Диссертация (1149684), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разрабатываются концептуальные проекты и строятся экспериментальные стенды [2, 43, 54]. Среди наиболее известных проектов можно выделить исследовательcкую электроядерную установку MYRRHA (Евросоюз, Бельгия) [1, 41, 42], экспериментальную трансмутационную установку TEF (Япония)[3, 45] и проект C-ADS (Китай).Глобальные проекты рассчитаны на использование мощного ускорителяпротонов с энергией частиц 600 МэВ – 2 ГэВ и током в пучке свыше 10 мА, который в основном и определяет стоимость и массогабаритные характеристикиустановки [84]. В связи с этим интересно в качестве драйвера ЭЛЯУ рассмотреть ускоритель на энергию протонов до нескольких сот МэВ и ток в несколькомА, создание которых не вызывает принципиальных проблем и освоено промышленностью [67, 80, 102].Для обеспечения конкурентоспособности мощностных характеристик ЭЛЯУс таким ускорителем потребуется значительное усиление внешнего источниканейтронов в подкритическом бланкете ЭЛЯУ.
Одним из способов усиления мощности является использование каскадной схемы активной зоны подкритического реактора.Реакторную систему можно назвать двухсекционной, если ее активная зона состоит из двух частей с различным материальным составом и физическимисвойствами или разделенных пространственно. Двухсекционные системы с односторонней или преимущественно односторонней связью секций (нейтроны однойсекции влияют на процессы в другой, а нейтроны другой секции на процессы в9первой не влияют) называют каскадными [86]. Некоторые авторы рассматривают также каскадную систему, состоящую из трех и более секций [100].Идея каскадности впервые была высказана в 1957 году американским ученым Л.
Борстом (L. Borst) [13] и развивалась в работах Р. Эйвери (R. Avery),В.Ф. Колесова, О.Ф. Кухарчука, В.В. Селиверстова, И.В. Кудиновича и др.[8, 9, 34, 58, 70, 85, 88, 103]. Экспериментальное изучение каскадных реакторных систем проводится в Объединенном институте энергетических и ядерныхисследований СОСНЫ (Минск, Беларусь) на установке «Ялина» [46] и Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (Саров, Россия) [77, 78].Помимо усиления мощности подкритического реактора использование каскадной схемы активной зоны может быть обосновано при решении задач трансмутации: трансмутируемые изотопы помещаются во внешнюю секцию каскадной зоны, не оказывая при этом существенного влияния на процессы деленияво внутренней секции [38].Проектированию ЭЛЯУ, разумеется, должен предшествовать этап численного и компьютерного моделирования всех составляющих ее элементов (ускоритель, мишень, бланкет), а также протекающих в них физических процессов.Объектом исследования в данной работе является подкритический реактор, управляемый внешним источником нейтронов.
Существующие на сегодняшний день методики расчета физики подкритических реакторов основаны намодификации методов, разработанных ранее применительно к традиционнымкритическим реакторам [86], однако подкритичность, специфика материального состава активной зоны и наличие мощного пространственно-распределенноговнешнего источника нейтронов определяют особенности физических свойств иметодов математического моделирования устройств данного типа.Нейтронно-физические процессы в критических реакторах описываютсяуравнением переноса нейтронов, методы решения которого к настоящему времени достаточно хорошо изучены и могут быть разделены на две категории:10статистические и детерминистические [65].К статистическим методам относится метод Монте-Карло [105] и различные его модификации, который заключается в прямом моделировании процессов переноса, рассеяния, поглощения и размножения нейтронов для решенияуравнения переноса в интегральной форме.
К достоинствам данного методаследует отнести отсутствие математических допущений при моделировании, атакже способность эффективно моделировать активные зоны сложной геометрии. Как и любой статистический метод, метод Монте-Карло дает корректныерезультаты только при большом числе испытаний. При современном развитиивычислительной техники метод Монте-Карло находит широкое применение примоделировании реакторных систем. Тем не менее существует ряд задач, требующих многократного решения уравнения переноса, что делает применениеметода Монте-Карло в этих случаях затруднительным.
К их числу относятсяоптимизационные задачи, связанные с определением оптимальной геометрии иматериального состава активной зоны реактора, а также нестационарные задачи, характеризующиеся изменением со временем свойств самой среды. Длярешения подобного рода задач эффективно могут быть использованы детерминистические методы, которые основаны на численном решении уравненияБольцмана. К их числу можно отнести метод дискретных ординат, метод характеристик, PN-метод и наиболее простую его форму P1 — диффузионное приближение. Данная группа методов может быть использована для активных зонпростой геометрии, как правило, в одномерном или двумерном приближении,или для проведения предварительных расчетов с применением метода МонтеКарло для окончательного расчета.Для моделирования переходных процессов в активной зоне критическогошироко используются уравнения точечной кинетики [83].
Однако в силу особенностей секционированного бланкета ЭЛЯУ использование данного подхода дляописания нестационарных процессов в подкритической активной зоне можетдавать неудовлетворительные результаты [49, 55]. В ряде работ предлагаются11различного рода модификации уравнений точечной кинетики [44, 49] с цельюиспользования их при моделировании подкритических реакторов с внешним источником нейтронов. Однако к заметному выигрышу по точности или областиприменения модифицированная точечная модель кинетики не приводит. В связи с этим все большее значение начинает приобретать модель пространственновременной кинетики [10, 68, 94], позволяющая учитывать пространственнуюнеравномерность спектра нейтронов и материального состава реактора, особенно характерную для каскадных активных зон, а также для задач с пространственно-распределенным внешним источником нейтронов.Несмотря на хорошее качество описания переходных процессов в бланкетеЭЛЯУ при использовании модели пространственно-временной кинетики, расчеты динамики бланкета ЭЛЯУ, выполненные на ее основе, с учетом обратныхсвязей по температуре топлива и теплоносителя становятся неэффективными,т.к.
в каждый момент времени необходимо полностью пересчитывать распределение нейтронов по объему активной зоны реактора. Таким образом, актуальным является создание математической модели кинетики подкритическогореактора, сочетающей в себе простоту точечной и реалистичность пространственно-временной моделей.В диссертационной работе предлагается многоточечная модель для описания кинетики и динамики подкритических активных зон c внешним источникомнейтронов. Для вывода уравнений модели была использована процедура, описанная Л. Усачевым [109] при выводе уравнений точечной кинетики, и метод«связанных зон», предложенный В.
Селиверстовым [103].Идея двухточечности была заложена в работах Р. Эйвери (R. Avery) иГ. Болдвина (G. Baldwin) [8, 11] применительно к связанным реакторным системам. Позднее модифицированные уравнения Р. Эйвери (R. Avery) были использованы С. Кохом (C. Cohn) и Г. Спригсом (G. Spriggs) для расчета реакторов сотражателем [16, 50]. Использование многоточечной модели кинетики применительно к электроядерным установкам впервые было предложено в работе [47].12Целью диссертационной работы является создание математическихмоделей нейтронно-физических и тепловых процессов в подкритической активной зоне с внешним источником нейтронов, а также их реализация в виде комплекса расчетных программ. Для достижения поставленной цели были решеныследующие задачи:1) разработана диффузионная многогрупповая математическая модель дляописания стационарных полей нейтронов в однородных и секционированных подкритических бланкетах с внешним источником нейтронов;2) определены функционалы, характеризующие размножение нейтронов иусиление внешнего источника в подкритическом бланкете;3) определены функционалы, характеризующие нейтронную связь междусекциями каскадного бланкета;4) определено усиление внешнего источника в подкритическом бланкете сучетом ограничений по энерговыделению;5) определены функционалы, характеризующие переходные процессы (кинетику) в подкритическом реакторе с внешним источником нейтронов;6) разработана многоточечная математическая модель кинетики подкритического бланкета с неоднородным топливным составом;7) разработана модель динамики подкритического реактора, управляемогоускорителем, с учетом тепловых обратных связей;8) создан программный комплекс для численного моделирования физических процессов в подкритическом бланкете ЭЛЯУ на основе разработанных математических моделей.Методы исследования.
Методы математического и компьютерного моделирования, вычислительной математики, дифференциальных уравнений, фи13зики ядерных реакторов.Научная новизна. Предложена новая математическая модель многоточечной кинетики подкритического реактора с внешним пространственно-распределенным источником нейтронов. На ее основе построена модель динамики подкритического реактора, управляемого ускорителем заряженных частиц,учитывающая тепловые процессы в активной зоне ЭЛЯУ. Создан комплекс программ для численного моделирования физических процессов в подкритическомреакторе, позволивший рассчитать динамику каскадных активных зон с внешним периодическим источником нейтронов.
Все выносимые на защиту положения, представленные на странице 15, являются новыми.Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы заключается в создании:1) новых общих математических моделей физических процессов в активной зоне подкритического реактора, управляемого ускорителем;2) новых упрощенных математических моделей, позволяющих адекватномоделировать физические процессы в активной зоне подкритического реактора, управляемого ускорителем, но при этом не требующих чрезмерных вычислительных ресурсов.К практической значимости работы следует отнести возможность применения разработанных математических моделей для оптимизации физическиххарактеристик бланкета и законов управления ЭЛЯУ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
