數(shù)值反應堆(又稱虛擬反應堆,簡稱數(shù)值堆)是一種計算機模擬軟件,用于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(shù)值堆可以為核能行業(yè)帶來多種優(yōu)勢:降低反應堆工程建設成本;提高反應堆安全性;協(xié)助促進核廢物最小化。

定義

數(shù)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)的軟件系統(tǒng),它結合了核反應堆物理、高性能計算、軟件工程、計算數(shù)學等多個學科。

關鍵技術

數(shù)值堆包含多種關鍵技術:

(1) 高性能并行數(shù)值計算技術

利用高性能并行計算技術,實現(xiàn)多物理場、多尺度的精細化模擬計算。

應用: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

利用超精細網(wǎng)格和能群的先進中子學計算技術,實現(xiàn)多物理、全三維、全范圍、緊耦合物理計算。

應用: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(xiàn)實時劑量場可視化。

應用: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(xiàn)海量網(wǎng)格并行的CFD仿真計算。

應用:柵板聯(lián)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(xiàn)對各種事故工況的全范圍精細化仿真模擬。

(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(guī)模并行程序開發(fā)流程、物理建模方法,實現(xiàn)輻照損傷的多尺度模擬。

應用: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(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況一體化分析,實現(xiàn)從微觀尺度(原子)到宏觀尺度(組件)的模擬分析。

(8)多專業(yè)協(xié)同工廠設計

利用三維平臺、廠房布置、管道布置、電氣設計、工藝設計、協(xié)同設計軟件,實現(xiàn)多專業(yè)并行協(xié)同設計和設計資源/數(shù)據(jù)/流程的高度集成。.

應用:三維工廠設計、基于參數(shù)化的協(xié)同設計

(9)三維結構設計

利用大規(guī)模并行計算技術,實現(xiàn)反應堆全壽期內(nèi)多物理場耦合作用下的結構行為、演變過程的大規(guī)模高性能數(shù)值模擬。

應用: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(xiàn)實技術,實現(xiàn)反應堆建設、運行、維護和退役的虛擬仿真。

應用:中子束流模擬、虛擬安裝

研究范圍

數(shù)值反應堆用于反應堆堆芯物理分析、燃料設計及性能優(yōu)化、極端事故分析及預測等方面,研究范圍從核燃料找礦、提純、燃料制備、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臺,形成完整的高分辨率數(shù)值模擬軟件體系。

數(shù)值反應堆借助超級計算機,能夠進一步提高反應堆設計運行的經(jīng)濟性、安全性和可靠性。

科研人員在超級計算機上利用數(shù)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(fā)展現(xiàn)狀

美國:CASL ? ,NEAMS ? ,CESAR

歐洲:NURESAFE

中國:數(shù)字化核電廠(中英合作),數(shù)字微堆,國家重點研發(fā)計劃