裂纹宽度与实验观察到的裂纹宽度符合较好,对比结果验证了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型的合理性。

耐事故燃料研发进展及技术发展趋势

耐事故燃料(ATF)研发已成为后福岛时代国际燃料界一个新的研究方向,其内容涉及先进包壳材料、新型燃料的研发。经过十余年的全面系统研究,以美国、法国为代表的国际核燃料界在近期解决技术方案上取得了重要进展,对中远期的技术方向也更加聚焦。本文主要综述了国内外在ATF包壳材料(包括Cr涂层、FeCrAl合金与SiC复合材料)、燃料方面[包括增强型UO2、高铀密度燃料和陶瓷基包覆颗粒弥散(CDM)燃料]研究取得的重要进展、面临的挑战及后续技术发展趋势。

双重非均匀系统反应性等效物理转换方法

本文提出用环形反应性等效物理转换(RRPT)方法和杂交反应性等效物理转换(HRPT)方法分别处理含有单颗粒类型的双重非均匀系统和同时含有弥散燃料及弥散可燃毒物的双颗粒类型的双重非均匀系统,通过典型算例,计算了系统的k inf及反应性,并以蒙特卡罗程序颗粒模型(GM)的基准解为参考值,给出了本文方法、反应性等效物理转换(RPT)方法、改进反应性等效物理转换(IRPT)方法及体积均匀化(VH)方法的计算结果与参考值之间的计算偏差。结果表明,对于仅含有弥散燃料和吸收截面相对较小的弥散可燃毒物的双重非均匀系统,RPT方法和RRPT方法的计算精度相当,计算精度高于VH方法;对于含有吸收截面相对较大的弥散可燃毒物的双重非均匀系统,RRPT方法和HRPT方法的计算精度均高于RPT方法、IRPT方法及VH方法。

双重非均匀子群参数制作研究

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。

双重非均匀系统环形RPT计算方法研究

弥散燃料与弥散可燃毒物由于具有双重非均匀性,采用传统体积均匀化方法(VHM)会带来较大的计算偏差。反应性等效物理转换(RPT)方法被应用于含弥散燃料的双重非均匀系统,具有方法简单且计算精度较高的特点。本文首先对传统RPT方法和改进RPT(IRPT)方法进行了分析和验证,结果表明,这2种方法对于含有弥散可燃毒物的双重非均匀系统燃耗过程中依然存在相对较大的计算偏差;然后提出环形RPT(RRPT)方法和2步环形RPT(TRRPT)方法分别用于处理含单一颗粒类型和含2种颗粒类型的双重非均匀系统,通过含不同类型可燃毒物的算例验证并与蒙卡颗粒模型基准解对比可知,本文提出的RRPT方法和TRRPT方法可用于处理含弥散燃料和弥散可燃毒物的双重非均匀系统,相比传统方法具有更高计算精度和更广适用范围。