SARCS-4程序系统临界物理模拟实验验证

SARCS-4程序系统是中国核动力研究设计院自主研发的新一代中子学程序包,需对程序展开工程验证,完善理论模型,提高计算精度。利用成熟燃料元件,设计并制造出与新型燃料组件结构相似的模拟组件。利用模拟组件构造了3种堆芯布置并进行模拟实验,验证SARCS-4程序系统的正确性和可靠性。按照单变量准则和多样化准则,考察控制棒、可燃毒物棒、围板和堆芯布置等因素。模拟实验临界棒位校核分析表明:堆芯泄漏、围板效应、控制棒和可燃毒物棒效应是影响校核精度的主要因素,SARCS-4计算程序系统对模拟实验的整体计算精度相对较高,特殊布置堆芯仍需进一步提高计算精度,后续将通过进一步的实验和研究开展持续验证和改进。     

堆芯中子学程序系统SARCS-4.0的开发及初步验证

开发了堆芯中子学程序系统SARCS-4.0,该程序系统能处理由任意方形燃料组件组成的堆芯;能计算铀钚、钍铀燃料循环;能计算硼、钆、铒、铪、银、铟、铕、钐等各类可燃毒物和含硼、铪、银-铟-铬、铕、镝等各类控制棒;具备堆芯核设计的基本功能.使用SARCS-4.0系统对超临界水冷反应堆(SCWR)堆芯进行计算以验证程序系统的计算准确性,结果表明,SARCS-4.0系统具有较高计算精度,该系统从功能上、精度上均适用于新型反应堆堆芯选型研究.     

超临界水冷堆CSR1000反应性控制方法研究

超临界水冷堆完全依靠可燃毒物及控制棒进行反应性控制,因而可燃毒物布置方案及控制棒管理方案是其堆芯设计的关键。通过燃料组件反应性计算分析,本文选取Er2O3作为与UO2燃料混合的可燃毒物,以及与沸水堆类似的十字形控制棒,然后利用三维堆芯物理热工耦合计算方法,进行控制棒管理方案设计,建立满足总体及安全性设计要求的超临界水冷堆CSR1000平衡循环堆芯,并对堆芯关键设计参数进行评价。     

改进双排棒组件超临界水堆堆芯设计

为了提升堆芯性能,本文对现有的双排棒组件设计及堆芯设计方案进行了优化,并利用超临界核热耦合计算平台评估了优化后的方案。在组件设计中,为了减少寿期末堆芯中可燃毒物残余,优化了组件中可燃毒物棒的位置及可燃毒物含量。在堆芯设计中,为了延长堆芯寿期、降低包壳温度,对堆芯给水分配方案、换料方案及控制棒方案进行了一系列的优化。耦合计算结果表明,改进后的堆芯设计方案满足设计准则,堆芯寿期、卸料燃耗和包壳温度等参数均优于原方案。     

基于Monte Carlo方法的压水堆相关组件内热源计算与分析

堆芯中核燃料发生裂变时,伴随产生极强的中子及γ辐射,这些辐射在燃料组件中发生能量沉积,产生热应力、辐照损伤等诸多影响反应堆安全运行的因素.尤其对于新型含钆可燃毒物棒组件,国内对此方面的研究需要进一步开展.采用三维蒙特卡罗输运计算程序MCNP和基于ENDF/B的连续截面数据库,对压水堆18个月长、短周期装料方式的堆芯相关组件内热源的释热率分布进行详细计算,计算得出控制棒、阻力塞棒和新型含钆可燃毒物棒释热率精确计算值,并对不同版本数据库中部分关键核素截面对计算结果的影响进行比较分析,为核反应堆堆芯设计提供参考.     

百万千瓦级压水堆核电站长燃耗堆芯钆可燃毒物优化研究

对百万千瓦级参考核电站长燃耗堆芯（１８个月换料）采用的可燃毒物（钆）含量与堆芯燃料管理主要结果进行了分析研究。该研究采用先进的燃料管理程序系统,对不同可燃毒物含量和不同可燃毒物棒根数的燃料组件进行了计算,给出了组件无限增殖因子（ｋｉｎｆ）随燃耗的变化关系,据此对参考堆芯采用相同的装载进行了４种方案燃料管理计算。计算结果表明,对于堆芯燃料管理,采用低可燃毒物含量、含可燃毒物棒数多的装载方案明显优于高可燃毒物含量、含可燃毒物棒少的堆芯装载方案。     

超临界水冷堆可燃毒物设计与分析

在超临界水冷堆中,为了减少控制棒的使用,采用加入可燃毒物的方式控制初始剩余反应性。目前广泛采用的是稀土氧化物弥散在燃料中的整体型可燃毒物设计。通过对比4种常用的稀土氧化物,选择Er₂O₃作为可燃毒物材料。分析了不同可燃毒物布置方案对组件性能的影响,在不同可燃毒物含量下对组件安全性进行了评价。分析了可燃毒物对堆芯性能的影响,发现加入可燃毒物有利于降低堆芯径向功率峰,但会增大轴向功率峰并使其往堆芯顶部偏移。通过对该现象的分析,提出了降低堆芯底部温度和增大轴向富集度梯度的改进措施。计算结果表明,优化后的堆芯轴向功率峰明显降低,从而降低了最大包壳温度。     

压水堆功率分布控制与运行

一、概述理论分析计算表明:一个无干扰圆柱形裸堆轴向功率成余弦分布,径向功率成贝塞尔函数分布。在无棒条件下,压水堆轴向功率分布成近似余弦分布,而径向功率分布可以通过燃料的不同浓度分区布置、可燃毒物棒和控制棒的径向对称布置、最佳控制棒分组和提(插)棒程序等设计措施来展平,并可以精确地预测。所以,研究堆功率分布主要是研究堆轴向功率分布。堆功率分布在运行中是变化的。慢化剂温度效应、可燃毒物效应、多卜勒效应和功率水平效应等     

IFBA/WABA可燃毒物元件的燃耗特性分析

针对AP1000反应堆采用的燃料元件表面涂硼毒物(IFBA)和湿式环状可燃毒物棒(WABA),分别采用蒙卡程序MCNP5和组件均匀化计算程序CASMO构建含可燃毒物的燃料组件计算模型,基于MCNP5分析了可燃毒物棒布置方式及数目对组件初始k_(inf)、局部功率分布的影响;基于CASMO分析了不同类型可燃毒物组件的燃耗特性。结果表明:在燃料表面涂硼作为可燃毒物具有良好的燃耗跟踪特性,燃耗寿期内k_(inf)变化较小且几乎没有残留;同时将含IFBA毒物燃料元件交叉布置可获得较小的组件初始k_(inf)值,并能更好地展平组件局部功率分布,但随IFBA涂层变厚,组件k_(inf)的变化率逐渐变小,但温度系数绝对值呈上升趋势。     

长寿期小型棒控压水堆控制棒方案研究

小型棒控压水堆舍弃了可溶硼,并高度依赖控制棒与可燃毒物棒控制堆芯的反应性。为研究控制棒对堆芯关键性能的影响,本文以核动力破冰船用KLT-40模型为对象,以轴向功率偏移、堆芯寿期、燃料利用率与径向功率峰因子为指标,开展长寿期小型棒控压水堆控制棒布置与动作策略设计分析。首先,基于OpenMC程序开发带棒燃耗程序;其次,比较堆芯带控制棒与无控制棒运行时的堆芯寿期等指标;最后,分析不同动作策略对轴向功率偏移等指标的影响。结果表明：控制棒将堆芯寿期从590 EFPDs（等效满功率天,Effective full power days）延长至650～698 EFPDs;低价值棒组优先动作策略使轴向功率偏移程度由-0.69与+0.80分别下降至-0.29与+0.52。因此,要准确计算长寿期压水堆寿期必须采用带控制棒燃耗计算策略,并且通过合理的动作策略能够有效减小控制棒带来的轴向功率偏移。     

MCNP程序在反应堆可燃毒物控制棒计算中的应用

以秦山核电厂一期工程反应堆为例，运用基于蒙特卡罗方法的MCNP程序建立了模拟计算模型，构建出反应堆压力容器内堆芯组件成分及排布，利用MCNP程序中的KCODE卡计算了反应堆中可燃毒物棒数量和位置的变化对有效增值系数Keff值的影响。结果表明，在不考虑控制棒和化学补偿控制对反应堆Keff值影响的情况下，随着可燃毒物棒数量的增多，Keff值呈线性下降的趋势，当毒物棒的布局由密到疏时，Keff值由大变小，这与理论结果一致。     

Validation of the nuclear design code system for the HTTR using the criticality assembly VHTRC

The high temperature engineering test reactor is the first block-type HTGR designed for a 950 °C outlet gas temperature which uses low-enriched uranium fuel with burnable poison rod. For validation of the nuclear design code system for the HTTR, a critical assembly of VHTRC had been constructed. The calculation uncertainties of effective multiplication factor, neutron flux distribution, burnable poison reactivity worth, and control rod worth, temperature coefficients were evaluated. Calculation accuracy of a Monte Carlo code is also evaluated.     

颗粒可燃毒物空间自屏效应分析研究

可燃毒物被布置于反应堆堆芯中以控制堆芯剩余反应性,颗粒可燃毒物由于空间自屏效应而具有区别于常规均匀弥散可燃毒物的特性,同时颗粒可燃毒物可以增加可燃毒物的使用自由度,通过调整可燃毒物类型、可燃毒物颗粒尺寸以及可燃毒物体积份额以实现堆芯反应性的长期和平稳控制。本文重点研究颗粒可燃毒物的颗粒尺寸对系统反应性以及颗粒内有效核素核子密度变化规律的影响,并解释颗粒可燃毒物由于空间自屏效应而产生的"洋葱"效应,同时对比分析了多种常见可燃毒物不同颗粒尺寸下的中子学规律,对颗粒可燃毒物用于堆芯反应性控制具有重要的指导意义。     

Development of Hydride Absorber for Fast Reactor—Evaluation of Design Method for Hydride Absorber Rod—

A hydride control rod is being developed to improve the economy of fast reactor plants because it has a longer lifetime than the currently used B₄C control rod. A hydride burnable poison rod is also under development to reduce the number of control rods by decreasing core excess reactivity. Hydrogen in the hydride control rod causes neutron spectrum interference between the fuel and control rod regions. Thus, the study on core design was performed with the continuous-energy Monte Carlo code MVP using the nuclear data library JENDL-3.3 to deal with this phenomenon precisely. To evaluate the applicability of MVP to hydride absorber rod design, two benchmark calculations were carried out. One of them is a hydrogen-contained metal fuel fast core constructed in Fast Critical Assembly (FCA) and the other is the Nuclear Safety Research Reactor (NSRR) core where zirconium-hydride fuel (U-ZrH_1.6) rods are loaded. These benchmark calculations and the design study on a fast reactor core with hafnium-hydride control rods have revealed that MVP is a reliable tool for hydride absorber rod design.     

Analysis of SHE Critical Experiments by Neutronic Design Codes for Experimental Very High Temperature Reactor

Analyses have been performed on various experiments conducted using the Semi-Homogeneous Experimental Assembly (SHE) to examine the accuracy of computer codes employed in the neutronic design of experimental Very High Temperature Reactor (VHTR). The neutronic design codes are DELIGHT-6 to obtain the neutron spectrum of a fuel cell and to produce group constants with burnup utilizing the nuclear data from ENDF-B/IV, CITDEGA to calculate the three-dimensional core performance considering the coupling effect between neutronic and thermohydraulic characteristics, and ANISN-JR and TWOTRAN-II for transport calculation. These codes are examined by the analysis on the integral quantities of effective multiplication factor, neutron flux distribution, burnable poison rod worth and control rod worth. The maximum degrees of disagreement with the relevant experiments are 0.57, 5, 7 and 5%, respectively.     

200MW低温供热堆的物理设计

介绍了200MW 低温供热堆的物理设计及使用的计算软件。讨论了堆芯装换料,水铀比的选取以及过剩反应性的控制等问题。并结合首炉堆芯设计着重论述了钆可燃毒物的特性及设计问题。     

可燃毒物提高小型压水堆堆芯寿期研究

针对长寿期堆芯的应用需求,开展了提高小型压水堆堆芯寿期研究。以棒状燃料为对象,对不同栅格尺寸和不同可燃毒物的选取进行计算,得出小型压水堆堆芯寿期相关影响因素。通过对不同尺寸的燃料栅格进行输运 燃耗计算,得到燃耗最佳栅格尺寸。以燃耗最佳栅格尺寸建立组件,并选择转换性能好的锕系核素²⁴⁰PuO₂作为可燃毒物,利用²⁴⁰Pu吸收中子转换成易裂变核素²⁴¹Pu的特性,对堆芯实现反应性控制和寿期延长。本研究通过对燃料栅格尺寸和可燃毒物的合理选择,提高了燃料利用率,达到延长堆芯寿期的目的。     

长寿期压水堆颗粒弥散可燃毒物中子学设计与分析

为实现长寿期压水堆的低硼运行,对颗粒弥散可燃毒物进行了中子学设计与分析,颗粒弥散可燃毒物的自屏效应可通过颗粒半径进行调节,能实现可燃毒物消耗和燃料燃耗的较优匹配。本文选取目前压水堆常用的快燃耗可燃毒物B、Gd为对象,研究了颗粒弥散可燃毒物不同颗粒半径和填充份额对组件中子学特性的影响。结果表明,颗粒弥散可燃毒物能实现长期稳定的反应性控制,其中BISO含硼弥散颗粒符合长寿期压水堆低硼运行的要求,适合作为长寿期压水堆的候选可燃毒物进行下一步研究。