NuclearThermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室第四讲多物理多尺度耦合及数值反应堆
第四讲 多物理多尺度耦合及数值反应堆
Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室1、多物理多尺度耦合2、数值反应堆概述目录3、美国CASL计划CONTENT4、欧盟数值反应堆计划5、XJTU-NuTheL数值堆研究
目 录 CONTENT 2、数值反应堆概述 3、美国CASL计划 4、欧盟数值反应堆计划 5、XJTU-NuTheL数值堆研究 1、多物理多尺度耦合
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室口多尺度耦合的系统反应堆本身是一个复杂的多物理场(力)多物理场：堆物理、热工、结构健中子群常数堆芯导热塑性究燃料密实化模型7冷却剂热工水力模型聚变气体释热膨胀模型放模型包导热模型材料热工阳油胖模型水力力学漂换热模进中子物理热工水力燃料应力应芯块结构再造模型变模型芯块导热模型芯块龟覆型神状燃料元件性能分析程序多尺度：时间多尺度、空间多尺度根据系统、过程或结构在时间或空间上的跨层次或跨尺度特征，分层次分析或将相关尺度进行耦合分析的方法。LBM介观e流动传热过程微观宏观12%MD&FPCFD
1、多物理场多尺度耦合 反应堆本身是一个复杂的多物理场、多尺度耦合的系统 ➢ 多物理场：堆物理、热工、结构（力） . ➢ 多尺度：时间多尺度、空间多尺度 中子群常数 热工水力 中子物理 热膨胀模型 辐照肿胀模型 芯块结构再造模型 气隙换热模型 芯块导热模型 包壳导热模型 冷却剂热工水力模型 燃料密实化模型 堆芯导热 塑性变形 芯块龟裂模型 裂变气体释 放模型 燃料应力应 变模型 热工 水力 材料 力学 材料 性能 棒状燃料元件性能分析程序 研究核电厂运行寿期内燃料元件的特性 • 运行周期内燃料芯块、包壳的温度分布 • 不同燃耗深度下芯块的肿胀，膨胀，热应 力等多种效应 • 不同线功率运行条件下，包壳与燃料芯块 根据系统、过程或结构在时间或空间上的跨层次间隙的换热特性 或跨尺度特征，分层次分析 或将相关尺度进行耦合分析的方法。 介观 微观 流动传热过程 宏观 CFD LBM MD & FP
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室口核反应堆热工分析传统研究方法或工具多是针对单一或局部现象的研究，精细程度不同堆芯：单通道子通道→ CFDV家系统多尺度研究03系统程序部件程序CFD程序EE口开发耦在反应堆精细设计和安全分析方面，研究耦合技术合程序并应用耦合分析方法进行堆芯设计甚至反应堆全系统分析已经成为一种发展趋势
1、多物理场多尺度耦合 核反应堆热工分析传统研究方法或工具多是针对单一或局部 现象的研究，精细程度不同 ➢ 堆芯：单通道 → 子通道 → CFD 在反应堆精细设计和安全分析方面，研究耦合技术、开发耦 合程序并应用耦合分析方法进行堆芯设计甚至反应堆全系统 分析已经成为一种发展趋势。 多尺度研究 系统程序 部件程序 CFD程序
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室物理热工耦合国新型堆芯物理与热工的多尺度耦合模型堆芯多尺度热工水力耦合模型000并行运行揭合内揭合隐式揭合吕单通道分析模型堆芯物理一热工多尺度耦合计算分析程序口口口O000000OOOOOOO口口口O口OO模口口子通道分析模型块吕0000OOOO化三维时空精细中子动力学模型10000口00O0OO口技100000非结构几何高效中子输运计算方法研究0O口口稠密橱或板状元件口口口口术压力10O0口复杂燃料元件共振参数计算方法研究流量边界条件1000温度多普勤反馈慢化剂反馈S硼浓度反馈三维CFD分析模型近似计算口口口O口口O口口口口开口口OO详细分析流场温度场口口反应堆三维物理计算截面三维截面口口OO详细分析流场温度场计算
1、多物理场多尺度耦合 子通道分析模型 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 三维CFD分析模型 详细分析流场温度场 详细分析流场温度场 单通道分析模型 堆芯多尺度热工水力耦合模型 三维时空精细中子动力学模型 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 系 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 系 系 系 系 系 系 堆 堆 堆 堆 新型堆芯物理与热工的多尺度耦合模型 多普勒反馈 慢化剂反馈 硼浓度反馈 三维截面 计算 并行运行耦合 内耦合 隐式耦合 堆芯物理-热工多尺度耦合计算分析程序 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 模 块 化 技 术 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 压力 流量 温度 边界条件 复杂燃料元件共振参数计算方法研究 非结构几何高效中子输运计算方法研究 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 堆 稠密栅或板状元件 反应堆三维物理计算 近似计算 截面 堆 堆 堆 堆 物理热工耦合
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室口耦合方法一空间尺度1模拟对象尺度1尺度2尺度2区域分解区域重叠
1、多物理场多尺度耦合 耦合方法–空间
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室耦合方法一时间口显式送代程序1程序2隐式送代程序1否否否是是定收敛？收敛？收敛程序2*n+1
1、多物理场多尺度耦合 耦合方法–时间
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室耦合实例口CFX用户函数接口程序并行虚拟机并行虚拟机RELAP5COBRA4
1、多物理场多尺度耦合 耦合实例
1、多物理场多尺度耦合Nuclear Thermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室CAS口数字化反应堆ConsortiumforAdvancedSimulationofLwRs各式一体化程序■美国：MOOSENeutronicsThemal HydraulicsStructuralFuelPerformanceMechanics德国：MPCCIMuaphyahpagrtoChemistryReactorSystem中国：COSINE...Muli-meshMuti-resolutionMaragementMeshMotionGeometryQualityImprovement玻球科学高VINLMLEOMS0流停化学LosAlamosNEPeI面￥RMCE家力学传热1Wastinghousa个TMANCSTATEUNIVERSITY临y微系统光学自定文方程
数字化反应堆 各式一体化程序 ➢ 美国：MOOSE ➢ 德国：MPCCI ➢ 中国：COSINE. 1、多物理场多尺度耦合
1、多物理场多尺度耦合NuclearThermal-hydraulic Laboratory西安交通大学核反应堆热工水力研究实验室MOOSE平台■MissingPelletSurface平台简介NMOOSEBISONRatPontMOOSE基于有限元方法（FEM），建立在数学算法Jacobian-freeNewton-KrylovTeme (K)（JFNK）上，是由爱达荷国家实验室（INL）开发的面向对象的多物理量仿真平台。OBISON平台特点源代码开源■高度模块化国求解1D，2D，3D问题中全隐性、全耦合求解OMOOSE并行计算+时间步长自适应性-RELAP7
1、多物理场多尺度耦合 MOOSE平台 MOOSE基于有限元方法（FEM），建立在 数学算法 Jacobian-free Newton–Krylov （JFNK）上，是由爱达荷国家实验室（INL） 开发的面向对象的多物理量仿真平台。 平台特点 源代码开源 高度模块化 求解1D，2D，3D问题 全隐性、全耦合求解 并行计算 时间步长自适应性 平台简介 BISON RELAP7