行波堆增殖-燃耗波机制的数值计算研究

行波堆是一种可实现自持增殖和燃耗的新概念反应堆，在核燃料循环、资源的有效利用、防核扩散和经济性等方面具有显著的先进性和竞争力，为核裂变能的大规模可持续发展提供了一条全新的道路。然而目前国际上对于行波堆的研究还只是处于概念提出和概念设计阶段，行波堆增殖-燃耗波机制在现实反应堆中的存在性和现实可行性，是行波堆研究和发展必须首先解决的关键基础问题。本项目将紧密围绕这一核心问题，以前期理论工作为基础，着力数值计算的研究，研制行波堆专有多群核数据库，建立行波堆高燃耗下时空相关中子动力学-燃耗精细耦合计算物理模型和数值计算方法，开发具有自主知识产权的行波堆物理分析的确定论计算程序，寻求行波堆运行的"渐近稳定模态"，研究其稳态特性和动态行为，揭示行波堆轴向和径向增殖-燃耗波的时空运行规律，并初步探索这一机制具有现实意义的应用途径- - 径向"步进"倒料策略，为我国行波堆的研究发展提供理论基础和科学依据。

本项目按照申请书设定的研究内容和目标，通过理论建模和数值求解对行波堆特有的增殖-燃耗波机制进行了深入的研究。通过建立简化的中子动力学方程和涵盖截断燃耗链的燃耗方程，定义净中子产生截面f等仅依赖中子注量率的函数，采用二次积分方法，获得了轴向增殖-燃耗波的渐近稳定模态基本解，辅以一定的数值迭代，获得了径向增殖-燃耗波的基本解，发现由外向内的径向行波比由内向外的径向行波增殖性能更好。以欧盟核评价数据库JEFF3.1为主要数据来源，优选出行波堆物理分析和燃耗计算需要的159个核素, 加工制作了行波堆40群中子工作数据库；基于相对运动原理，将行波的运动转化为燃料的运动，推导建立了考虑燃料移动效应的连续能量时空相关中子动力学方程，燃耗模型考虑了从Th-232到Cm-247燃耗链上30个重金属核素和80个裂变产物；采用交替方向TDMA算法对离散的中子动力学方程组进行求解，采用吉尔算法对常微分初值问题的燃耗方程进行求解，开发程序并对其独立模块进行了验证。基于相对运动原理，提出了“步进倒料行波堆（STWR）”的概念，分别对轴向和径向STWR的渐近稳定模态特性和动态特性进行了研究，研究发现：1）STWR渐近keff随倒料周期近似呈抛物线型分布，渐近燃耗随倒料循环周期线性增长，反应堆达到临界对应一个最小燃耗和一个最大燃耗，在此燃耗区间内方可临界；2） 反应堆功率峰随倒料循环周期的增长，从燃料卸出区向燃料导入区移动，功率峰值逐渐降低；3）在高燃耗情况下，堆芯的功率分布会出现镰刀行/M形变形。此外，项目组还基于CFD计算软件FLUENT的用户接口（UDF/UDS）开发点堆中子动力模型的计算程序和模块，耦合 FLUENT中的多孔介质模型，开发了行波堆三维物理-热工耦合计算系统，进行了行波堆瞬态安全特性分析。. 项目完成了申请书设定的研究内容和目标，发表学术论文10篇，其中SCI论文3篇，EI论文2篇，其他国内核心或会议论文5篇。本项目的研究为行波堆增殖-燃耗波机制的研究提供了有价值的信息，提出的“步进倒料行波堆”概念及发现的增殖-燃耗波规律特性对于行波堆的现实应用及设计具有一定的指导意义。