【摘 要】
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反应堆在运行的过程中,堆芯燃料存在着复杂的物理现象,包括中子输运、热工水力、机械应变、燃耗等,在进行反应堆内燃料的性能分析时,需要考虑多种物理现象之间的相互影响。同时,全陶瓷微密封（Fully Ceramic Micro-encapsulated,FCM）燃料等先进燃料设计的提 出也对模拟与 分析程序的几 何适应性、分辨率和精度提出了更高的要求。例如在FCM燃料模拟中,需要考虑弥散颗粒的随机分布,
【基金项目】
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国家自然科学基金（12175067/11905060）； 中国科协青年人才托举工程（2020QNRC001）；
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反应堆在运行的过程中,堆芯燃料存在着复杂的物理现象,包括中子输运、热工水力、机械应变、燃耗等,在进行反应堆内燃料的性能分析时,需要考虑多种物理现象之间的相互影响。同时,全陶瓷微密封（Fully Ceramic Micro-encapsulated,FCM）燃料等先进燃料设计的提 出也对模拟与 分析程序的几 何适应性、分辨率和精度提出了更高的要求。例如在FCM燃料模拟中,需要考虑弥散颗粒的随机分布,并对颗粒的多层包覆结构进行精细功率统计与数据传递。传统蒙卡程序采用的基于栅元一一对应的数据传递方法难以满足高分辨率和几何灵活性的要求。针对现有蒙卡耦合方法几何灵活性差、空间分辨率低、网格匹配繁琐的问题,本文开展了蒙卡与有限元程序的高精度耦合方法研究及程序开发。本文以反应堆蒙卡程序RMC为中子学计算核心,基于MATLAB接口开发了 RMC与有限元程序COMSOLMultiphysics的中子物理-热工水力-结构力学（核-热-力）耦合程序。该耦合程序引入独立于实体几何的统一结构网格,提出基于结构/非结构网格插值与映射的核-热-力耦合方法,可以实现中子输运过程中材料温度与核截面的动态更新,提高蒙卡与有限元程序间网格匹配的灵活性和通用性。本文使用开发的耦合程序对压水堆UO2燃料棒、FCM弥散燃料进行了 RMC与COMSOL Multiphysics的三维建模,并对燃料棒单棒模型进行了中子物理-热工水力耦合计算,对FCM弥散燃料进行了带燃耗推进的核-热-力耦合计算。研究结果表明:燃料棒单棒模型耦合后的轴向功率和温度均为近似余弦分布,而在径向由于热中子空间自屏效应的影响,燃料棒外侧的功率比中心功率高,冷却剂温度与密度分布与子通道程序COBRA的结果符合良好,验证了 COMSOL热工水力计算的正确性。在FCM弥散燃料的耦合模拟中,首先采用COMSOL进行了燃料芯块内随机分布弥散颗粒燃料的热-力耦合模拟,并与参考文献的结果进行对比,验证了 COMSOL热-力耦合的正确性。然后进行了 RMC与COMSOL的核-热-力耦合模拟,随着燃耗的进行,功率分布和温度分布变化不大,但由于燃耗与快中子注量的累加,FCM燃料的应力逐渐增加,应力的最大值出现在基体与颗粒的接触区域。通过两个耦合案例,验证了本文开发的耦合程序的正确性,同时证明了本文提出的结构/非结构网格插值方法比栅元映射方法操作更灵活通用,可以获得连续光滑的物理场分布,适用于FCM弥散燃料等复杂的几何模型。
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