中核集團原子能院成功開發(fā)出數字微堆

2016年7月27日，在國際原子能機構（IAEA）、國家原子能機構（CAEA）和參與國際微堆低濃化和應用大會各國嘉賓的見證下。中核集團中國原子能科學研究院發(fā)布了其在數字反應堆領域的最新成果——數字微堆系統(tǒng)。這標志著我國已經全面掌握了數字微堆技術，也標志著中核集團在數字反應堆技術開發(fā)領域取得了重要突破。鐵精粉

關于數字微堆的科普知識閱讀：

1、反應堆技術發(fā)展面臨的問題

為了滿足反應堆技術對安全性、可靠性、經濟性、可持續(xù)性的要求，對反應堆工程的研究、設計、建造、運行、延壽、退役等方面均提出了新的挑戰(zhàn)，例如，在基礎研究方面需要開展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗；在設計方面，堆芯設計、安全分析、系統(tǒng)設計，臺架試驗、零功率試驗等大量的反應堆設計工作需要進行協同設計和優(yōu)化；在建造方面，希望降低初期建造投資并減少建造周期；在運行方面，需要降低燃料成本，減少核廢料的產生，保證各種環(huán)境條件下的安全運行；在延壽方面，需要開展大量的反應堆安全評價工作；在退役方面，需要優(yōu)化退役流程，減少放射性廢物和對環(huán)境的影響。

2、數字反應堆是什么

數字反應堆是基于高精度模擬技術、大數據應用技術和高速數據傳輸技術，應用先進的反應堆物理、熱工水力、安全、燃料、結構力學、三維設計等計算機軟件，對反應堆進行全方位、全周期的數字化模擬，使之具有可視及可操作性等，以完成反應堆現實的或超越現實的研究。

3、數字反應堆的三大優(yōu)勢

一般而言，數字反應堆有三大優(yōu)勢。第一是降低反應堆工程建設成本。第二是提高反應堆安全性。第三是協助促進核廢物最小化。

4、數字反應堆十大關鍵技術

1）高性能并行數值計算技術朝陽鐵精粉

利用高性能并行計算技術，實現多物理場、多尺度的精細化模擬計算。

多物理場耦合 多尺度的精細化模擬

2）先進的中子物理分析技術

利用超精細網格和能群的先進中子學計算技術，實現多物理、全三維、全范圍、緊耦合物理計算。

全堆芯pin -pin 中子場分布

3）輻射劑量場全耦合技術。

利用高精度中子、光子輸運計算、先進建模方法，實現實時劑量場可視化。朝陽鐵粉

輻射劑量場分布

4）先進的熱工水力建模技術。

利用高性能計算技術，實現海量網格并行的CFD仿真計算。

柵板聯箱流場模擬 堆本體流場模擬

5）先進的安全分析技術。

利用先進建模與仿真方法，實現對各種事故工況的全范圍精細化仿真模擬。

6）材料模擬計算技術

利用輻照損傷多尺度模擬方法及大規(guī)模并行程序開發(fā)流程、物理建模方法，實現輻照損傷的多尺度模擬。

多尺度材料模擬

7）燃料性能分析技術

與堆芯物理、熱工水力耦合，開展穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況一體化分析，實現從微觀尺度（原子）到宏觀尺度（組件）的模擬分析。

8）多專業(yè)協同工廠設計

利用三維平臺、廠房布置、管道布置、電氣設計、工藝設計、協同設計軟件，實現多專業(yè)并行協同設計和設計資源/數據/流程的高度集成。.

三維工廠設計 基于參數化的協同設計

9）三維結構設計

利用大規(guī)模并行計算技術 ，實現反應堆全壽期內多物理場耦合作用下的結構行為、演變過程的大規(guī)模高性能數值模擬。

結構設計 地震屈曲

10）虛擬工程仿真技術

利用可視化虛擬現實技術，實現反應堆建設、運行、維護和退役的虛擬仿真。

中子束流模擬 虛擬安裝

5、數字反應堆五大壽命階段

反應堆的全生命周期包括研究、設計、建造、運行及退役五大壽命階段，數字化技術在各階段有其重要意義。其中，反應堆技術研究階段，可加速和改變反應堆物理、熱工水力、材料、化學腐蝕、燃料和冷卻劑等基礎技術研究方法和思路；反應堆工程設計階段，可實現反應堆工程各個專業(yè)的全流程協同設計；反應堆建造階段，可支撐設備制造、安裝、調試和試運行，大大縮短建設周期；反應堆運行階段，可成為操縱員培訓、操作規(guī)程驗證、可運行性分析的重要手段，并大大減小核安全風險；反應堆退役階段，可實現退役過程仿真、輻射劑量場實時分析和全三維耦合，從而大大減小退役實施過程的輻射安全風險。

6、數字微堆

中國原子能科學研究院作為“中國反應堆的搖籃”，基于其在反應堆工程基礎技術和設計開發(fā)方面的雄厚經驗，以及在反應堆研究、設計和安全分析軟件方面的領先技術，近年來一直致力于開發(fā)先進的數字反應堆技術，目前首先在數字微堆（數字微型中子源反應堆）方面獲得突破。

微型中子源反應堆（簡稱“微堆”或“MNSR”）是中國原子能科學研究院自主研發(fā)的一種小型低功率反應堆。微堆以其小型、易于操作、功率低、固有安全性好、對環(huán)境污染小、可建在大中城市人口稠密的大學和科研單位等優(yōu)點，又被譽為“城市的藍光”。從上個世紀80年代起微堆在國內外得以迅速地推廣和應用，主要用于教學與培訓、中子活化分析、中子照相、中子治癌等。

數字微堆是由中核集團中國原子能科學研究院利用數字反應堆技術，集微堆設計、建造、調試、運行和退役等方面多年的研發(fā)和工程經驗的基礎上所做的又一項開創(chuàng)性的工作。數字微堆采用三維建模、蒙卡方法、計算流體力學、屏蔽計算、燃料性能分析、系統(tǒng)瞬態(tài)分析、虛擬現實等先進設計技術，構建了一個虛擬數字反應堆集成開發(fā)環(huán)境，在該環(huán)境下可進行微堆“沉浸式”全廠漫游和設備展示，以及對安裝、首次臨界、運行、應用、退役和安全等全方位的模擬仿真，可為設計人員、建造人員、運行人員、維修人員、參觀者等各類人員帶來“所見及所得”的真實體驗。

數字微堆更加直觀地展現出微堆結構簡單、易于操作和固有安全性好等優(yōu)點，可大大提高公眾對微堆的認知度和接受度。采用數字微堆技術后，新設計和建造一個微堆將顯著縮短建設周期，節(jié)省建設投資，并可為用戶提供數字化運行和維修的培訓和教學系統(tǒng)，這將為微堆走出國門插上數字化的翅膀，讓“城市的藍光”照亮更多的城市，為和平利用原子能做出更大的貢獻。

后續(xù)原子能院將加快開發(fā)各種類型數字反應堆，為中核集團正在推進的數字核工業(yè)技術增添新的內容，也將助力研究堆更快、更好、更容地走出去！