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基于非结构网格MCNP的KRUSTY热膨胀负反馈计算研究

王立鹏 曹璐 陈森 张信一 姜夺玉 胡田亮 李达 陈立新 江新标

王立鹏, 曹璐, 陈森, 张信一, 姜夺玉, 胡田亮, 李达, 陈立新, 江新标. 基于非结构网格MCNP的KRUSTY热膨胀负反馈计算研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 45-53. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045
引用本文: 王立鹏, 曹璐, 陈森, 张信一, 姜夺玉, 胡田亮, 李达, 陈立新, 江新标. 基于非结构网格MCNP的KRUSTY热膨胀负反馈计算研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 45-53. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045
Wang Lipeng, Cao Lu, Chen Sen, Zhang Xinyi, Jiang Duoyu, Hu Tianliang, Li Da, Chen Lixin, Jiang Xinbiao. Study of KRUSTY Thermal Expansion Negative Feedback Calculation Based on Unstructured-Mesh MCNP[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 45-53. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045
Citation: Wang Lipeng, Cao Lu, Chen Sen, Zhang Xinyi, Jiang Duoyu, Hu Tianliang, Li Da, Chen Lixin, Jiang Xinbiao. Study of KRUSTY Thermal Expansion Negative Feedback Calculation Based on Unstructured-Mesh MCNP[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 45-53. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045

基于非结构网格MCNP的KRUSTY热膨胀负反馈计算研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045
基金项目: 自然科学基金(12275219;12205237)
详细信息
    作者简介:

    王立鹏(1988—),男,副研究员,现主要从事反应堆多物理耦合和核数据研究,E-mail: wang0214@126.com

  • 中图分类号: TL32

Study of KRUSTY Thermal Expansion Negative Feedback Calculation Based on Unstructured-Mesh MCNP

  • 摘要: 热管堆KRUSTY的热膨胀负反馈模拟一直是业内计算的难点。本文基于蒙特卡罗方法(MCNP)的非结构网格功能,将KRUSTY非结构网格的功率分布直接输入给有限元软件ABAQUS,利用ABAQUS进行KRUSTY的热力耦合,在统一的非结构网格下研究了KRUSTY热变形模拟、膨胀反应性反馈和密度反馈,重点研究了非均匀密度与均匀密度的差异。结果表明,热膨胀效应带来超过900pcm(pcm=10−5)的负反馈,特殊的燃料变形主要发生在上部和外边缘表面,总位移达到~0.9 cm,反应堆堆芯总温差足够小,只有23 K 左右,并且核热力耦合较核热耦合趋于使堆芯的温度分布更均匀,由于热管的冗余设计,反应堆的设计可以满足单点失效原则。相较于传统的组合实体(CSG)几何,本文基于非结构网格MCNP方法可以更真实地模拟金属燃料堆的热膨胀效应。

     

  • 图  1  KRUSTY堆芯的MCNP模型

    Figure  1.  MCNP Model of KRUSTY Core

    图  2  KRUSTY 的稳态热膨胀负反馈计算流程

    Figure  2.  Steady-state Thermal Expansion Negative Feedback Calculation Flow of KRUSTY

    图  3  KRUSTY初始归一化核功率分布

    Figure  3.  Intial Normalized Nuclear Power Distribution of KRUSTY

    图  4  燃料热流密度分布

    Figure  4.  Distribution of Fuel Heat Flux Density

    图  5  归一化的燃料温度、位移和应变压强分布

    Figure  5.  Normalized Fuel Temperature, Displacement and Strain Pressure Distribution

    图  6  不同径向面的燃料位移分布

    Figure  6.  Fuel Displacement Distribution on Different Radial Surfaces

    图  7  热膨胀后非均匀密度情况下燃料密度分布

    Figure  7.  Distribution of Fuel Density after Thermal Expansion under Non-uniform Density

    图  8  核热力耦合与核热耦合下温度对比分布

    Figure  8.  Temperature Difference Distribution under N-T-M Coupling and N-T Coupling

    图  9  单根热管失效下的温度分布和与失效前温度的差异

    Figure  9.  Temperature Distribution under Single Heat Pipe Failure and Temperature Difference after the Failure

    图  10  单根热管失效下的位移和应变压强分布

    Figure  10.  Displacement and Strain Pressure Distribution under Failure of a Single Heat Pipe

    表  1  KRUSTY U-Mo核燃料的热物性参数

    Table  1.   Thermal and Physical Parameters of KRUSTY U-Mo Fuel

    参数 参数值
    密度(ρ)/( g·cm−3) 17.34 (300 K)
    杨氏模量(E)/ Pa 8.8×1010
    泊松比(υ 0.35
    热传导系数(k)/
    [ W·(cm·℃)−1]
    0.12~0.37
    (300~1200 K)
    热膨胀系数(α)/(K−1) 2.0895×10−5
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    表  2  UM几何网格与CSG几何下冷态临界keff的对比

    Table  2.   Comparison of Cold Critical keff between Unstructured Mesh and CSG Geometry

    输入方式 径向网格
    尺寸/cm
    单元数 时间/
    min
    keff 与CSG
    偏差/pcm
    UM 均匀密度 0.4 15750 795 1.02450 267
    0.2 58625 1455 1.02257 74
    非均匀密度 0.4 15750 6544 1.02459 276
    0.2 58625 22643 1.02243 60
    CSG几何 437 1.02183
    下载: 导出CSV

    表  3  KRUSTY稳态反应性反馈

    Table  3.   Steady-State Reactivity Feedback of KRUSTY

    计算设置 keff Δρ/pcm
    本文 文献[5] LANL[1]
    全堆冷态(300 K) 1.02257
    燃料热态膨胀,密度不变 1.04105 1848
    燃料热态膨胀,均匀密度变化 1.01263 −994 −969 −1019
    燃料热态膨胀,非均匀密度变化 1.01272 −985
    燃料热态膨胀,非均匀密度
    变化,多普勒展宽
    1.01209 −1048
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-14
  • 修回日期:  2022-12-27
  • 网络出版日期:  2023-12-11
  • 刊出日期:  2023-12-15

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