SWITRIM程序的研制和使用概况.doc

2.9 SWITRIM程序的研制和使用概况邓柏权 黄锦华 冯开明 陈 志关键词 SWITRIM程序 氚投料量98第一个计算氚投料量在FEB聚变堆各个子系统中的分布及其随时间变化行为的数值模拟程序包SWITRIM研制成功。近5年来的使用情况表明其合理性得到国外同行的充分认可。取得了一些有创新性的成果。例如，我们在国际上首次指出聚变堆起动过程中的一种“氚坑深度和氚坑时间”新现象，它有些类似裂变堆中的“碘坑深度和碘坑时间”现象，但又是非常不同的问题。作者不但提出而且通过数值模拟解释了这种“氚坑深度和氚坑时间”新现象。以FEB设计为例子求解出FEB堆的氚坑深度为317 g, 氚坑时间为240 d，氚储备子系统中低谷时间为起动后第10天。这意味着我们能预测聚变堆起动过程中的最少氚储备量是多少？氚储备子系统中何时是最少氚储备的时刻？实现氚的得失相当的有效运行时间要多长？也能看到满功率运行（FPO）的任何时刻氚储备量及任何时刻整个堆系统中总的氚投料量是多少？结果表明FEB运行一年后可以足够起动3个与FEB同等级的聚变实验增殖堆。本文介绍SWITRIM 程序的有关使用说明。1 SWITRIM程序包组成和使用方法研制SWITRIM程序的目的是为FEB堆燃料循环设计、降低氚投料量、预示不同运行工况、正常和非正常事故状态下FEB中的氚对环境的影响作模拟。即把它看作与时间相关的问题, 划分为子系统进行动态模拟。把子系统之间氚流入和流出, 人为转移到另一子系统等过程用平均逗留时间方法来描述, 渗透损失, 放射性与非放射性损失速率等用时间的倒数分额，如等参数描述。SWITRIM 程序运行条件被编写成微机版, 只需要内存8 M以上的微机便可运行, 否则结果数据文件不能进行编辑, 同时在NDP21（2.1）编译系统下运行。为了便于本工作的计算，它被分成了3个可独立运行程序, 分别是: SWTIGLL，SWTLL和SWITRIM。FEB 总聚变功率为143 MW, 它是以液态锂作为氚增殖剂，高压氦气为冷却剂，微小的铍颗粒均匀混入在液态锂中作为中子增殖剂（铍同时也有附加的氚增殖作用）。设计按排内侧与外侧包层中子增殖率分别是0.65和0.45; 芯部聚变等离子体燃烧率为2.08%; 加料率为N1.073 。在“平均逗留时间”（MRT）提取氚模型的方程组中, 只有y0给出不为零的初值, 其余均为零, 且计算天数N在程序运行过程中不变。但在“理想零过程时间”（IZPT）提取氚模型的方程组中，方程y1，y2，y6 的初值不为零，不同的描述方法代表从液态锂中提氚的物理模型不同。文件说明如下： SWTGILL.F 是主源程序文件；而SWT. F是计算微分方程组子程序文件；WRIT. F 是为绘图程序 Origin 6.0 Professional 提供数据文件；通过import ASCII可自动将上万个数据自动填进绘图的 Datal sheet。SHU.DAT是输入数据文件，输入数据是根据包层结构安排、中子学计算和氚系统设计的物理模型和国内外氚工艺实验的数据来导出的。DENGG.DAT 是建立的临时中间文件。如果在运行程序之前没有这个文件, 必须先建立这个文件后, 然后再运行程序。计算过程中会实时动态屏幕显示计算结果。输入/输出文件情况如下。（1） 输入文件内容包括4条记录, 它们是:第一条记录程序变量名及其顺序与方程中的物理量对应关系，程序用变量名：bata, rn, ar1, ar2, b, gama, cgama, g, rda, t8, yy0, rr1, rr2, rr6；物理方程中用的符号为, N, 1, 2, b, , , g, , T, y0， y1，y2，y6；其中: yy0为第一个方程的初值； rr1为（理想零过程时间模型即IZPT模型）中y1随时间变动的初值描述；rr2 为IZPT模型中y2随时间变动的初值描述；rr6 为IZPT模型中y6随时间变动的初值描述；rr1, rr2, rr6在MRT模型中不用。第二条记录程序变量名及其顺序与方程中的物理量对应关系为：程序用tao i : i1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8； 物理方程中用的符号为：i， 1，2，3，4，5，6，7，10。第三条记录程序变量名及其顺序与方程中的物理量对应关系为：程序用rlami: i1，2，3，4，5，6，7，8，9；物理方程中用的符号i，1，2，3，4，5，6，7，9，10。第四条记录程序变量名及其顺序与方程中的物理量对应关系为：程序用ecoi: i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8；方程用符号i，0，1，2，3，4，5，6，9。以上是有量纲参数，即单位为“/d”（/每天）。 但是g, b,参数均为无量纲数据。注意: 在同一个记录中, 数与数之间用逗号分隔, 记录结束为空格。（2）输出文件主要在运行过程中, 程序将提示两次呼叫用户输入文件名, 第一次提示是要求用户输入结果文件名和堆需要连续满功率运行的天数。例如: input result file name & total time number ? 回答: deng21.dat 365 即可，然后再按回车键。这里，deng21.dat 即为以表格形式输出的计算结果。 同时运行中动态屏幕显示, 供用户检查运行情况是否正常，即要求运行365天或更长时间。第二次提示是为绘图程序 Origin 6.0 Professional 程序提供数据文件名。例如, 回答：grf，然后再按回车键。注意: 在grf 后不加.dat, 否则会出现提示你的字符太多。最后文件名是 grf.dat 提供给绘图用的格式数据。（3）操作过程主要在，（a）如果没有可执行程序时, 或输入参数有改动，需要进行源程序的编译, 则要进行重新编译，键入f77 swtigll. f，再回车，否则不做这一步。（b） 启动运行，键入：run386 swtigll，再回车，在运行中有两次提示, 在上面的输出文件中已说明。（4）调程序过程是指在方程中, 只有y0给出不为零的初值时, 其余为零,注意运行天数N（在程序中用N符号表示要求计算的时间与方程中的N为加料率不同），在程序运行过程中要改变的情况是，如设定为程序中的变量名为N101, 102, 204, 205和365等天时，即表示FEB堆运行101, 102, 204, 205, 365等天后的分布。文件说明：SWTLL.F为主源程序文件；SWT.F为计算微分方程子程序文件；WRIT.F 为绘图程序GRAFTOOL提供数据文件；SHU.DAT为输入数据文件；DENGG.DAT为临时中间文件。如果在运行程序之前没有这个文件, 必须先建立这个文件后, 然后再运行程序。其他部分与上面的方法相同。IZPT提氚模型是在方程中y0给出不为零的固定初值, y1和y2分别按1天和10天线性地变动初值；而y6则按1天和10天混合线性地变动初值（IZPT 模型提氚模型）, 且运行天数N在程序运行过程中不变。文件说明: SWITRIM.F 为主源程序文件；SWIT.F 为计算微分方程子程序文件；WRIT.F为绘图程序GRAFTOOL提供数据文件；SHU. DAT为输入数据文件；DENGG.DAT为临时中间文件。如果在运行程序之前没有这个文件, 必须先建立这个文件后, 然后再运行程序。其他部分与前面介绍MRT的方法相同。2 SWITRIM程序包应用举例我们知道在裂变堆（或核电站）停堆后再起动时偶尔会出现“碘坑”现象，如果剩余的反应性不够，则要经过一段时间“碘坑时间”才能恢复到正常功率运行状态。这是由于裂变产生的毒性非裂变产物碘-135经过衰变成氙-135情况下, 氙-135吸收中子的截面非常大，使反应性提升不到正常值，产生氙-135中毒所致。如果我们起动一个聚变堆时没有足够的最低氚储存量，也类似地要出现“氚坑”现象，从文献2, 3计算的FEB参考情况来看，得到的“氚坑深度和氚坑时间”如图1所示。从图1可见，对FEB参考情况，“氚坑深度”为317 g, 出现在运行后第10天，“氚坑时间”为大约240 d，这时产生“氚得失相当”，即重新回到起动时刻的氚储备量y00.9 kg。在满功率运图1 氚坑深度和氚坑时间11.1799 kg, 第365天； 20.9 kg； 30.317 kg; 40.583 kg，第10天。行年时刻y01.18 kg，它略大于3倍的“氚坑深度”，这意味着FEB运行1年后产生的氚可以起动3个FEB量级所需要的初始氚储备量。考虑到FEB还在增殖核燃料Pu239，如果不增殖核燃料Pu239，显然就能生产更多的氚。3 结 论SWITRIM的研制成功地为聚变堆氚系统设计和氚泄漏计算分析提供了一个有用的工具, 得到国外同行的认可。而且也得到一些新的研究成果。进一步改进同样可以用于预示ITER的氚增殖包层中各子系统中氚的分布和随时间的变化，只要根据包层设计的物理思想对动态子系统重新进行划分，再对联立方程组进行相应的改建即可。参 考 文 献1 Deng B Q, Huang Q R, Peng L L, et al. Measurement of Hydrogen Solubility Diffusivity and Permeability in HR-1 Stainless Steel. J. Nucl. Materi., 1992, 191 194: 653 2 Deng B Q, Huang J H. Mean Residence Time Method of Tritium Inventory Calc