輕水堆堆芯下一代數(shù)值計算方法的三維非均勻效應(yīng)研究.pdf

1、目前一代輕水堆堆芯物理分析理論和數(shù)值計算方法形成于上世紀(jì)七十年代末。受限于當(dāng)時計算機的硬件條件，理論上存在近似和不足的現(xiàn)行堆芯物理分析方法已難以滿足當(dāng)今日益復(fù)雜的堆芯設(shè)計需求。因此，近些年國際上廣泛地開展了下一代（第三代）輕水堆堆芯數(shù)值計算理論和方法（Next Generation Methods，NGM）的研究。NGM研究工作貫穿整個反應(yīng)堆物理數(shù)值計算理論的各個環(huán)節(jié)，包括多群核數(shù)據(jù)庫的研制，共振計算方法的研究，堆芯非均勻性處理方法等等

2、。本研究工作主要聚焦于堆芯計算中三維非均勻效應(yīng)的處理這一重要環(huán)節(jié)，在已有研究工作的基礎(chǔ)上對輕水堆堆芯設(shè)計中越來越突出的軸向三維非均勻性開展了針對性的研究，并建立了相應(yīng)的基準(zhǔn)問題用于驗證在NGM研究中提出的方法和模型，最終形成了以徑向反照率邊界條件下的三維單組件均勻化模型為基礎(chǔ)而在堆芯層面沿用粗網(wǎng)計算及精細功率重建模型的NGM主體技術(shù)路線。
　　首先，本文基于半解析節(jié)塊方法理論研制了NGM的堆芯計算工具PLUM程序。PLUM程序在節(jié)

3、塊展開函數(shù)部分采用了國際上比較通行的半解析基函數(shù)，具體迭代求解過程則采用更具穩(wěn)定性的全堆流掃描的耦合求解方式。另外，PLUM程序采用了具有較高靈活性和較好加速效率的粗網(wǎng)有限差分加速方法。PLUM程序基于多群理論，對多群散射矩陣進行了優(yōu)化存儲，同時對于多群計算時會出現(xiàn)的上散射問題采取了針對性的算法優(yōu)化。
　　其次，本文分別提出了用作NGM算法模型研究的單組件和小堆三維基準(zhǔn)問題，并在基準(zhǔn)題上開展了一系列針對性的算法模型研究，并逐漸明確

4、了堆芯三維非均勻性的處理方法。單組件三維基準(zhǔn)題采用實際工業(yè)設(shè)計的沸水堆組件，并模擬實際沸水堆堆內(nèi)常見的軸向冷卻劑密度分布；該問題的參考解通過三維輸運計算程序TORT直接作三維非均勻輸運求解獲得，同時基于兩維柵元均勻化截面的三維細網(wǎng)擴散解也能夠較好地與參考解吻合；本文還針對該基準(zhǔn)題開展了NGM均勻化模型的研究，分析并探討了該基準(zhǔn)題中顯著存在的軸向非均勻性以及解決該問題的策略和手段。小堆基準(zhǔn)題由36個標(biāo)準(zhǔn)沸水堆組件構(gòu)成，堆內(nèi)同時存在新燃料和

5、經(jīng)過了一個循環(huán)燃耗的舊燃料，同時在徑向和軸向均布置有水反射層，堆內(nèi)有控制棒插入，該基準(zhǔn)題更加接近實際反應(yīng)堆狀況。本文提出的NGM方法在堆芯計算部分仍然沿用粗網(wǎng)節(jié)塊方法，但節(jié)塊均勻化參數(shù)（中子截面，不連續(xù)因子）則基于特殊的非全反射邊界條件下的單組件三維細網(wǎng)模型產(chǎn)生；除了用于粗網(wǎng)節(jié)塊法求解的節(jié)塊均勻化參數(shù)，該均勻化模型還會產(chǎn)生用于精細功率重建的三維棒通量形狀因子，該精細功率重建方法也有別于傳統(tǒng)的重建方法，其充分挖掘三維均勻化模型所包含的可靠

6、的棒通量分布信息，同時在實現(xiàn)上也更加簡單。數(shù)值試驗證明，本文提出的NGM方法能夠較好地處理該小堆基準(zhǔn)題客觀存在的復(fù)雜的三維效應(yīng)，無論是堆芯宏觀參數(shù)還是逐棒的功率分布結(jié)果都具有很高的求解精度，能夠較好地解決和突破目前一代方法所遇到的實際困難和局限。
　　同時，本文也探討了在NGM三維堆芯模型中直接采用全堆逐棒建模方式的可行性。通過在不同規(guī)模問題上進行的數(shù)值試驗可以發(fā)現(xiàn)，如果采用合適的粗網(wǎng)有限差分加速方法加速計算過程，全堆逐棒計算模型

7、總的計算量隨著問題規(guī)模的擴大具有接近線性的規(guī)律。這說明若采用相同的軸向網(wǎng)格剖分，直接全堆逐棒模型與上述在線三維單組件均勻化+粗網(wǎng)節(jié)塊模型在總體計算量上處于相同的水平。通過對軸向網(wǎng)格模型的進一步優(yōu)化，并針對性開發(fā)具有較高并行效率的并行算法，未來NGM計算直接采用全堆逐棒模型也是完全可行的。
　　本文還針對目前一代方法中控制棒部分插棒問題進行了專題研究，提出了軸向動態(tài)子網(wǎng)格方法用于解決此問題。數(shù)值檢驗證明，該方法能夠精確模擬部分插棒網(wǎng)

8、格的熱區(qū)通量分布；另外，動態(tài)子網(wǎng)格在應(yīng)用時，非部分插棒網(wǎng)格仍然維持既有的軸向粗網(wǎng)剖分，這使得問題規(guī)模與傳統(tǒng)處理方式保持基本相當(dāng)，是一種既精確又高效的處理方法?？刂瓢粑⒎謨r值曲線的數(shù)值模擬證明了該方法能夠有效避免傳統(tǒng)簡單體積均勻化方法所帶來的“尖端效應(yīng)”，獲得更接近物理實際的價值曲線。同時動態(tài)子網(wǎng)格方法還可用于定位格架的直接顯式表達，提供更精確的軸向功率分布。
　　需要指出的是，動態(tài)子網(wǎng)格方法同樣可以用于NGM研究中的三維逐棒模型，