數(shù)字反應(yīng)堆的技術(shù)要素與難點(diǎn)分析,核物理論文

數(shù)字反應(yīng)堆的技術(shù)要素與難點(diǎn)分析,核物理論文摘要：數(shù)字反響堆是針對(duì)反響堆系統(tǒng)開展綜合性能數(shù)值模擬的集成平臺(tái)。本文回首了反響堆數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展歷程，并闡述了構(gòu)成數(shù)字反響堆的3個(gè)技術(shù)要素：目的場(chǎng)景、先進(jìn)模型與多物理場(chǎng)耦合技術(shù)、集成環(huán)境。盡管當(dāng)前數(shù)字反響堆發(fā)展還面臨若干技術(shù)挑戰(zhàn)，如多學(xué)科和多尺度計(jì)算的時(shí)空協(xié)調(diào)問題、設(shè)計(jì)優(yōu)化的復(fù)雜性、缺乏數(shù)據(jù)庫(kù)等，但數(shù)字反響堆仍能更好地分析那些限制反響堆性能或影響反響堆安全的關(guān)鍵問題，以及從機(jī)理上理解那些無法通過試驗(yàn)觀察或測(cè)量的現(xiàn)象。本文關(guān)鍵詞語：模擬;核反響堆;多物理;Abstract：Digitalreactorisanintegralnumericalsimulationplatformfornuclearreactorsystemsperformance.Inthefirstpartofthispaper,thedevelopmenthistoryofnuclearreactorsimulationtechnologyisreviewed.Thethreetechnicalelementswhichconstitutedigitalreactorincludingtargetscenario,advancedmodelsandmulti-physicscouplingtechnology,andintegratingenvironmentarethenelaborated.Althoughthereareseveralchallengesforthedevelopmentofdigitalreactor,suchasdifficultiesinmulti-physicsandmulti-scalecomputation,complexityindesignoptimization,andinsufficientdatabase,thedigitalreactorcanhelpbetteranalysisthosekeyproblemsthatlimitingreactorperformancesandsafety,andcanprovidemechanicalcomprehensionsforthosephenomenathatcantbeobservedormeasuredexperimentally.Keyword：Simulation;Nuclearreactor;Multi-physics;0、引言數(shù)字反響堆是針對(duì)反響堆系統(tǒng)綜合性能開展數(shù)值模擬的先進(jìn)集成平臺(tái)。數(shù)字反響堆有多個(gè)別名，如美國(guó)稱之為虛擬反響堆[1]、英國(guó)稱之為數(shù)字反響堆設(shè)計(jì)[2]、國(guó)內(nèi)也有數(shù)值反響堆[3]、數(shù)字化電廠[4]、智能電站等講法。名稱的差異反映了對(duì)數(shù)字反響堆內(nèi)涵和研究范圍的不同理解，例如有的僅針對(duì)堆芯和一回路，有的覆蓋了整個(gè)核電站甚至核燃料循環(huán)體系，有的僅包括軟件系統(tǒng)開發(fā)，有的還牽涉用于超大規(guī)模數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)字反響堆是在傳統(tǒng)的反響堆數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。核反響堆系統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù)基本與核電廠同期發(fā)展。過去幾十年里，核工業(yè)和安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)分別發(fā)展了各種核反響堆數(shù)值模擬系統(tǒng)，包括各種專業(yè)的物理模型和計(jì)算程序。由于核反響堆系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，且牽涉諸多物理現(xiàn)象，為了降低模擬難度和計(jì)算量，開發(fā)者通?；诮馕龇╗5]將核反響堆系統(tǒng)劃分為若干設(shè)備及部件進(jìn)行模擬。對(duì)于設(shè)備之間的互相作用或者沒有強(qiáng)互相作用的物理場(chǎng)則簡(jiǎn)化處理，采用固定或線性假設(shè)作為當(dāng)下設(shè)備或物理場(chǎng)分析的輸入條件。這種處理方式方法十分合適于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的反響堆性能模擬?；诤侠淼募僭O(shè)和經(jīng)歷體驗(yàn)性算法，可以以有效預(yù)測(cè)瞬態(tài)性能。對(duì)于那些邊界條件可能快速變化的情景，比方在某些事故工況，這種處理方式方法在精度上難以保證。除此之外，對(duì)于新型反響堆設(shè)計(jì)，這種方式方法還存在多個(gè)專業(yè)分析〔軟件〕需要多輪迭代而耗時(shí)耗力的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和當(dāng)代數(shù)值仿真技術(shù)的進(jìn)步，通太多物理場(chǎng)、多尺度等耦合框架實(shí)現(xiàn)對(duì)反響堆綜合性能的大規(guī)模數(shù)值模擬成為可能。這種集成模擬方式，能夠突破傳統(tǒng)反響堆數(shù)值分析方式方法對(duì)設(shè)計(jì)分析流程的限制，進(jìn)而為核反響堆設(shè)計(jì)提供更先進(jìn)的分析工具。1、發(fā)展歷史20世紀(jì)以來，美法等國(guó)和歐盟先后啟動(dòng)了CONVERGENCE、NURESIM系列[6,7]、CASL[1]、NEAMS[8]等多個(gè)數(shù)字反響堆研發(fā)項(xiàng)目〔圖1〕。它們的技術(shù)架構(gòu)具有類似之處，即在同一個(gè)運(yùn)行環(huán)境下實(shí)現(xiàn)中子學(xué)、熱工水力、燃料性能等堆芯分析程序和堆芯模擬、系統(tǒng)分析等耦合計(jì)算。這些項(xiàng)目所采用的程序〔表1〕和多物理場(chǎng)耦合策略有所不同。圖1歐美數(shù)字反響堆研發(fā)項(xiàng)目大概情況Fig.1OverviewofDigitalReactorRDProjectsinEuropeandU.S.A堆芯中子學(xué)與熱工水力分析的互相作用明顯，因而，核熱耦合是數(shù)字反響堆平臺(tái)的基礎(chǔ)。例如，NURESIM平臺(tái)的中子通道熱工水力程序SUBCHANFLOW與中子學(xué)程序DYN3D或COBAYA3的耦合[9]，CASL項(xiàng)目中ANC9和VIPRE-W的耦合。通太多重網(wǎng)格映射和反應(yīng)參數(shù)〔如多普勒溫度、慢化劑溫度、慢化劑密度、硼濃度和空泡份額等〕的迭代，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)時(shí)間步的中子學(xué)-熱工水力學(xué)耦合計(jì)算。耦合計(jì)算適用于穩(wěn)態(tài)和快速瞬態(tài)，具有更強(qiáng)的物理基礎(chǔ)。為了分析某些事故工況的局部效應(yīng)，部分項(xiàng)目還將空間分辨率更高層次的計(jì)算流體力學(xué)〔CFD〕和柵元〔pin-by-pin〕級(jí)別的中子學(xué)程序引入到核熱耦合計(jì)算中，例如CASL項(xiàng)目中中子學(xué)程序DeCART、Insilico均實(shí)現(xiàn)了與CFD程序Star-CCM的耦合。為更好地研究事故工況下的燃料構(gòu)造完好性問題，在核熱耦合基礎(chǔ)上進(jìn)一步將與燃料性能相關(guān)的分析程序/模塊也耦合起來。在傳統(tǒng)的熱工水力分析程序中，往往包含了簡(jiǎn)化的燃料熱學(xué)模型，但缺乏對(duì)燃料力學(xué)和失效的模擬能力。例如NURESAFE項(xiàng)目的目的之一是實(shí)現(xiàn)中子學(xué)程序CRONOS2、熱工水力程序FLICA和燃料熱力學(xué)程序SCANAIR的耦合[9]。除此之外，CASL項(xiàng)目中還包括了與水垢沉積相關(guān)的水化學(xué)程序與堆芯模擬器的集成，進(jìn)而精到準(zhǔn)確模擬水垢沉積引起軸向功率偏移的現(xiàn)象。由于很多事故現(xiàn)象都是系統(tǒng)級(jí)的多物理現(xiàn)象，因而需要將堆芯模擬器與系統(tǒng)分析程序耦合。例如，CONVERGENCE項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了核熱耦合模擬器ARTEMIS與系統(tǒng)分析程序CATHERE-2、SRELAP5耦合。部分項(xiàng)目還采用了CFD、子通道、集總參數(shù)模型相結(jié)合的多尺度耦合分析方式方法。表1各反響堆模擬平臺(tái)的主要程序[7,10,11,12]數(shù)字反響堆是以核熱耦合為基礎(chǔ)，逐步考慮與核燃料熱力學(xué)、水化學(xué)和系統(tǒng)分析程序的集成。數(shù)字反響堆平臺(tái)往往是在傳統(tǒng)核反響堆數(shù)值模擬系統(tǒng)基礎(chǔ)上逐步發(fā)展來的。初期是將已有堆芯分析軟件集成以實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合分析，然后發(fā)展更先進(jìn)的模型和計(jì)算方式方法，包括高置信度的中子學(xué)和熱工水力模型、核燃料材料、水化學(xué)的先進(jìn)模型等〔圖2〕。圖2數(shù)字反響堆技術(shù)發(fā)展途徑Fig.2TechnicalRoutineofDigitalReactor2、數(shù)字反響堆的技術(shù)要素在數(shù)字反響堆的研發(fā)經(jīng)過中，目的場(chǎng)景、先進(jìn)模型與多物理場(chǎng)耦合技術(shù)、集成環(huán)境等3個(gè)技術(shù)要素是十分值得開發(fā)者關(guān)注的。2.1、目的場(chǎng)景目的場(chǎng)景是數(shù)字反響堆所要模擬的關(guān)鍵性問題，包括工業(yè)界所面臨的挑戰(zhàn)問題和安全當(dāng)局所關(guān)心的事故安全問題等。盡管數(shù)字反響堆的終極目的是發(fā)展適用于多種場(chǎng)景的統(tǒng)一建模方式方法，但由于反響堆現(xiàn)象的復(fù)雜性，針對(duì)不同的目的場(chǎng)景又需要采用特定的模型、程序和多物理場(chǎng)耦合求解器。通過模型、求解器、庫(kù)函數(shù)、并行計(jì)算框架的重用，數(shù)字反響堆技術(shù)仍然能夠幫助軟件開發(fā)者節(jié)省特定目的場(chǎng)景的開發(fā)時(shí)間和消耗損費(fèi)。因而，目的場(chǎng)景是影響數(shù)字反響堆研發(fā)途徑的關(guān)鍵技術(shù)要素，幫助判定需要考慮哪些物理場(chǎng)的耦合，也有助于展示數(shù)字反響堆的成果。表2列出了CASL項(xiàng)目擬解決的目的場(chǎng)景和需要耦合的物理場(chǎng)。NURESAFE項(xiàng)目列出的安全當(dāng)局關(guān)心的工況包括壓水堆的主蒸汽管道破裂〔MSLB〕、喪失冷卻劑〔LOCA〕事故和沸水堆的預(yù)期瞬態(tài)未停堆〔ATWS〕事故。表2CASL項(xiàng)目擬解決的目的場(chǎng)景[51]目的場(chǎng)景所牽涉的物理現(xiàn)象決定了多物理場(chǎng)耦合和空間分辨率的選擇。有時(shí)候這些來自工業(yè)界或安全當(dāng)局的問題可能較為籠統(tǒng)或復(fù)雜，難以直接指導(dǎo)研發(fā)。需要將關(guān)鍵問題細(xì)化為詳細(xì)的測(cè)試?yán)}集。測(cè)試?yán)}有完好定義的輸入和參考輸出，因此更合適軟件開發(fā)和測(cè)試，并能清楚明晰地反映程序能力的進(jìn)展[52]。例如在多物理場(chǎng)耦合程序AMA開發(fā)經(jīng)過中，建立了一系列堆芯物理基準(zhǔn)例題[53]，從燃料棒級(jí)別開場(chǎng)，逐步擴(kuò)展到整個(gè)堆芯和多物理場(chǎng)問題。2.2、先進(jìn)模型與多物理場(chǎng)耦合技術(shù)先進(jìn)的中子學(xué)、熱工水力、燃料材料等物理模型是實(shí)現(xiàn)全堆芯高保真模擬的技術(shù)基礎(chǔ)。高保真中子學(xué)主要采用先進(jìn)計(jì)算方式方法〔更精細(xì)的核素截面庫(kù)、以特征線法和蒙特卡洛方式方法為代表的多尺度堆芯模擬〕實(shí)現(xiàn)柵元〔pinbypin〕級(jí)空間分辨率。熱工水力學(xué)主要采用多尺度〔子通道和CFD〕耦合方式方法對(duì)反響堆系統(tǒng)進(jìn)行建模，應(yīng)用于LOCA、熱震、DNB預(yù)測(cè)、燒毀等經(jīng)過的預(yù)測(cè)。多物理場(chǎng)耦合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)目的場(chǎng)景下復(fù)雜現(xiàn)象綜合模擬的技術(shù)基礎(chǔ)。通過核熱耦合能夠?qū)θ研緞?dòng)力學(xué)響應(yīng)的直接預(yù)測(cè)，而非將瞬態(tài)經(jīng)過等效為一系列擬穩(wěn)態(tài)。在兩步法中，第一步是基于堆芯節(jié)塊法的中子學(xué)-熱工水力-熱力學(xué)耦合計(jì)算，典型的徑向節(jié)塊劃分是將每個(gè)燃料組件分為4塊，計(jì)算出堆芯功率響應(yīng)、功率分布隨壽期的變化；第二步是根據(jù)節(jié)塊計(jì)算結(jié)果重構(gòu)出全堆芯柵元級(jí)別的功率分布，以提供應(yīng)燃料棒熱力學(xué)和子通道熱工水力模型。一步法則跳過了節(jié)塊劃分和功率重構(gòu)，直接進(jìn)行全堆芯柵元級(jí)別的中子學(xué)-熱工水力-熱力學(xué)耦合計(jì)算。在這里基礎(chǔ)上，將燃料熱力學(xué)、材料及水化學(xué)分析也納入耦合平臺(tái)，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高燃耗和事故下燃料及材料性能，進(jìn)而提高核電廠運(yùn)行的設(shè)計(jì)空間和安全裕量。通過將平臺(tái)與系統(tǒng)分析程序連接，能夠提高對(duì)某些核電事故分析的時(shí)間或空間分辨率。2.3、集成環(huán)境集成環(huán)境是為了完成多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，提供前后處理、并行計(jì)算、幾何構(gòu)造建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)據(jù)傳遞、求解器和可視化等功能的軟硬件計(jì)算平臺(tái)。集成環(huán)境將這些功能抽象為工具箱和框架[52]的形式〔圖3〕提供應(yīng)不同的應(yīng)用，進(jìn)而提高代碼復(fù)用率和計(jì)算性能、降低開發(fā)門檻。例如，VERA平臺(tái)中用于數(shù)值求解的LAPACK、PETSc[54]、Trilinos[55]等工具箱和MOOOSE[56]、AMP[57]等多物理場(chǎng)求解框架。而NURESIM平臺(tái)直接采用了開源的SALOME提供CAD建模、集成計(jì)算、任務(wù)管理等共性功能。根據(jù)功能部件與應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)密程度，圖3將這些功能部件劃分為與詳細(xì)問題相關(guān)的應(yīng)用級(jí)部件、與物理場(chǎng)求解相關(guān)的部件、支持?jǐn)?shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)共性庫(kù)等。圖3集成環(huán)境的功能部件Fig.3ComponentsofIntegratedEnvironment3、技術(shù)挑戰(zhàn)數(shù)字反響堆的發(fā)展經(jīng)過中還面臨著下面幾個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。3.1、多學(xué)科和多尺度計(jì)算的時(shí)空協(xié)調(diào)問題為了實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合，需要在計(jì)算經(jīng)過中傳遞不同物理場(chǎng)的中間計(jì)算結(jié)果。然而不同物理場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)、空間分辨率相差很大，無法采用統(tǒng)一的時(shí)間步長(zhǎng)和空間尺寸，這就產(chǎn)生了多學(xué)科計(jì)算的時(shí)空協(xié)調(diào)問題。例如，對(duì)于典型壓水堆計(jì)算，柵元級(jí)中子學(xué)計(jì)算的徑向空間分辨率量級(jí)是10-2m，子通道熱工水力學(xué)計(jì)算的徑向空間分辨率量級(jí)略低于10-2m，而燃料熱力學(xué)計(jì)算的徑向空間分辨率量級(jí)小于10-3m。這就導(dǎo)致不同物理場(chǎng)之間離散網(wǎng)格需要映射，增加了計(jì)算開銷并引入新的誤差。另一方面，不同工況的時(shí)間步長(zhǎng)差異較大，穩(wěn)態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)可能是105~106s，而瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)可能是10-3~1s。有時(shí)無法在同一個(gè)時(shí)間步內(nèi)獲得所有物理場(chǎng)的收斂解。對(duì)于燃料材料輻照效應(yīng)的多尺度模擬，從密度函數(shù)理論、分子動(dòng)力學(xué)、相場(chǎng)到有限元連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)的空間尺度覆蓋了10-10~100m，時(shí)間尺度從10-9~100s，如此大的時(shí)空跨度導(dǎo)致不同尺度很難直接耦合。當(dāng)前只要VERA平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了相場(chǎng)與有限元計(jì)算的初步雙向耦合。3.2、多物理場(chǎng)耦合建模的復(fù)雜性基于多物理場(chǎng)耦合模型實(shí)現(xiàn)反響堆設(shè)計(jì)的快速迭代和參數(shù)優(yōu)化是數(shù)字反響堆的重要目的。相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，基于數(shù)字反響堆的設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠考慮系統(tǒng)綜合性能而實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化，并加快設(shè)計(jì)優(yōu)化的迭代速度，意味著數(shù)字反響堆的多物理場(chǎng)耦合建模牽涉更為復(fù)雜的反響堆設(shè)計(jì)參數(shù)和多目的優(yōu)化問題。傳統(tǒng)反響堆分析中物理、熱工、燃料、水化學(xué)、系統(tǒng)和設(shè)備等專業(yè)之間的簡(jiǎn)化假設(shè)被打破，每一次多物理場(chǎng)耦合計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)及其不確定性變得更為復(fù)雜。并且，由于反響堆中子學(xué)、熱工、力學(xué)和材料性能在各種工況下的互相影響程度不同，因而不同工況的計(jì)算流程和耦合計(jì)算規(guī)模有明顯差異，也增加了耦合計(jì)算的復(fù)雜性。3.3、數(shù)據(jù)庫(kù)問題數(shù)字反響堆面臨的第3個(gè)挑戰(zhàn)是缺乏反映多物理場(chǎng)耦合特征的數(shù)據(jù)庫(kù)和各類驗(yàn)證試驗(yàn)支撐。數(shù)字反響堆需要與其綜合模擬能力相匹配的綜合性試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)數(shù)字反響堆的多物理場(chǎng)耦合模擬能力，需要包含物理、熱工、燃料等多專業(yè)數(shù)據(jù)的綜合效應(yīng)案例支持。針對(duì)數(shù)字反響堆的材料輻照效應(yīng)模擬能力，需要包含設(shè)計(jì)、制造、輻照歷史、微觀構(gòu)造與宏觀性能數(shù)據(jù)的成體系案例驗(yàn)證。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)大多是針對(duì)單個(gè)專業(yè)或者單個(gè)尺度的分離效應(yīng)，無法知足數(shù)字反響堆綜合驗(yàn)證的需求。當(dāng)前VERA平臺(tái)碰到的主要挑戰(zhàn)之一，正是缺乏足夠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)和案例證明其對(duì)CIPS、DNB、PCI等挑戰(zhàn)性問題的分析能力。例如，在CASL項(xiàng)目的DNB預(yù)測(cè)案例中缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分辨基礎(chǔ)版和先進(jìn)版的預(yù)測(cè)結(jié)果哪個(gè)更準(zhǔn)確[58]。對(duì)反響堆各種〔十分是新材料和事故工況下〕現(xiàn)象的機(jī)理認(rèn)知和建模，仍然需要綜合性數(shù)據(jù)庫(kù)的支持[59]。4、結(jié)論借助不斷進(jìn)步的計(jì)算能力和數(shù)值模擬技術(shù)，數(shù)字反響堆正在構(gòu)建一個(gè)具有多物理場(chǎng)、多尺度耦合特征的綜合分析平臺(tái)，將更好地分析那些限制反響堆性能或影響反響堆安全的關(guān)鍵問題和洞察那些無法通過試驗(yàn)觀察/測(cè)量的現(xiàn)象。數(shù)字反響堆將使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)規(guī)模精簡(jiǎn)，每個(gè)成員都能承當(dāng)原先需要眾多團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作才能完成的分析工作，進(jìn)而加速現(xiàn)役反響堆改良和新型反響堆設(shè)計(jì)。數(shù)字反響堆的多物理場(chǎng)耦合預(yù)測(cè)能力走向成熟，還需要專門開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但其機(jī)理化的模型將有助于減少具有類似性的重復(fù)試驗(yàn)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看將縮短研發(fā)周期和降低實(shí)驗(yàn)開銷。以下為參考文獻(xiàn)[1]StephanieSwint,TheConsortiumforAdvancedSimulationofLightWaterReactors[EB/OL].[2020-05-09]..[2]LINDLEYB,ALLEND,LILLINGTONJ,etal.ModellingandsimulationactivitiesinsupportoftheUKuuclearRDprogrammeondigitalreactordesign[C]//Proceedingsofthe26thInternationalConferenceonNuclearEngineering.London:TheAmericanSocietyofMechanicalEngineers,202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