橡樹嶺國家實驗室的中子核反應堆設計

當“自由的”中子與錢攤上關系的時候,中子就很難自由了。現實生活中，要產生中子需要非常先進的高科技設備，目前世界上只有少數國家具備這個能力。然而，誰會需要中子呢？中子只有在先進材料的研發，高端的生物技術，以及冷聚變反應中才會涉及。如今，美國橡樹嶺國家實驗室的實驗學家們因為研究需要也開始關注高通量同位素反應堆（HFIR）。利用COMSOL  Multiphysics建模仿真，高級安全分析專家Jim博士證實強大的中子流可以緩慢、冷卻、無障礙進入設備中。

      圖1 橡樹嶺國家實驗室中的高通量同位素反應堆主體結構示意圖，圖中橘黃色部分是新型氫冷源，

暗綠色部分是新型HB-4集射管。中子流通過HB-4集射管引導裝置進入試驗設備中以供來訪研究人員研究。

   圖1中的高通量同位素反應堆（HFIR）是世界上最強大的研究反應設備。它建造于19世紀60年代，是唯一一個以可控核裂變來產生自由中子的裝置。中子之所以被冠以“自由”，是因為在核反應中原子核分解成質子、電子、反中微子等亞核組分，中子就可以脫離原子核存在于自由空間中。電中性的自由中子有很強的穿透能力，可以無阻礙的穿過原子內的電場，速度減慢的主要原因來自與原子核發生碰撞。氫核中只有一個質子和中子，對快速移動的自由中子來說是非常好的冷卻劑。

   高通量同位素反應堆中，在距離反應裝置核心直徑2英尺范圍內的中心高溫區域中子的產生反應非常劇烈，很少存在像锎-252這樣的同位素。高通量同位素反應堆將反應核心以外的自由中子收集起來形成密集的中子流用來做散射研究或者在新柱設備HB-4（圖1）中進行其它的試驗。隨著這些新型低溫氫系統投入生產來冷卻中子，從這些束管進入實驗設備的中子流的可控性將達到世界上最好水平。

圖2 增壓器位于具有泵單元的真空室內，吸收三個變速泵產生的熱量。

溫度從最高的300K降低到最低18K，增壓器中的壓力平均保持在14-15微巴。

 

圖3 非等溫氫流以及固體熱傳導仿真結果圖，左圖是增壓器下閘室中溫度以及流分布情況。

只考率增壓器中熱傳導過程的模擬結果,與左圖得出相同的溫度分布。

熱傳導模擬結果預測了下閘室中冷卻氫的質量，這對整個系統安全至關重要。

  “從冷卻源中出來的氫不僅要能冷卻中子，還要對所流經的所有設備部分進行冷卻。”Freels解釋說。HFIR種的新型冷源儲存有5kg溫度為18~21K的氣體，并使之能在傳輸管中持續循環。氫氣三個變速循環器的作用下從冷卻源中流出進入傳輸管中。快速的旋轉循環器以0.074 kg/s的速度將氫氣泵出。盡管循環器是利用磁懸浮控制，但是快速旋轉仍然會產生大量的熱。增壓裝置（圖2和圖3）會吸收一部分熱量，同時壓力要保持在14~15微巴范圍，在這個范圍內可以避免過冷泡核沸騰。當氫循環經過外部循環中的慢化劑裝置時，與反應器中流出的 中子流相遇。自由中子會像密集不可見的激光束一樣經過引導裝置流入實驗設備中。流動的氫從慢化劑裝置中返回到泵中進入下一輪循環。

   核反應、變速循環器以及內熱泄露需要氫必須吸收2200W的熱量。“這就是我們采用COMSOL Multiphysics模擬的原因所在，因為我們需要對冷卻過程進行精確的評估。” Freels說道。最關鍵的組件中有最劇烈的溫度下降過程：從周圍的裝置中吸收熱量的增壓器，以及外壁吸收密集的中子流的慢化劑腔。

壓力體積溫度平衡

   Freels博士所作的模擬主要針對重要的溫度和壓力變化過程。典型的模擬包括固體中的熱傳導和非等溫流過程，有時是層流有時是湍流。導致模型更加復雜的是，材料參數與溫度和壓力有著很強的依賴關系。

Freels博士說：“我們之所以使用COMSOL Multiphysics，是因為它可以讓我高效的設計一個物理模型，并在我們的模型中加上各種各樣的實驗數據。大部分的軟件即使模擬一個簡單的問題都需要花費很多培訓的時間。而使用COMSOL Multiphysics，從接觸的一開始就能求解真實參數下的真實問題。”

   封裝有泵浦裝置的增壓器將外部環境和HFIR內部的低溫環境連接起來。如果空氣和熱泄漏進入裝置與氫混合達到一定的程度，將會引發火災或者爆炸。為了避免類似災難事故的發生，增壓器安置在安全泵的真空環境中。增壓器的兩個閘室上下縱向排列，之間用耐熱管連接。在變速循環器附近，增壓器的頂部，溫度接近300K。增壓器的底部通過豎管連接到主要傳輸管中，在那里氫氣溫度為18K，以8.1m/s的速度通過直接為1.25cm的傳輸管。在增壓器中，氫保持相對穩定。   

  當HFIR因為定期維護或者斷電而關閉時，在傳輸管中的氫必須收縮，這會將增壓器中的部分氣體吸到傳輸管中。如果增壓器中氫的溫度過高，混合后會使傳輸管中的氫溫度升高。混合氣體降低了氣體密度，會對變速循環器或者其他循環裝置元件造成損壞。增壓器下閘室中有足量的低于33K的氫阻止這些損害的發生。

    Freels博士利用COMSOL Multiphysics來判斷當HFIR停止工作后，增壓器中是否有足夠多的低溫氫組織問題的發生。他的模型耦合了非等溫流以及對流傳導模塊來對氫進行模擬，增壓器器壁采用薄傳導殼應用模式。他利用COMSOL Multiphysics中的自動插值特性將實驗數據插入模型中來處理氫參數的非線性改變問題。利用三次樣條函數或者線形插值方法將實驗數據以文本文件的形式讀入模型中。這樣COMSOL Multiphysics在每一次迭代過程中就能找到匹配的材料參數值。Freels博士說：“簡單的利用這些的插值函數，在提供的表單里就可以很容易的設置這些非線性材料參數。”   

   計算效率的提升主要來自于在增壓器薄器壁上使用殼單元。用3D的薄層描述增壓器器壁需要大量的網格單元。COMSOL Multiphysics的殼單元對沿著邊界的物理場進行模擬而不穿過邊界。Freels博士的模型中的器壁就變成了用相對粗分的網格來表示的2D表面。   

    Freels博士也通過將求解腳本與參數求解器聯合起來實現超松弛迭代方法。通過自動的對下閘室內氣體密度的積分，來決定在起冷卻作用的下閘室是否有足量的氫氣確保HFIR的安全運行。

靈活易用

  當Freels開始使用COMSOL Multiphysics之前，他已經建立了HFIR的熱傳導模型，但是還遠遠不夠，還需要模擬慢化劑腔中的非等溫流動。他開始接觸到COMSOL Multiphysics時先學習了一些模型庫中的例子，然后再開始處理他的問題：HFIR增壓器熱傳導模型（圖3b）。他滿腔熱情的說，“利用COMSOL Multiphysics建立模型非常的簡單。首先，我在用戶界面里利用內建的CAD工具創建了3D增壓器幾何模型，然后利用輸入表達式定義參數。從第一個模型中得到的溫度結果和利用其它軟件包（Abaqus, Nastran以及我們自己的程序）計算得到的結果一致。利用COMSOL Multiphysics處理問題可以省去很多的麻煩，并且可以得到和其它軟件一樣甚至更好的結果。”

   這就很容易解釋，為什么Freels博士在模型中增加非等溫對流和非線性參數之后就然不猶豫的放棄了他原來只考慮熱傳導的工作。模擬結果顯示緩慢循環實際上會產生的冷氫量要遠遠大于僅考慮熱傳導時的預測結果。Freels博士注意到：“我們通過將非等溫流仿真結果與實驗結果對比來確認模擬的結果正確性，實驗數據通過在實驗過程中增壓器器壁上加上溫度傳感器來獲得。這些模擬潛在回避了很多的問題，幫助我們省去了增壓器的再設計過程。如果一開始就利用COMSOL Multiphysics，我們早就完成了任務。”

圖4 來自反應器的中子在流入HB-4引導裝置之前要先通過慢化劑腔。冷卻

中子流的氫通過狹窄的入口進入慢化劑腔，然后擴散，方向旋轉180度，

在與中子相遇過程中吸收2.7kW的熱量，然后重新壓縮，從反方向流出。

   因為氫緩慢的進入慢化劑腔（圖4）中與中子流相遇，并降低流經此處的中子流的溫度，慢化劑腔因而得名。慢化劑腔是一個育兒袋狀的鋁質彎曲結構，在外部傳輸循環管的末端，在 HB-4的入口處（圖4）。當腔外壁會吸收自由中子時溫度會升高，同時腔內氫會吸收近似2.7kW的熱量。隨著溫度的升高，會觸發在腔壁的附近沿著邊界層的氫的非線性行為。甚至當維護而關閉反應時，它還會保持著很高的溫度而需要氫流的冷卻（圖5）。

圖5 Freels利用非等溫湍流模型得出的結果與實驗結果對比圖。圖中曲線是慢化腔壁溫度的仿真結果和NASA從火箭引擎實驗中得到的數據（方形）。

   當使用非線性材料參數模擬非等溫湍流一般來說是比較棘手的，Freels博士利用COMSOL Multiohysics用戶界面仍然能實現仿真。這突顯出COMSOL Multiphysics的優越性能。他的模型耦合了k-epsilon湍流應用模式和傳導對流應用模式，他還增加了額外的方程來說明非等溫效應。從圖5中可以看出他的仿真結果和NASA的實驗數據匹配，實驗數據是火箭噴管引擎在側壁上加熱時獲得。