數值反應堆

數值反應堆 (又稱虛擬反應堆,簡稱數值堆)是一種計算機模擬軟體,用於對真實核反應堆進行CAD建模、運行模擬、材料性能分析等等。 數值堆可以為核能行業帶來多種優勢:降低反應堆工程建設成本;提高反應堆安全性;協助促進核廢物最小化。

定義

數值反應堆是利用超級計算機對核反應堆進行建模和模擬(或仿真)的軟體系統,它結合了核反應堆物理、高性能計算、軟體工程、計算數學等多個學科。

關鍵技術

數值堆包含多種關鍵技術 :

(1) 高性能並行數值計算技術

利用高性能並行計算技術,實現多物理場、多尺度的精細化模擬計算。

套用:多物理場耦合、多尺度的精細化模擬

(2) 先進的中子物理分析技術

利用超精細格線和能群的先進中子學計算技術,實現多物理、全三維、全範圍、緊耦合物理計算。

套用:全堆芯 pin-by-pin 中子場分布

(3)輻射劑量場全耦合技術。

利用高精度中子、光子輸運計算、先進建模方法,實現實時劑量場可視化。

套用:輻射劑量場分布

(4)先進的熱工水力建模技術。

利用高性能計算技術,實現海量格線並行的CFD仿真計算。

套用:柵板聯箱流場模擬、堆本體流場模擬

(5)先進的安全分析技術。

利用先進建模與仿真方法,實現對各種事故工況的全範圍精細化仿真模擬。

(6)材料模擬計算技術

利用輻照損傷多尺度模擬方法及大規模並行程式開發流程、物理建模方法,實現輻照損傷的多尺度模擬。

套用:多尺度材料模擬

(7)燃料性能分析技術

與堆芯物理、熱工水力耦合,開展穩態、瞬態工況一體化分析,實現從微觀尺度(原子)到巨觀尺度(組件)的模擬分析。

(8)多專業協同工廠設計

利用三維平台、廠房布置、管道布置、電氣設計、工藝設計、協同設計軟體,實現多專業並行協同設計和設計資源/數據/流程的高度集成。.

套用:三維工廠設計、基於參數化的協同設計

(9)三維結構設計

利用大規模並行計算技術 ,實現反應堆全壽期內多物理場耦合作用下的結構行為、演變過程的大規模高性能數值模擬。

套用:結構設計、地震屈曲

(10)虛擬工程仿真技術

利用可視化虛擬現實技術,實現反應堆建設、運行、維護和退役的虛擬仿真。

套用:中子束流模擬、虛擬安裝

研究範圍

數值反應堆用於反應堆堆芯物理分析、燃料設計及性能最佳化、極端事故分析及預測等方面,研究範圍從核燃料找礦、提純、燃料製備、核電站運行、核廢料二次提煉、高放廢物的掩埋全過程。需要建立精密的三維模擬平台,形成完整的高解析度數值模擬軟體體系。

數值反應堆藉助超級計算機,能夠進一步提高反應堆設計運行的經濟性、安全性和可靠性。

科研人員在超級計算機上利用數值堆可開展多方面的模擬研究 :

•中子學

•熱工水力

•結構力學

•水化學(化學腐蝕)

•燃料性能分析

以及上述多種物理過程的流-熱-固耦合模擬研究,如流固耦合(FSI) 。

發展現狀

美國:CASL ,NEAMS ,CESAR

歐洲:NURESAFE

中國:數位化核電廠(中英合作),數字微堆 ,國家重點研發計畫

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