数值反应堆技术相比于传统模拟技术,具有计算分辨率高、理论近似少、计算精度高的优点,对于提高HN系统设计的经济性、安全性具有重要意义。自2014年至今,西安交通大学核工程计算物理(NECP)团队持续投入约100人年,自主研发了具有完全自主知识产权的高保真数值反应堆堆芯物理技术软件NECP-X,并经过了广泛的数值验证和应用。
NECP-X程序基于先进的理论模型。采用CSG几何实现了复杂几何堆芯的精细建模能力;提出了全局-局部耦合共振自屏计算方法,实现了全堆芯规模的高效高精度共振自屏计算;开发了基于特征线方法和大规模多重并行的2D/1D耦合输运方法,实现了复杂几何堆芯的高精度全堆芯非均匀输运计算;开展了燃料棒层级的物理-热工-燃料性能的全堆芯多物理耦合模拟计算,可预测核反应堆长期运行时的燃料性能变化。程序已经具有全堆芯高保真的稳态、瞬态、循环燃耗和核-热-燃料性能多物理耦合计算等功能。
NECP-X程序经过用户长期的使用反馈和持续优化,可在单台服务器和大型超算平台进行灵活部署和高效运行。
利用单台服务器,平均1.5min可完成M310机组1/4堆芯单个燃耗点的计算,克服了只能在超算平台使用高保真数值反应堆技术的瓶颈,使用户在个人办公室即可部署计算,实现了核反应堆的“
全堆芯高保真数值计算自由
”。
目前为止,团队和合作单位已利用M310、CPR1000、AP1000、EPR等100多个堆年的商用压水堆实测数据进行了测试验证,并为华龙一号和国和一号等先进大型压水堆的设计验证提供了技术支持。准确预测了“华龙一号”全球首堆福清核电厂5号机组的启动物理试验结果,堆芯首次临界的临界硼浓度误差小于10ppm。对国和一号和AP1000三代先进压水堆的启动物理试验进行了高精度分析,为我国大型压水堆的高精度设计验证提供了重要技术支持。
·右图:CAP1400三维全堆芯精细功率分布
团队利用SPERT、JRR-3、西安脉冲堆、高通量堆等实验堆对程序进行了深入的验证分析,并应用于上海核工程研究设计院、中广核研究院的棒状、板状和异性燃料等小型动力堆,克服高泄漏、强非均匀性小型反应堆难以精确计算的难题,为小型反应堆堆芯核设计提供参考结果。
·右图:堆芯精细功率分布
·右图:堆芯精细功率分布