钍基熔盐快堆多物理耦合研究

发布时间：2021-10-13 14:12

　　熔盐堆是第四代核能系统的六种候选堆型之一，特殊之处在于采用液态熔盐作为燃料，其在固有安全、核燃料循环、小型化、核资源的有效利用和防止核扩散等方面有其突出的优点。鉴于GIF目标和钍基熔盐快堆在燃料增殖、核废料嬗变和安全方面具有良好的性能，自2005年，国际上液态燃料熔盐堆的设计和研发工作集中在快谱钍基熔盐堆技术研发，尤其是罐式堆芯结构熔盐快堆。钍基熔盐快堆特殊的设计和运行方式，使得钍基熔盐快堆堆芯中子、缓发中子先驱核、温度和流场内在强耦合，导致新的重要的物理效应。随着计算机技术发展，核反应堆多物理场耦合技术正成为国内外研究的前沿。因此，构建钍基熔盐堆多物理综合仿真模拟平台，研制钍基熔盐快堆三维多物理耦合程序，作为熔盐快堆多物理多尺度耦合分析的有效平台和工具，对于理解熔盐快堆多物理耦合的重要特性和优化钍基熔盐快堆的设计，无论是在学术研究还是在工程应用上都具有重要的现实意义。本论文首先回顾了熔盐堆发展历史及现状，介绍了多物理场耦合技术的发展及应用，简述了熔盐堆多物理耦合国内外研究现状。然后，详细推导了考虑流体运动影响的熔盐堆中子输运方程，通过P1近似、分群理论和雷诺平均法，获得熔盐快堆多群中... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市

【文章页数】：178 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
图目录
表目录
1 绪论
    1.1 熔盐堆发展历史及现状
    1.2 多物理场耦合发展及应用
    1.3 熔盐堆多物理耦合国内外研究现状
    1.4 本文研究思路和主要内容
2 熔盐快堆多物理耦合模型
    2.1 熔盐堆中子物理模型
        2.1.1 熔盐堆中子输运理论
            2.1.1.1 中子源
            2.1.1.2 通过表面 S 的净泄漏
            2.1.1.3 在体积 V 内发生碰撞而损失
            2.1.1.4 散射增加
            2.1.1.5 燃料流动效应
            2.1.1.6 熔盐堆精确中子输运方程
            2.1.1.7 边界条件
        2.1.2 熔盐堆中子扩散理论
            2.1.2.1 熔盐堆连续能量中子扩散方程
            2.1.2.2 熔盐堆多群中子扩散方程
            2.1.2.3 熔盐快堆多群中子扩散方程
            2.1.2.4 边界条件
        2.1.3 熔盐快堆缓发中子先驱核
            2.1.3.1 缓发中子先驱核浓度守恒方程
            2.1.3.2 边界条件
        2.1.4 熔盐快堆临界模型
    2.2 熔盐快堆热工水力模型
        2.2.1 水力模型
            2.2.1.1 质量守恒方程
            2.2.1.2 雷诺时均 N-S 方程
            2.2.1.3 标准 k-ε两方程湍流模型
            2.2.1.4 近壁问题
        2.2.2 传热模型
    2.3 本章小结
3 数值方法
    3.1 离散方法
        3.1.1 空间离散方法
            3.1.1.1 有限差分法
            3.1.1.2 有限元法
            3.1.1.3 有限体积法
        3.1.2 时间离散方法
            3.1.2.1 显式方法
            3.1.2.2 Euler 隐式方法
            3.1.2.3 Crank-Nicolson 方法
    3.2 离散方程组基本解法
        3.2.1 代数方程组解法
        3.2.2 Gauss-Seidel 迭代法
        3.2.3 松弛迭代法
        3.2.4 共轭梯度法（CG）
        3.2.5 双共轭梯度法（BCG）
        3.2.6 预处理共轭梯度法（PCG）
        3.2.7 预处理双共轭梯度法（PBiCG）
    3.3 多物理耦合方法
        3.3.1 串行耦合和并行耦合
        3.3.2 内耦合和外耦合
        3.3.3 显式耦合和隐式耦合
    3.4 本章小结
4 熔盐快堆多物理耦合程序
    4.1 程序平台
    4.2 多物理耦合程序
        4.2.1 OpenFOAM 开源库
        4.2.2 截面处理程序 DRAGON4
        4.2.3 耦合求解器
            4.2.3.1 NF-DNP 耦合求解器
            4.2.3.2 SIMPLE 求解器
            4.2.3.3 PISO 求解器
            4.2.3.4 PIMPLE 求解器
            4.2.3.5 多物理耦合求解器
            4.2.3.6 温度反馈模型
        4.2.4 前处理和后处理
    4.3 程序验证
        4.3.1 截面处理程序验证
        4.3.2 中子学求解器验证
            4.3.2.1 稳态基准问题
            4.3.2.2 瞬态基准问题
            4.3.2.3 缓发中子先驱核浓度
        4.3.3 热工水力求解器验证
            4.3.3.1 稳态比较验证
            4.3.3.2 瞬态比较验证
    4.4 本章小结
5 小型钍基熔盐快堆多物理耦合特性
    5.1 小型钍基熔盐快堆概念设计
    5.2 小型钍基熔盐快堆稳态耦合特性
        5.2.1 边界条件
        5.2.2 燃料入口速度效应
        5.2.3 燃料回路衰变效应
        5.2.4 湍流扩散效应
    5.3 小型钍基熔盐快堆瞬态耦合特性
        5.3.1 反应性引入
            5.3.1.1 不带热工反馈下的湍流扩散效应
            5.3.1.2 带热工反馈下的湍流扩散效应
    5.4 本章小结
6 总结与展望
附录 A 基准问题描述
参考文献
发表文章及获奖情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]物理-热工耦合计算方法在熔盐堆稳态分析中的应用[J]. 郭张鹏,张大林,肖瑶,秋穗正,田文喜,苏光辉.  原子能科学技术. 2013(11)
[2]未来先进核裂变能——TMSR核能系统[J]. 江绵恒,徐洪杰,戴志敏.  中国科学院院刊. 2012(03)
[3]Steady state investigation on neutronics of a molten salt reactor considering the flow effect of fuel salt[J]. 张大林,秋穗正,刘长亮,苏光辉.  中国物理C. 2008(08)



本文编号：3434826