先進反應堆熱工水力與多物理場耦合程序開發(fā)及應用研究.pdf

1、多物理場耦合現象廣泛存在于各種核反應堆中，尤其是先進的反應堆系統(tǒng)中。多物理場耦合以及大規(guī)模并行也是當前核能軟件研發(fā)的核心課題。傳統(tǒng)的基于各獨立物理模塊開發(fā)接口程序進行外耦合的方法不適用于強耦合、高精度、大規(guī)模并行的需求。多物理場耦合的本質是偏微分方程組的聯立求解?；诮y(tǒng)一編程框架進行多物理場耦合并對各個不同物理場進行建模、離散、數值求解也是開發(fā)數值反應堆的研究趨勢。
　　本文工作基于開源CFD平臺OpenFOAM，通過對先進反應堆

2、熱工水力學與堆內其他物理場耦合現象的研究，探索先進核能系統(tǒng)中的多物理場耦合的方法以及關鍵技術難點。主要工作內容如下:
　　1)基于OpenFOAM開發(fā)液態(tài)金屬在強磁場中流動的熱工水力學-磁場耦合程序，并應用于先進聚變反應堆液態(tài)包層熱工水力學特性研究。采用電勢法求解磁場-流體耦合的方程組，電勢梯度和電流密度的求解采用相容守恒的離散格式，流體NS方程的求解采用PISO算法。對開發(fā)的磁流體動力學程序進行Shericliff、Hunt、A

3、LEX方管和IEA圓管等國際基準算例驗證。驗證結果表明耦合程序具有非常好的準確性和可靠性，同時可以適用于非結構、非正交網格，具有較好的幾何適應性。采用該耦合程序分析了聚變堆液態(tài)金屬包層內冷卻劑在磁場下的三維流動現象。對聚變堆液態(tài)金屬包層中的關鍵突擴、突縮管道進行三維磁流體現象分析，從而提出結構優(yōu)化，降低局部三維壓降。另外當包層內液態(tài)金屬流動速度比較低時，磁對流的現象會比較突出，針對所開發(fā)的磁場-流體動力學耦合程序進行功能擴展，并分析不同

4、哈特曼數對三維豎直管道內的磁對流現象的影響。
　　2)基于OpenFOAM平臺開發(fā)點堆中子動力學模型與CFD熱工水力學模型以及燃料棒瞬態(tài)導熱模型之間的耦合程序，探索基于多套網格的采用常微分方程組和偏微分方程組描述的多物理耦合計算處理方法的實現。并分別對點堆中子動力學模型、CFD熱工水力學模型中的多孔介質計算功能、自然對流功能和瞬態(tài)燃料棒導熱模型三個模塊進行分離驗證以及三個模型耦合之后的整體驗證，針對PDS-XADS的驗證結果表明各

5、個獨立模塊計算結果準確、耦合程序數據傳遞正確，可以用于反應堆的瞬態(tài)安全分析。
　　3)為滿足非對稱冷卻、局部反應性擾動等有功率空間變化的瞬態(tài)安全事故分析的需求，基于OpenFOAM平臺，采用有限體積法開發(fā)擴散中子動力學程序，添加外推邊界條件的實現，穩(wěn)態(tài)特征值求解采用源迭代算法，瞬態(tài)求解時以穩(wěn)態(tài)結果為初始狀態(tài)，耦合緩發(fā)中子先驅核方程和溫度反饋模型，進行時間步進求解，每個時間步更新各群中子宏觀截面。針對所開發(fā)的程序采用臨界球、臨界柱和

6、臨界塊算例以及IAEA、TWIGL、Dodd Benchmark、LRA和HTGR五個穩(wěn)態(tài)特征值算例和瞬態(tài)基準算例來對擴散中子動力學程序進行驗證。驗證結果表明擴散中子動力學程序計算精度高且?guī)缀芜m應性強。隨后將本節(jié)開發(fā)的擴散中子動力學與上一小節(jié)開發(fā)CFD熱工水力學程序進行耦合，探索多物理場耦合之間的網格映射、迭代收斂等問題。
　　4)針對開發(fā)的核-熱耦合程序開展應用研究，探索基于面向對象編程框架開發(fā)的多物理場耦合程序的適應性。開展的

7、應用研究有:一是小型自然循環(huán)鉛冷快堆的不同壽期反應性引入事故的對比分析，觀察不同壽期時由于燃耗等引起的安全系數變化對堆安全的影響;二是ADS次臨界堆芯的典型束流瞬態(tài)事故分析，包括不同時長的失束、超束以及疊加事故情況下反應堆功率、反應性以及燃料溫度等變化;三是全堆芯LRA非對稱反應性引入事故和對稱反應性引入事故的對比分析。
　　本文基于面向對象的CFD程序框架開發(fā)了熱工水力學-磁場耦合程序、基于點堆中子動力學和CFD熱工水力學的耦合