بررسي شكل گيري موج خودنگهدار شكافان هسته اي در يك راكتور سريع بحراني

Analysis of Self-Sustained Nuclear Fission Wave Evolution in a Fast Critical Reactor

اين مقاله به بررسي پديده‌اي به نام موج پاياي شكافان هسته‌اي كه با برقراري سيكلU-Pu در يك راكتور هسته‌اي سريع ايجاد مي‌شود، مي‌پردازد. از موارد جالب توجه در مورد اين نوع راكتور، ايمني حاصل از حالت خودبخودي موج و هم‌چنين بازده حدود 50 درصدي مصرف سوخت آن است كه در راكتورهاي حرارتي امروزي در حدود 1 تا 2 درصد ميباشد. جهت بررسي امكان تشكيل اين موج، سيستم حاصل از معادله پخش نوترون كه با معادلات مصرف سوخت و سينتيك كوپل شده است درنظر گرفته شد. روش خطي‌سازي به‌كار گرفته شده در حل اين سيستم نه تنها زيرسيستم‌هاي پخش و واكنش را از يكديگر جدا مي‌كند بلكه مسئله روبرو شدن با چند صد روز زمان واقعي شبيه‌سازي را نيز بسيار ساده‌تر مي‌سازد. گسسته‌سازي فضائي و زماني زيرسيستم خطي شده پخش به‌ترتيب با استفاده از روش المان محدود سه بعدي و روش كرانك - نيكلسون و نهايتاً همگرائي آن به كمك تكرارهاي مبتني بر روش بهينه (BiCGStab(L انجام شد. روش المان به المان به‌كار گرفته شده در كنار (BiCGStab(L حافظه مورد نياز را به اندازه يك دهم مقدار حافظه استفاده شده در غياب اين روش كاهش داد. با توجه به تغييرات اندك غلظت عناصر موجود در زيرسيستم واكنش، روش دقيق رانگ - كوتا (5) براي حل معادلات ديفرانسيل مرتبه اول اين زير سيستم استفاده گرديد. با توجه به زمان طولاني شبيه‌سازي، سه بعدي بودن مسئله و محاسبات سنگين حاصل از آن، از روش OpenMp جهت موازي كردن برنامه نوشته شده به زبان فرترن 95 استفاده شد.

Present paper deals with the phenomenon known as self-sustained nuclear fission wave that is set up with establishment of the U-Pu cycle in a fast nuclear reactor. The safety arised from self-sustained state of the wave and also 50%the possibility of initiation and evolution of the wave, the system comprised of neutron diffusion equation coupled with burn-up and kinetic equations have been considered. The linearizationmethod used to solve this systemnot only separates diffusion subsystem from reaction one but also simplifies greately dealing with several real hundred days of simulation. Space and time discretizations of the linearized diffusion subsystem were performed by 3D finite element and crank-nicolson methods, respectively. The convergence of equation was carried out using the iterations based on the optimized BiCGStab(L) method. Rung-Kutta (5) method was used to solve the first order differential equations of the reaction subsystem since the concentrations of elements in the reaction subsystem changed slowly. Using the element by element FEMand BiCGStab(L) used for solving the systemdropped the required memory down to 1/10. Considering the long period of the simulation, 3D case of the problem and heavy computations, the OpenMp method was used to parallelize the code written in FORTRAN 95.