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中核集團原子能院成功開發(fā)出數(shù)字微堆

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

關(guān)于數(shù)字微堆的科普知識閱讀：

1、反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展面臨的問題

為了滿足反應(yīng)堆技術(shù)對安全性、可靠性、經(jīng)濟性、可持續(xù)性的要求，對反應(yīng)堆工程的研究、設(shè)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(chǔ)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(shè)計方面，堆芯設(shè)計、安全分析、系統(tǒng)設(shè)計，臺架試驗、零功率試驗等大量的反應(yīng)堆設(shè)計工作需要進(jìn)行協(xié)同設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(shù)字反應(yīng)堆是什么

數(shù)字反應(yīng)堆是基于高精度模擬技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的反應(yīng)堆物理、熱工水力、安全、燃料、結(jié)構(gòu)力學(xué)、三維設(shè)計等計算機軟件，對反應(yīng)堆進(jìn)行全方位、全周期的數(shù)字化模擬，使之具有可視及可操作性等，以完成反應(yīng)堆現(xiàn)實的或超越現(xiàn)實的研究。

3、數(shù)字反應(yīng)堆的三大優(yōu)勢

一般而言，數(shù)字反應(yīng)堆有三大優(yōu)勢。第一是降低反應(yīng)堆工程建設(shè)成本。第二是提高反應(yīng)堆安全性。第三是協(xié)助促進(jìn)核廢物最小化。

4、數(shù)字反應(yīng)堆十大關(guān)鍵技術(shù)

1）高性能并行數(shù)值計算技術(shù)朝陽鐵精粉

利用高性能并行計算技術(shù)，實現(xiàn)多物理場、多尺度的精細(xì)化模擬計算。

多物理場耦合 多尺度的精細(xì)化模擬

2）先進(jìn)的中子物理分析技術(shù)

利用超精細(xì)網(wǎng)格和能群的先進(jìn)中子學(xué)計算技術(shù)，實現(xiàn)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(shù)。

利用高精度中子、光子輸運計算、先進(jìn)建模方法，實現(xiàn)實時劑量場可視化。朝陽鐵粉

輻射劑量場分布

4）先進(jìn)的熱工水力建模技術(shù)。

利用高性能計算技術(shù)，實現(xiàn)海量網(wǎng)格并行的CFD仿真計算。

柵板聯(lián)箱流場模擬 堆本體流場模擬

5）先進(jìn)的安全分析技術(shù)。

利用先進(jìn)建模與仿真方法，實現(xiàn)對各種事故工況的全范圍精細(xì)化仿真模擬。

6）材料模擬計算技術(shù)

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(xiàn)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(shù)

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(xiàn)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(xié)同工廠設(shè)計

利用三維平臺、廠房布置、管道布置、電氣設(shè)計、工藝設(shè)計、協(xié)同設(shè)計軟件，實現(xiàn)多專業(yè)并行協(xié)同設(shè)計和設(shè)計資源/數(shù)據(jù)/流程的高度集成。.

三維工廠設(shè)計 基于參數(shù)化的協(xié)同設(shè)計

9）三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用大規(guī)模并行計算技術(shù) ，實現(xiàn)反應(yīng)堆全壽期內(nèi)多物理場耦合作用下的結(jié)構(gòu)行為、演變過程的大規(guī)模高性能數(shù)值模擬。

結(jié)構(gòu)設(shè)計 地震屈曲

10）虛擬工程仿真技術(shù)

利用可視化虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)堆建設(shè)、運行、維護(hù)和退役的虛擬仿真。

中子束流模擬 虛擬安裝

5、數(shù)字反應(yīng)堆五大壽命階段

反應(yīng)堆的全生命周期包括研究、設(shè)計、建造、運行及退役五大壽命階段，數(shù)字化技術(shù)在各階段有其重要意義。其中，反應(yīng)堆技術(shù)研究階段，可加速和改變反應(yīng)堆物理、熱工水力、材料、化學(xué)腐蝕、燃料和冷卻劑等基礎(chǔ)技術(shù)研究方法和思路；反應(yīng)堆工程設(shè)計階段，可實現(xiàn)反應(yīng)堆工程各個專業(yè)的全流程協(xié)同設(shè)計；反應(yīng)堆建造階段，可支撐設(shè)備制造、安裝、調(diào)試和試運行，大大縮短建設(shè)周期；反應(yīng)堆運行階段，可成為操縱員培訓(xùn)、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(fēng)險；反應(yīng)堆退役階段，可實現(xiàn)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(fēng)險。

6、數(shù)字微堆

中國原子能科學(xué)研究院作為“中國反應(yīng)堆的搖籃”，基于其在反應(yīng)堆工程基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)計開發(fā)方面的雄厚經(jīng)驗，以及在反應(yīng)堆研究、設(shè)計和安全分析軟件方面的領(lǐng)先技術(shù)，近年來一直致力于開發(fā)先進(jìn)的數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)，目前首先在數(shù)字微堆（數(shù)字微型中子源反應(yīng)堆）方面獲得突破。

微型中子源反應(yīng)堆（簡稱“微堆”或“MNSR”）是中國原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的一種小型低功率反應(yīng)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(xué)和科研單位等優(yōu)點，又被譽為“城市的藍(lán)光”。從上個世紀(jì)80年代起微堆在國內(nèi)外得以迅速地推廣和應(yīng)用，主要用于教學(xué)與培訓(xùn)、中子活化分析、中子照相、中子治癌等。

數(shù)字微堆是由中核集團中國原子能科學(xué)研究院利用數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)，集微堆設(shè)計、建造、調(diào)試、運行和退役等方面多年的研發(fā)和工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上所做的又一項開創(chuàng)性的工作。數(shù)字微堆采用三維建模、蒙卡方法、計算流體力學(xué)、屏蔽計算、燃料性能分析、系統(tǒng)瞬態(tài)分析、虛擬現(xiàn)實等先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建了一個虛擬數(shù)字反應(yīng)堆集成開發(fā)環(huán)境，在該環(huán)境下可進(jìn)行微堆“沉浸式”全廠漫游和設(shè)備展示，以及對安裝、首次臨界、運行、應(yīng)用、退役和安全等全方位的模擬仿真，可為設(shè)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(shù)字微堆更加直觀地展現(xiàn)出微堆結(jié)構(gòu)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(rèn)知度和接受度。采用數(shù)字微堆技術(shù)后，新設(shè)計和建造一個微堆將顯著縮短建設(shè)周期，節(jié)省建設(shè)投資，并可為用戶提供數(shù)字化運行和維修的培訓(xùn)和教學(xué)系統(tǒng)，這將為微堆走出國門插上數(shù)字化的翅膀，讓“城市的藍(lán)光”照亮更多的城市，為和平利用原子能做出更大的貢獻(xiàn)。

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