先进反应堆热工水力与多物理场耦合程序开发及应用研究

摘要

多物理场耦合现象广泛存在于各种核反应堆中，尤其是先进的反应堆系统中。多物理场耦合以及大规模并行也是当前核能软件研发的核心课题。传统的基于各独立物理模块开发接口程序进行外耦合的方法不适用于强耦合、高精度、大规模并行的需求。多物理场耦合的本质是偏微分方程组的联立求解。基于统一编程框架进行多物理场耦合并对各个不同物理场进行建模、离散、数值求解也是开发数值反应堆的研究趋势。
　　本文工作基于开源CFD平台OpenFOAM，通过对先进反应堆热工水力学与堆内其他物理场耦合现象的研究，探索先进核能系统中的多物理场耦合的方法以及关键技术难点。主要工作内容如下:
　　1)基于OpenFOAM开发液态金属在强磁场中流动的热工水力学-磁场耦合程序，并应用于先进聚变反应堆液态包层热工水力学特性研究。采用电势法求解磁场-流体耦合的方程组，电势梯度和电流密度的求解采用相容守恒的离散格式，流体NS方程的求解采用PISO算法。对开发的磁流体动力学程序进行Shericliff、Hunt、ALEX方管和IEA圆管等国际基准算例验证。验证结果表明耦合程序具有非常好的准确性和可靠性，同时可以适用于非结构、非正交网格，具有较好的几何适应性。采用该耦合程序分析了聚变堆液态金属包层内冷却剂在磁场下的三维流动现象。对聚变堆液态金属包层中的关键突扩、突缩管道进行三维磁流体现象分析，从而提出结构优化，降低局部三维压降。另外当包层内液态金属流动速度比较低时，磁对流的现象会比较突出，针对所开发的磁场-流体动力学耦合程序进行功能扩展，并分析不同哈特曼数对三维竖直管道内的磁对流现象的影响。
　　2)基于OpenFOAM平台开发点堆中子动力学模型与CFD热工水力学模型以及燃料棒瞬态导热模型之间的耦合程序，探索基于多套网格的采用常微分方程组和偏微分方程组描述的多物理耦合计算处理方法的实现。并分别对点堆中子动力学模型、CFD热工水力学模型中的多孔介质计算功能、自然对流功能和瞬态燃料棒导热模型三个模块进行分离验证以及三个模型耦合之后的整体验证，针对PDS-XADS的验证结果表明各个独立模块计算结果准确、耦合程序数据传递正确，可以用于反应堆的瞬态安全分析。
　　3)为满足非对称冷却、局部反应性扰动等有功率空间变化的瞬态安全事故分析的需求，基于OpenFOAM平台，采用有限体积法开发扩散中子动力学程序，添加外推边界条件的实现，稳态特征值求解采用源迭代算法，瞬态求解时以稳态结果为初始状态，耦合缓发中子先驱核方程和温度反馈模型，进行时间步进求解，每个时间步更新各群中子宏观截面。针对所开发的程序采用临界球、临界柱和临界块算例以及IAEA、TWIGL、Dodd Benchmark、LRA和HTGR五个稳态特征值算例和瞬态基准算例来对扩散中子动力学程序进行验证。验证结果表明扩散中子动力学程序计算精度高且几何适应性强。随后将本节开发的扩散中子动力学与上一小节开发CFD热工水力学程序进行耦合，探索多物理场耦合之间的网格映射、迭代收敛等问题。
　　4)针对开发的核-热耦合程序开展应用研究，探索基于面向对象编程框架开发的多物理场耦合程序的适应性。开展的应用研究有:一是小型自然循环铅冷快堆的不同寿期反应性引入事故的对比分析，观察不同寿期时由于燃耗等引起的安全系数变化对堆安全的影响;二是ADS次临界堆芯的典型束流瞬态事故分析，包括不同时长的失束、超束以及叠加事故情况下反应堆功率、反应性以及燃料温度等变化;三是全堆芯LRA非对称反应性引入事故和对称反应性引入事故的对比分析。
　　本文基于面向对象的CFD程序框架开发了热工水力学-磁场耦合程序、基于点堆中子动力学和CFD热工水力学的耦合程序以及基于扩散中子动力学和CFD热工水力学的耦合程序，探索了不同网格之间物理场的映射方法，并将耦合程序作了一定的应用研究。掌握了基于统一编程框架进行多物理场之间通过方程源项或方程系数耦合以及不同网格之间物理场映射的关键技术。
　　本文的相关研究成果有助于我国核能软件的发展，为基于统一编程框架的先进核能系统的多物理场耦合程序开发提供经验积累和技术支持，具有一定的研究意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景

1．2 研究内容及国内外研究现状

1．2．1 研究内容

1．2．2 热工水力学与中子物理场耦合程序的研究现状

1．2．3 热工水力学与强磁场耦合现象研究现状

1．2．4 基于统一编程架构进行多物理场耦合的共性问题

1．2．5 CFD方法在核反应堆工程中的应用

1．3 研究目标与意义

1．4 研究目标和意义

1．5 论文的主要内容与结构

第2章 磁场-热工水力学耦合程序开发

2．1 背景介绍

2．2．磁流体控制方程及数值算法

2．2．1 控制方程

2．2．2 数值算法及在OpenFOAM中的实现

2．3 程序验证

2．3．1 理论解验证

2．3．2 实验验证

2．4 本章小结

第3章 磁场-热工水力学耦合程序的应用研究

3．1 突扩管道内磁流体流动影响因素研究

3．2 管道内的磁对流现象研究

3．2．1 磁对流方程推导

3．2．2 磁场-传热耦合求解算法

3．2．3 竖直方管内的磁对流现象研究

3．3 本章小结

第4章 基于点堆中子动力学的核-热耦合程序开发

4．1 背景介绍

4．2 模型介绍及其在OF中的实现

4．2．1 流体力学模块

4．2．2 点堆中子动力学模块

4．2．3 瞬态燃料棒导热模块

4．2．4 各模块耦合策略及数据传递

4．3 各模块的分离验证及整体验证

4．3．1 点堆模块验证

4．3．2 燃料棒瞬态导热模块验证

4．3．3 CFD模块验证

4．3．4 耦合程序整体验证

4．4 本章小结

第5章 基于扩散中子动力学程序的核-热耦合程序开发

5．1 扩散中子动力学

5．2 扩散中子动力学模型

5．2．1 多群瞬态时空中子动力学模型

5．2．2 多群稳态扩散中子动力学模型

5．2．3 缓发中子效应

5．3 数值求解算法

5．3．1 中子扩散方程的边界条件

5．3．2 扩散中子动力学算法流程

5．3．3 扩散中子动力学和CFD热工水力学耦合算法流程

5．4 扩散中子动力学程序的验证

5．4．1 临界基准测试

5．4．2 稳态基准例题验证

5．4．3 扩散中子动力学和CFD热工水力学耦合测试

5．5 本章小结

第6章 核-热耦合程序的应用研究

6．1 自然循环临界铅堆SNCLFR-100不同寿期的安全分析

6．1．1 研究背景

6．1．2 SNCLFR-100简介

6．1．3 堆芯建模及不同寿期安全参数

6．1．4 结果分析

6．2 次临界堆PDS-XADS典型事故安全分析

6．2．1 研究背景

6．2．2 研究方法

6．2．3 研究对象及典型事故分析

6．3 堆芯非对称事故分析

6．3．1 LRA全堆对称组件弹棒和单个组件弹棒对比分析

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 论文特色与创新

7．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文

在读期间获奖情况