金属活性区脉冲反应堆爆发裂变脉冲过程的中子输运-热力学耦合分析

Metal type fast burst reactor is designed to generate very high neutron and gamma flux, which can be used in the reaearch of national defence and neutron physics. The maximum fission yield of burst is mainly limited by stress and temperature of fuel and surport structures. To reduce or avoid stress convergence, one of the most important thing in design is how to make the distribution of fission energy heterogeneously. Thus, the thermodynamics parameters of reactor should be firstly analyzed. Our study will focus on analyzing dynamic behavior of fission burst, developing the solution method of coupled neutron transport and thermoelastic equations. Then calculate thermodynamics parameters for burst reactors with typical configuration, which helps to build 2nd generation fast burst reactor.

金属活性区脉冲反应堆可产生与核爆核辐射环境极为相似的强中子、γ辐射场，这类装置除了应用于国防科技领域，还广泛用于中子科学基础及应用技术研究。金属活性区脉冲反应堆的最大裂变脉冲产额主要受燃料部件上应力以及温度的限制，这类反应堆活性区结构设计中的关键问题之一是在保持反应堆活性区基本构型的条件下如何尽量拉平活性区部件上的裂变释能分布、降低甚至避免活性区内的应力集中问题，为此需要对活性区部件上的热力学参数分布情况进行分析。本课题拟研究金属活性区脉冲反应堆在超瞬发临界条件下爆发裂变脉冲的动力学过程，建立用于爆发裂变脉冲过程热力学参数分析的中子输运-热力学耦合计算方法，对典型结构活性区部件的热力学参数（温升分布、应变-应力分布等）进行计算与分析，为第二代脉冲堆的建立提供技术支持。

金属活性区脉冲反应堆可产生与核爆核辐射环境极为相似的强中子、γ辐射场，这类装置除了应用于国防科技领域，还广泛用于中子科学基础及应用技术研究。金属活性区脉冲反应堆的最大裂变脉冲产额主要受燃料部件上应力以及温度的限制，这类反应堆活性区结构设计中的关键问题之一是在保持反应堆活性区基本构型的条件下如何尽量拉平活性区部件上的裂变释能分布、降低甚至避免活性区内的应力集中问题，为此需要对活性区部件上的热力学参数分布情况进行分析。.　　本课题首先细致分析了金属活性区脉冲反应堆在超瞬发临界条件下爆发裂变脉冲的动力学物理过程，基于物理描述精度和计算效率可接受原则确定了用于多物理计算分析的物理模型：由于中子输运方程的复杂性，直接采用点动力学模型（对于活性区紧凑的金属脉冲堆，显然是适用的）描述动力学过程，或是分时近似求解定态中子输运方程（角度SN离散、空间差分近似、能量分群的方法）；由于爆发裂变脉冲的过程很快（百微秒量级），将传热过程视为绝热过程，这样裂变释能（中子通量）与活性区部件温度有简单关系；热冲击下活性区固体金属燃料的应力和应变满足胡克定律，材料运动和状态采用热弹性力学方程描述。.　　提出了基于点动力学和ANSYS有限元计算方法的波形逼近计算方法，该方法采用点动力学方程和微扰理论描述爆发脉冲的中子学过程，采用有限元方法计算热力学过程，对中子输运过程的计算做了一定简化，但在三维精细几何结构的力学分析上具有优势。基于波形逼近计算方法，计算了典型结构金属活性区脉冲反应堆（类Lady Godiva一维球型、类Godiva IV二维柱型）爆发裂变脉冲过程的热力学参数，并完成与实验结果的比对和分析。结果表明，对于结构紧凑的金属活性区快脉冲堆，波形逼近计算方法的中子输运计算快速且准确，力学计算适用于复杂构型，能够精确计算空间每个位置位移、应力和应变。.　　本工作还对物理思路清晰的分时逐步耦合迭代计算方法进行了探索研究，该方法对每步定态中子输运的计算更为精确，但对几何结构的考虑简单（一维球形和二维柱形），很难对更接近实际构型的复杂几何结构进行描述（实际上热力过程强烈依耐于几何结构，即使是具有准球形结构的Lady Godiva快中子脉冲堆也不可简化为一维球形结构计算）。因此，难以获得精准、能够与实验比对、能够用于指导新的脉冲堆研制的热力学分析结果。