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基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用

张旻婉 刘宙宇 王博 曹璐 赵晨 曹良志

张旻婉, 刘宙宇, 王博, 曹璐, 赵晨, 曹良志. 基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 42-50. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0042
引用本文: 张旻婉, 刘宙宇, 王博, 曹璐, 赵晨, 曹良志. 基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 42-50. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0042
Zhang Minwan, Liu Zhouyu, Wang Bo, Cao Lu, Zhao Chen, Cao Liangzhi. Study on High-Fidelity Thermal-Neutronic Coupling Method Based on the Unified Geometry Modeling and its Application in Experimental Reactor Core Calculation for SPERT[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 42-50. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0042
Citation: Zhang Minwan, Liu Zhouyu, Wang Bo, Cao Lu, Zhao Chen, Cao Liangzhi. Study on High-Fidelity Thermal-Neutronic Coupling Method Based on the Unified Geometry Modeling and its Application in Experimental Reactor Core Calculation for SPERT[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 42-50. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0042

基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0042
基金项目: 中国核工业集团有限公司领创科研项目
详细信息
    作者简介:

    张旻婉(1996—),女,硕士研究生,主要从事反应堆物理-热工耦合计算研究,E-mail: 1627336355@qq.com

    通讯作者:

    刘宙宇,E-mail: zhouyuliu@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL327

Study on High-Fidelity Thermal-Neutronic Coupling Method Based on the Unified Geometry Modeling and its Application in Experimental Reactor Core Calculation for SPERT

  • 摘要: 针对各类小型动力堆或实验堆开展物理-热工耦合模拟计算时,由于非规则几何结构的存在而带来物理-热工网格映射关系复杂且不可统一预置的问题,基于数值反应堆高保真物理计算程序NECP-X开展了基于统一几何建模的物理-热工耦合方法研究,基于中子学模型建立物理-热工耦合的映射关系,并结合NECP-X程序中的瞬态计算方法实现了特殊功率偏移实验(SPERT)实验堆堆芯的直接瞬态计算;计算了SPERT实验堆稳态算例并与蒙特卡罗程序的结果进行对比,在此基础上,对SPERT实验堆进行了瞬态计算分析并与实验值进行对比。结果表明,NECP-X程序中子学计算的特征值和棒功率分布计算结果具有较高的精度;基于统一几何建模的网格映射方法可以方便快捷地实现复杂几何压水堆的物理-热工耦合计算;与实验值相比,瞬态计算的总功率、反应性随时间的变化曲线具有较高的精度,并且可提供精细的功率及温度分布。

     

  • 图  1  棒束型小堆中子学模型

    1—燃料芯块;2—气隙区;3—包壳区;蓝色区域—慢化剂区

    Figure  1.  Neutronics Model of Rod-Cluster Reactor

    图  2  棒束型小堆热工模型

    白色数字—燃料棒编号;橙色数字—通道编号

    Figure  2.  Thermal Model of Rod-Cluster Reactor

    图  3  NECP-X程序的空间区域分解示意图

    红色部分—活性区;蓝色区域—轴向反射层区

    Figure  3.  Schematic Diagram of Space Division of NECP-X

    图  4  NECP-X与并行热工程序耦合的分-总-分耦合策略

    nm—CPU个数

    Figure  4.  Coupling Strategy of NECP-X and Parallel Thermal Code     

    图  5  NECP-X与串行热工程序耦合分-总耦合策略

    Figure  5.  Coupling Strategy of NECP-X and Serial Thermal Code     

    图  6  物理-热工耦合计算流程图

    Figure  6.  Flow Chart of Thermal-Neutronic Coupled Calculation     

    图  7  SPERT实验堆堆芯径向几何模型

    红色区域—燃料区;蓝色区域—慢化剂区;黄色区域—十字形瞬态棒;浅粉色区域——矩形控制棒;其他颜色区域为不同类型的结构材料

    Figure  7.  Radial Geometric Model of Experimental Reactor Core for SPERT

    图  8  CZP工况SPERT实验堆三维全堆芯的棒功率及功率偏差分布

    Figure  8.  3D Full-Core Pin Power and Power Difference Distributions of Experimental Reactor for SPERT in the CZP Case

    图  9  HZP工况SPERT实验堆三维全堆芯的棒功率及功率偏差分布

    Figure  9.  3D Full-Core Pin Power Distribution and Power Difference Distributions of Experimental Reactor for SPERT in the HZP Case

    图  10  SPERT实验堆栅元类型图

    红色区域—燃料区;粉色区域——矩形控制棒区;蓝色区域—慢化剂区;黄色区域—十字形瞬态棒区;其他颜色区域为不同类型的结构材料

    Figure  10.  Cell Types of Experimental Reactor for SPERT

    图  11  总功率变化

    Figure  11.  Total Power Change

    图  12  反应性变化

    Figure  12.  Reactivity Change

    图  13  活性区最底部初始以及峰值时刻燃料棒功率分布

    Figure  13.  Pin Power Distributions Corresponding to Initial and Peak Power at the Bottom of the Active Region

    图  14  活性区最底部初始以及峰值时刻燃料棒温度分布

    Figure  14.  Pin Temperature Distributions Corresponding to Initital and Peak Temperature at the Bottom of the Active Region

    表  1  SPERT实验堆三维全堆芯特征值计算结果

    Table  1.   3D Full-Core Eigenvalue Calculation Results of Experimental Reactor for SPERT

    工况
    特征值
    KENO-VINECP-X偏差/pcm
    CZP0.99857±0.000010.99970+113
    HZP1.00069±0.000011.00326+257
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    表  2  T85算例工况状态参数

    Table  2.   Condition Parameters of T85 Case

    反应性/$入口
    温度/K
    入口质量
    流速/(kg·s−1)
    初始
    功率/MW
    最大
    功率/MW
    0.87±0.04533.15±2.22598.619±1130±10%
      1 $= 6.605×10−3
    下载: 导出CSV

    表  3  SPERT实验堆动力学参数计算结果

    Table  3.   Kinetic Parameters Calculations of Experimental Reactor for SPERT

    参数NECP-X实验值
    缓发中子份额0.007300.00725
    中子代时间/µs17.216.31
    下载: 导出CSV
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图(14) / 表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-25
  • 修回日期:  2020-09-08
  • 刊出日期:  2021-09-30

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