核反应堆三维模拟的高分辨率高效率非均匀中子输运计算方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11805122
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2803.反应堆物理与技术
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

With the growing quest for higher economy and safety of nuclear reactors, the traditional neutronics method that performs multi-level homogenization and low-order approximations can hardly satisfy the requirement of enhancing accuracy. As a result, in recent years high-fidelity techniques have been widely pursued in nuclear reactor three-dimensional simulations. Due to the probability mechanism or multi-dimensional coupled iteration algorithm, existing high-fidelity techniques have been challenged by problems of low efficiency, pseudo-convergence or even divergence. In this proposal, we propose an innovative approach which deals with the challenges rooted in existing high-fidelity methods. This method is characterized by three-dimensional whole-core heterogeneous neutron transport calculations with high resolution and high efficiency. Leveraging the heterogeneous variational principal, this method will be established on the direct three-dimensional transport solution of the reactor core model with high resolutions, whereby avoiding the convergence problems and accuracy problems caused by multi-dimensional coupled iterations. Moreover, the integral transport technique and the numerical optimization algorithm will be adopted to accelerate the formation of response matrices. Last but not least, advanced parallelization algorithms based on domain-decomposition will be implemented and optimized to solve the resulting matrix equations efficiently, thus ensuring the feasibility for industry use. It is believed that this cutting-edge research will not only constitute an advancement of the neutron transport theory, but also provide a practical technique for reactor design and safety analysis.
为了保障核反应堆的经济性和安全性,基于多级均匀化和低阶假设的传统中子学计算方法已经难以满足提升计算精度的需求,先进的高保真中子学计算方法逐步成为核反应堆三维模拟的研究热点。现有的高保真中子学计算方法多基于概率统计机制或多维耦合迭代算法,受到效率低、伪收敛甚至不收敛等问题的挑战。本研究针对以上难题提出了新思路,拟开展高分辨率、高效率的三维全堆芯非均匀中子输运计算方法研究。本方法基于非均匀变分原理,拟在严格输运理论下实现高分辨率核反应堆模型的直接三维中子输运求解,能够避免多维耦合迭代导致的难收敛和低精度问题;拟建立积分输运技术和数值优化算法,加速响应矩阵的计算;拟基于区域分解探究和对比不同的并行算法,提高矩阵方程的求解效率,以保障拟建立方法的工程实用性。本研究不仅对于中子输运理论的发展有着重要的科学意义,而且在反应堆的堆芯设计和安全分析中有着广泛的应用前景,属于前沿性的基础研究。

结项摘要

为了保障核反应堆的经济性和安全性,基于多级均匀化和低阶假设的传统中子学计算方法已经难以满足提升计算精度的需求,先进的高保真中子学计算方法逐步成为核反应堆三维模拟的研究热点。现有的高保真中子学计算方法多基于概率统计机制或多维耦合迭代算法,受到效率低、伪收敛甚至不收敛等问题的挑战。本研究针对以上难题提出了新思路,开展高分辨率、高效率的三维全堆芯非均匀中子输运计算方法研究。基于非均匀变分原理,在严格输运理论下实现高分辨率核反应堆模型的直接三维中子输运求解,针对三维C5G7问题的模拟keff误差低于150pcm,积分棒功率偏差低于0.5%;建立了RCMK数值优化方法,将响应矩阵转换为带状分块矩阵,大大降低响应矩阵的计算时间;开发了广义PM加速方法,获得了由于CMFD的计算稳定性,并将pin-by-pin问题的外迭代次数降低70%以上。结合粗网加速算法,可以实现12.5倍的加速比;基于区域分解开发了红黑迭代并行算法,提高矩阵方程的求解效率,百核以上并行效率大于90%。此外,还拓展性地将本项目所开发的一系列算法应用于均匀节块问题的中子输运方程的求解:针对六角形几何节块,建立了基于全三维输运的准反射边界条件角度加速算法,加速比高于6.7倍;针对矩形几何节块,建立了基于2D/1D思想的准输运方法,在保证计算进度的同时,降低了降低 75%的计算内存,减少 93%的计算时间,提升了中子输运方法应用于工程规模问题的可行性。本研究不仅对于中子输运理论的发展有着重要的科学意义,而且在反应堆的堆芯设计和安全分析中有着广泛的应用前景。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(1)
科研奖励数量(5)
会议论文数量(4)
专利数量(2)
重水冷却钍基长寿命模块化小堆概念设计研究
  • DOI:
    10.13832/j.jnpe.2021.02.0023
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    核动力工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙启政;王连杰;张滕飞;李向阳;刘晓晶
  • 通讯作者:
    刘晓晶
Conceptual design of an innovative reduced moderation thorium-fueled small modular reactor with heavy-water coolant
具有重水冷却剂的创新型减慢化钍燃料小型模块化反应堆的概念设计
  • DOI:
    10.1002/er.4827
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Energy Research
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Zhang Tengfei;Xiong Jinbiao;Liu Xiaojing;Chai Xiang;Li Wei;Cheng Xu
  • 通讯作者:
    Cheng Xu
Comparisons of Reduced Moderation Small Modular Reactors With Heavy Water Coolant
减慢小型模块化反应堆与重水冷却剂的比较
  • DOI:
    10.3389/fenrg.2020.00027
  • 发表时间:
    2020-03-03
  • 期刊:
    FRONTIERS IN ENERGY RESEARCH
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Zhang, Tengfei;Liu, Xiaojing;Cheng, Xu
  • 通讯作者:
    Cheng, Xu
基于非均匀变分节块法的pin-by-pin计算加速算法研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    原子能科学技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张滕飞;吴宏春;曹良志;李云召;刘晓晶;熊进标;柴翔
  • 通讯作者:
    柴翔
Development and implementation of an integral variational nodal method to the hexagonal geometry nuclear reactors
六边形核反应堆积分变分节点法的开发和实施
  • DOI:
    10.1016/j.anucene.2019.03.031
  • 发表时间:
    2019-09
  • 期刊:
    Annals of Nuclear Energy
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Zhang Tengfei;Xiong Jinbiao;Liu Luguo;Li Zhipeng;Zhuang Kun
  • 通讯作者:
    Zhuang Kun

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张滕飞的其他基金

基于复杂构型中子输运算法的小型核反应堆核-热-力耦合研究
  • 批准号:
    12175138
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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