耐事故燃料双重非均匀性RPT方法研究

采用体积均匀化方法计算含有弥散燃料或弥散可燃毒物的双重非均匀性的系统会带来一定的计算偏差。传统反应性等效物理变换方法(Reactivity-equivalent Physical Transformation,RPT)可以用来处理弥散燃料以及吸收截面随燃耗变化不剧烈的可燃毒物,但对于硼等吸收截面随燃耗变化剧烈的可燃毒物,传统RPT方法也会带来较大的计算偏差。本文对新型RPT方法进行了初步探索,使其不仅适用于传统RPT方法适用的弥散燃料和弥散可燃毒物类型,也适用于硼等吸收截面随燃耗变化相对剧烈的可燃毒物,为RPT方法的扩展和应用提供思路和借鉴。     

弥散燃料与可燃毒物双重非均匀性分析

采用传统均匀打混模型计算具有双重非均匀性的弥散燃料或可燃毒物会带来一定的计算偏差。从双重非均匀处理判定公式出发,分析弥散燃料或可燃毒物均匀打混模型计算偏差与各因素的关系,指出针对较高富集度或较大颗粒尺寸的燃料,以及相对较大尺寸可燃毒物颗粒,采用传统均匀打混模型会带来较大的计算偏差。RPT方法可以用来处理弥散燃料以及吸收截面不太大的可燃毒物,但对于硼和钆等吸收截面较大的毒物,RPT方法也会带来较大的计算偏差,同时对新型RPT方法进行了初步探索,虽依然不适用强吸收可燃毒物颗粒,但可以为RPT方法向强吸收体可燃毒物扩展提供思路和借鉴。     

弥散颗粒对中子学计算影响的初步分析

弥散颗粒燃料是一种先进的燃料元件形式,双重非均匀性是它的固有特性。本文基于弥散型燃料,使用MCNP程序对不同燃料颗粒直径、燃料富集度、燃料相体积、可燃毒物颗粒直径和可燃毒物类型的板栅元进行了分析,研究了双重非均匀性对中子学计算的影响,指出双重非均匀性在一定的尺寸下,对于纯燃料芯体板栅元影响较小,对含有弥散可燃毒物的板栅元影响较大,在反应性计算、临界安全分析时必须加以考虑。     

弥散颗粒型燃料特征线方法输运计算研究

弥散颗粒型燃料的中子输运问题因其特有的随机性和双重非均匀性难以直接使用现有输运方法进行求解。Sanchez-Pomraning方法借助更新方程,对特征线方法进行改进,使其能应用于弥散颗粒型燃料的输运计算中。本文对二维圆柱形弥散颗粒燃料输运问题进行了计算,数值结果表明：程序在不同颗粒填充率、不同颗粒尺寸、燃料颗粒与毒物颗粒共存的问题下均能保证较好的计算精度,反应性特征值绝对偏差大多低于100 pcm,仅在QUADRISO毒物颗粒填充时绝对偏差达到163 pcm。本文方法能满足弥散颗粒型燃料的输运求解要求,为新型燃料的设计研究工作提供了可靠的结果。     

双重非均匀子群参数制作研究

弥散颗粒燃料元件中燃料颗粒以随机形式弥散在基体中,难以获得确定几何。同时由于共振自屏现象的存在,呈现出一种双重非均匀系统。当前均匀系统产生的共振积分在双重非均匀系统中使用时,会在较低的共振能群产生一定的共振计算误差。为满足现有组件计算程序直接进行双重非均匀性共振计算的需求。基于Sanchez-Pomraning模型下的特征线固定源计算方法,建立一套双重非均匀共振积分表,最后结合子群方法实现随机介质燃料元件的共振计算。数值结果表明,考虑双重非均匀性产生的积分表,在相同的输运条件下和积分表的适用范围内,由子群共振部分对keff计算带来的绝对偏差能保持在200 pcm内。该工作的意义是对于一些不宜改动的传统组件程序,如HELIOS,通过在线修改共振积分表和子群参数,从而使其直接进行弥散颗粒燃料问题的计算成为可能。     

空间离散对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响

单栅元燃耗计算是全堆芯燃耗计算的基础，栅元空间离散对燃耗计算的结果有显著影响。弥散颗粒燃料由于双重非均匀性的存在，空间离散的情况更为复杂。本文基于ALPHA组件程序，分析了颗粒在平源区上归类的宏观离散方案与颗粒内部细分燃耗区的微观离散方案对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响。算例包括无毒物的UC颗粒单栅元，含Gd₂O₃层的QUADRISO颗粒单栅元和含UC颗粒与Gd₂O₃毒物颗粒的双颗粒单栅元。数值结果表明，无毒物栅元宏观需分3圈以上，含Gd₂O₃栅元宏观需分5圈以上；无毒物算例微观不需要分圈，含Gd₂O₃层的QUADRISO颗粒需在微观燃料区细分2圈，双颗粒问题的Gd₂O₃毒物颗粒微观需分12～15圈。     

全陶瓷微密封燃料有效多群截面计算方法研究

全陶瓷微密封（FCM）燃料是一种弥散颗粒燃料。由于弥散颗粒燃料存在双重非均匀性，传统的确定论方法及蒙特卡罗方法皆难以处理这种双重非均匀效应以获得有效多群截面。本文基于超细群方法建立FCM燃料的有效多群截面计算方法。为描述燃料棒内TRISO颗粒的非均匀性，在共振能量段，通过采用超细群方法求解包含TRISO颗粒的一维球模型得到超细群缺陷因子，通过超细群缺陷因子修正所有核素的超细群截面即可将颗粒和基质均匀化。由于TRISO颗粒在热能区也存在较强的自屏效应，在热能区，利用穿透概率及碰撞概率等价得到多群缺陷因子，通过多群缺陷因子修正所有核素的多群截面将燃料和基质均匀化。均匀化后的FCM燃料组件即可视为普通压水堆燃料组件进行共振计算。利用丹可夫修正因子等价得到FCM燃料组件各燃料棒的等效一维棒模型，对一维棒模型求解超细群慢化方程从而得到共振能量段的有效自屏截面。数值结果表明，该方法能有效处理FCM燃料的双重非均匀性，得到精确的有效自屏截面。     

改进弦长抽样方法开发及在弥散燃料蒙特卡罗模拟的应用

弥散型燃料广泛应用于高温气冷堆、事故容忍燃料、实验研究堆及核动力舰船等，是重要的燃料类型之一。弦长抽样(CLS)方法可简化弥散燃料几何建模，提高计算效率，然而传统CLS方法只能描述单种颗粒的填充，同时在高体积填充率时误差较大。针对CLS方法的两大问题，本文在自主化堆用蒙特卡罗程序RMC中开发了改进CLS方法，并应用于全陶瓷微胶囊封装燃料棒算例及含毒物颗粒的高温堆燃料球算例。计算结果表明，改进CLS方法可解决多种颗粒混合填充的问题，并且可保证体积填充率的准确性，为弥散燃料的临界及燃耗计算提供了高效、精确的方法。     

环形燃料超临界水冷堆中子学计算方法研究

基于先进组件程序HELIOS和堆芯节块法程序SIXTUS,研发了超临界水冷堆（SCWR）的中子学计算程序FENNEL-N,并通过与蒙特卡罗程序对比分析了其用于环形燃料超临界水冷堆计算的精度。组件验证结果表明：制作多群数据库的压水堆能谱与超临界水冷堆能谱的差异是导致计算误差的主要原因。堆芯验证结果表明：传统的组件均匀化方法在计算超临界水冷堆时会引入较大误差。应用FENNEL-N程序对组件均匀化方法进行了研究,结果表明,采用优化的组件参数少群结构能减少堆芯能谱变化对精度的影响,采用超组件模型计算组件参数可考虑反射层对组件参数的影响。采用新的组件均匀化方法后,FENNEL-N的计算精度满足了预概念设计需求。     

弥散颗粒毒物的多尺度耦合燃耗算法

弥散颗粒毒物具有特殊的空间结构和较强的空间自屏效应，在燃耗过程中容易出现微观分层现象。在数值模拟中，直接精细化求解将带来巨大的计算量和网格密度，具有一定的挑战。为此，本文提出了一种全新的基于多尺度耦合的燃耗计算方法：通过微观精细球层模型和宏观均匀栅元模型的耦合，将弥散颗粒介质的精细求解问题简化成对一个简单常规介质的快速求解，解决了弥散颗粒毒物在全局范围内精细燃耗求解过程中所面临的计算量大和网格密度高等问题，准确地表征弥散颗粒毒物的燃耗特征，为弥散颗粒介质的求解提供了一个新思路。经过初步验证，该算法在有效增殖因数、中子通量密度和核素核数密度等中子物理参数中有较好的表现。     

先进聚合物可燃毒物燃耗特性分析

针对当前新提出的先进聚合物材料(PACS),分析聚合物可燃毒物的材料特性与慢化特性,基于秦山核电厂与Crystal River Three两类堆型燃料组件,对比分析采用不同类型可燃毒物材料时组件的燃耗特性。结果表明:聚合物材料的慢化特性随含氢量呈线性变化关系,调节聚合物分子组成可以改变毒物的燃耗特性。相对传统的可燃毒物材料,先进聚合物可燃毒物体现了良好的毒物特性,全寿期具有更低的局部功率峰,在燃耗初期PACS聚合物可燃毒物有较低的初始k_(inf)值,而在燃耗后期释放高于1%的k_(inf)值,可燃吸收体核素B-10消耗更加充分,且具有较大的热通量,可提高热中子利用率,并促进裂变核素Pu的消耗。     

基于决策树的堆芯物理参数预测研究

反应堆堆芯核设计涉及大量方案的搜索与详细计算，缩短方案搜索时间有利于提高核设计效率。数据挖掘技术通过对大量数据进行学习与模式识别，可实现核设计方案物理参数的快速预测，更快地筛选出可行的备选堆芯方案。本文基于数据挖掘的决策树4种算法：C4.5、RepTree、Random Forest及Random Tree，在计算时以燃料富集度、含可燃毒物燃料棒数量及含量作为自变量，以寿期内k_eff不均匀系数偏差（KUCD）、径向功率不均匀系数偏差（RPNCD）、径向中子通量不均匀系数偏差（RFNCD）、堆芯寿期（CL）作为目标函数，构成目标函数符合度（CPF），利用大量已知核设计参数的组件及堆芯设计方案作为数据挖掘训练集，构建数据挖掘模型，并用于对未知核设计参数的组件方案集合（测试集）进行CPF快速预测。结果表明，4种算法利用训练集构建数据挖掘模型的时间在0.6 s以内，各算法的交叉验证精度均在0.7以上，其中C4.5算法对CPF预测精度最高；对测试集方案的核设计参数预测中，单个方案的预测时间均在0.9 s以内，而Random Forest算法对CPF等于4的预测效果最好。     

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。     

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。     

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。     

溶胶凝胶法制备U-Zr-Hf可燃毒物燃料主要影响因素研究

为研制辐照稳定性良好的整体型可燃毒物燃料，采用溶胶凝胶法制备U-Zr-Hf燃料，可实现可燃毒物与燃料的均布。本文研究了溶胶配制、分散胶凝、凝胶球洗涤、还原烧结过程的主要因素对燃料制备及性能的影响。结果表明:金属总离子浓度是在低温下导致溶胶粘度增加的主要原因；溶胶内金属离子体系是胶凝过程中影响稳定分散温度的主要因素；洗液与凝胶球体积比直接影响洗涤效果；烧结温度的增加促进了燃料的致密化，从U-Zr-Hf燃料的金相磨面照片可看出燃料表观完整，无破裂，内部致密。      

A novel concept of QUADRISO particles. Part II: Utilization for excess reactivity control

In high temperature reactors, burnable absorbers are utilized to manage the excess reactivity at the early stage of the fuel cycle. In this paper QUADRISO particles are proposed to manage the initial excess reactivity of high temperature reactors. The QUADRISO concept synergistically couples the decrease of the burnable poison with the decrease of the fissile materials at the fuel particle level. This mechanism is set up by introducing a burnable poison layer around the fuel kernel in ordinary TRISO particles or by mixing the burnable poison with any of the TRISO coated layers. At the beginning of life, the initial excess reactivity is small because some neutrons are absorbed in the burnable poison and they are prevented from entering the fuel kernel. At the end of life, when the absorber is almost depleted, more neutrons stream into the fuel kernel of QUADRISO particles causing fission reactions. The mechanism has been applied to a prismatic high temperature reactor with europium or erbium burnable absorbers, showing a significant reduction in the initial excess reactivity of the core.