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空间核反应堆动力学冲击引起的反应性变化研究

王立鹏 曹璐 李锐 刘仕倡 陈立新 姜夺玉 胡田亮

王立鹏, 曹璐, 李锐, 刘仕倡, 陈立新, 姜夺玉, 胡田亮. 空间核反应堆动力学冲击引起的反应性变化研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(5): 71-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0071
引用本文: 王立鹏, 曹璐, 李锐, 刘仕倡, 陈立新, 姜夺玉, 胡田亮. 空间核反应堆动力学冲击引起的反应性变化研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(5): 71-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0071
Wang Lipeng, Cao Lu, Li Rui, Liu Shichang, Chen Lixin, Jiang Duoyu, Hu Tianliang. Study on Reactivity Change Caused by Dynamic Impact of Space Nuclear Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(5): 71-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0071
Citation: Wang Lipeng, Cao Lu, Li Rui, Liu Shichang, Chen Lixin, Jiang Duoyu, Hu Tianliang. Study on Reactivity Change Caused by Dynamic Impact of Space Nuclear Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(5): 71-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0071

空间核反应堆动力学冲击引起的反应性变化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0071
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(12275219,12205237)
详细信息
    作者简介:

    王立鹏(1988—),男,副研究员,博士研究生,现主要从事反应堆多物理耦合分析等研究,E-mail: wang0214@126.com

  • 中图分类号: TL32

Study on Reactivity Change Caused by Dynamic Impact of Space Nuclear Reactor

  • 摘要: 精确计算撞击引入的反应性变化是微型反应堆设计和安全分析中亟待解决的关键问题。本文基于非结构网格蒙特卡罗的中子输运与显式有限元动力学仿真理论,研究在动力学冲击这种大变形条件下的微型反应堆的多物理耦合计算,以85棒束的NaK冷却的空间核反应堆为例,分析了垂直和45°倾角撞击地面过程中的反应性随时间的变化规律。结果表明,在不考虑流体和燃料均匀密度变化条件下,垂直撞击引起的有效增殖系数keff增加约8%,45°撞击引起的keff增加约3%,与文献结果符合较好;而在燃料非均匀密度变化条件下的2种场景keff增加分别提升约10%和20%。上述研究将为空间核反应堆发射的临界安全分析奠定重要的理论基础。

     

  • 图  1  MCNP、DAGMC与ABAQUS耦合流程图

    Figure  1.  Flow Chart of the Coupling of MCNP, DAGMC and ABAQUS

    图  2  NaK反应堆的CSG建模

    Figure  2.  CSG Model of NaK Reactor

    图  3  NaK反应堆的UM建模

    Figure  3.  UM Model of NaK Reactor

    图  4  垂直跌落位移云图

    Figure  4.  Displacement Distribution of Vertical Impact

    图  5  垂直跌落前后反应堆几何结构

    Figure  5.  Reactor Geometry Structure before and after Vertical Impact

    图  6  垂直跌落前后的中子注量率归一化分布

    Figure  6.  Normalized Neutron Flux Rate Distribution before and after Vertical Impact

    图  7  垂直跌落特征值和燃料区均匀密度随时间的变化

    Figure  7.  Variation of keff and Fuel Uniform Density with Time for Vertical Impact

    图  8  垂直碰撞末尾时刻燃料区非均匀密度分布

    Figure  8.  Non-uniform Density Distribution of Fuel Change at the End of Vertical Impact

    图  9  45°倾角跌落位移云图

    Figure  9.  Displacement Distribution after 45° Impact

    图  10  45°倾角跌落碰撞前后反应堆几何结构图

    Figure  10.  Reactor Geometry Structure after 45° Impact

    图  11  45°倾角跌落碰撞前后中子注量率归一化分布

    Figure  11.  Normalized Neutron Flux Rate Distribution before and after 45° Impact

    图  12  45°倾角跌落过程中特征值和燃料区均匀密度变化情况

    Figure  12.  Variation of keff and Fuel Uniform Density with Time for 45° Impact

    图  13  45°倾角跌落末尾时刻燃料区非均匀密度分布

    Figure  13.  Non-uniform Fuel Density Distribution at the End of 45° Impact

    表  1  NaK反应堆堆芯参数

    Table  1.   Parameters of NaK Reactor Core

    参数名 参数值 参数名 参数值
    燃料棒数/根 85 燃料UO2密度/(g·cm−3) 9.873
    燃料棒长度/cm 38 轴向反射层BeO密度/(g·cm−3) 2.85
    燃料棒间距/cm 2.372 径向反射层Be密度/(g·cm−3) 1.85
    燃料棒直径/cm 2 包壳SS316密度/(g·cm−3) 7.91
    包壳厚度/cm 0.1 吸收体B4C密度/(g·cm−3) 2.52
    反射层厚度/cm 15.3 围板SS316密度/(g·cm−3) 7.91
    控制鼓直径/cm 15.7 压力容器SS316密度/(g·cm−3) 7.91
    控制元件B4C厚度/cm 1.5 水箱容器SS316密度/(g·cm−3) 7.91
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    表  2  UM与CSG几何下冷态临界keff的对比

    Table  2.   Comparison of Cold Critical keff between UM and CSG   

    堆芯状态 建模方式 keff 与CSG偏差
    控制鼓面向堆芯 MCNP-CSG 0.87310
    MCNP-UM 0.87439 129pcm
    DAG-OpenMC 0.87209 101pcm
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    表  3  垂直碰撞末尾时刻不同处理方式下特征值变化的对比

    Table  3.   Comparison of Different keff Changes at the End of Vertical Impact

    参数 不考虑密度变化 均匀密度变化 非均匀密度变化
    Δkeff/pcm +140 +7993 +8800
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    表  4  45°倾角跌落末尾时刻不同处理方式特征值对比

    Table  4.   Comparison of Different keff Changes at the End of 45° Impact

    参数 不考虑密度 均匀密度变化 非均匀密度变化
    Δkeff /pcm −2276 +3090 +3690
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  • [1] 苏著亭,杨继材,柯国土. 空间核动力[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2016:1-20.
    [2] 安伟健,郭键,葛攀和,等. Kilopower空间堆掉落事故临界安全问题研究[J]. 原子能科学技术,2021, 55(3): 447-453.
    [3] 王立鹏,江新标,赵柱民,等. 热管式锂冷空间快堆中子学计算分析[J]. 核科学与工程,2014, 34(4): 448-453.
    [4] 王立鹏,江新标,赵柱民,等. SiO2热中子散射截面在空间堆事故分析中的应用[J]. 原子能科学技术,2014, 48(4): 680-684.
    [5] KIM S H, FLANAGAN G F. Impact analysis for candidate space reactor core concept designs for potential criticality study[J]. Nuclear Technology, 2009, 166(3): 230-239. doi: 10.13182/NT09-A8837
    [6] SMITH B, WILSON P H H. Modeling impact-induced reactivity changes using DAG-MCNP: SAND2011-0474C[R]. Albuquerque: Sandia National Lab, 2011.
    [7] MARTZ R L. The MCNP6 book on unstructured mesh geometry: user’s guide: LA-UR-11-05668-rev8[R]. New Mexico: Los Alamos National Laboratory, 2014.
    [8] 王立鹏,陈森,张信一,等. 基于非结构网格粒子输运的蒙特卡罗模拟计算研究[J]. 核科学与工程,2024, 44(02):286-294.
    [9] TALAMO A, GOHAR Y, LEPPAENEN J. MCNP6 and SERPENT2 performances with unstructured mesh geometry[C]//2017 Annual Meeting of the American Nuclear Society. San Francisco: Transactions of the American Nuclear Society, 2017.
    [10] 王立鹏,曹璐,陈森,等. 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.
    [11] 王立鹏,曹璐,陈立新,等. 微型反应堆高速撞击下核临界安全的初步分析[J]. 核技术,2024, 47(08):140-250.
    [12] TALLMAN T N, RADEL T E, SMITH J A, et al. Methods for modeling impact-induced reactivity changes in small reactors: SAND2010-6412[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 2010.
    [13] 王立鹏, 曹璐, 余小任, 等. 基于直接CAD几何模型的辐射场生成技术研究及应用[J]. 现代应用物理,2024, 15(03): 16-21+46.
    [14] 熊敏智, 张大才, 张夕蕊, 等. 基于蒙特卡罗均匀化的异形几何燃料棒物理性能研究[J]. 现代应用物理,2023, 14(04): 85-91.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-22
  • 修回日期:  2023-11-30
  • 刊出日期:  2024-10-14

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