压水堆堆芯Pin-by-pin燃料管理计算关键技术研究

PWR in-core fuel management calculation provides pin-by-pin power distribution for safety and economy analysis of the corresponding reactor core by simulating the multi-physics coupling process including neutronics, thermal-hydraulics and nuclide depletion, et al. However, there are too more approximations in the current in-core fuel management calculation, which limits the safety and economic characteristics of the PWR reactor core through calculation accuracy. Consequently, based on the research foundation in our team, the pin-by-pin in-core fuel management calculation method, which is as the most possible next generation method, is proposed to be investigated mainly on its key techniques including: (1) heterogeneous leakage model for pin-by-pin homogenization, (2) pin-cell homogenized few-group constants parameterization, and (3) multi-physics coupling technique in three-dimensional whole core pin-by-pin calculation. Under the background of "Go Global" strategy, the research of this project is of important academic significance for the development and perfection of PWR core analysis theory, and is also a key step in the independent innovation of nuclear power softwares. Thus, it is a frontier basic research.

压水堆堆芯燃料管理计算通过模拟核-热-燃耗多物理耦合过程为安全性和经济性分析提供单棒（Pin-by-pin）功率分布。但是，现有压水堆堆芯燃料管理计算方法近似过多、精度受限，严重限制了堆芯的安全性和经济性。本项目拟在已有研究基础上针对下一代堆芯燃料管理计算方法——Pin-by-pin计算开展关键技术研究，具体包括：（1）建立既能区分不同栅元中子泄漏的差异又能避免组件内部中子射流效应重复考虑的非均匀泄漏修正模型；（2）分析栅元状态参数对栅元均匀化少群常数的影响关系，构建能有效处理强历史效应的栅元均匀化少群常数参数化模型；（3）阐明Pin-by-pin多物理耦合机制，确立可靠的Pin-by-pin多物理耦合方式、迭代计算策略和高效并行算法。在我国核电“走出去”战略背景下，本项目的研究对于压水堆堆芯分析理论的发展和完善有着重要的学术意义，也是核电软件自主创新的关键步骤，属于前沿性基础研究。

压水堆堆芯燃料管理计算通过模拟核-热-燃耗多物理耦合过程为安全性和经济性分析提供单棒（Pin-by-pin）功率分布。本项目按照申请书的研究内容和目标，针对现有压水堆堆芯燃料管理计算方法近似过多、精度受限的问题，开展了下一代堆芯燃料管理计算方法——Pin-by-pin计算的关键技术研究。具体包括：（1）揭示了非均匀栅元计算中的中子泄漏对中子能谱的影响机理，构建了非均匀泄漏修正模型，在特定堆芯几何曲率下，精确考虑了不同栅元中子泄漏率的差异，能够为全堆芯Pin-by-pin计算提供了空间相关的泄漏系数，实现了压水堆堆芯Pin-by-pin计算中的非均匀泄漏修正；（2）揭示了栅元状态参数对栅元均匀化少群常数的影响关系，从少群常数参数化计算的基本环节出发，建立了栅元均匀化少群常数参数化模型；针对Pin-by-pin计算中的两个特有问题，即少群常数存储需求大与栅元历史效应强，通过对能群压缩、微观截面修正等进行有针对性的方法研究，确立了一套实用的栅元均匀化少群常数库制作技术；（3）阐明了压水堆堆芯Pin-by-pin多物理耦合的机理，提出了一种能够稳定收敛的Pin-by-pin多物理紧耦合策略以及配套的迭代流程，研究了基于统一区域分解的Pin-by-pin多物理耦合并行算法，研发了能应用于工程实际的压水堆三维全堆芯Pin-by-pin物理计算程序NECP-Bamboo2.0，并基于小型工作平台实现了商用压水堆堆芯Pin-by-pin燃料管理计算。通过上述研究，已发表SCI收录的期刊论文11篇；培养了研究生12人，其中包括2名国际留学生，以及3名赴国外联合培养的博士研究生；参加国际高水平学术会议和国内学术交流16人次；取得软件著作权1项，国家发明专利12项。