基于蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法的堆坑粒子注量率计算

为有效解决大型复杂核设施屏蔽计算问题,研究了三维蒙特卡罗(MC)-离散纵标（S_N）双向耦合方法,通过自主开发接口程序实现MC粒子概率分布与S_N角通量密度之间的相互转换,实现MC-S_N双向耦合计算。将基于MC-S_N双向耦合方法的程序用于某反应堆堆坑底部粒子注量率计算。利用MC程序建立堆芯及堆坑处的精细模型进行计算,三维S_N程序用于堆芯下表面与压力容器底面之间区域的计算。通过MC-S_N-MC两步耦合计算,给出堆坑通道及小室内的中子和光子注量率。三维MC-S_N双向耦合方法计算结果与单一MCNP程序结果吻合较好,初步验证了该方法是解决大型复杂核装置屏蔽问题的有效工具。     

基于三维MC-SN耦合方法的PWR压力容器快中子注量计算基准分析

蒙特卡罗(MC)-离散纵标(SN)耦合方法是解决同时具有复杂几何和深穿透特点的核装置屏蔽问题的有效方法。本文首次将三维MC-SN耦合方法应用于压水堆屏蔽计算。针对NUREG/CR-6115压水堆基准模型,选取热屏蔽内表面为公共交界面,将其分为几何复杂的MC模拟区和具有深穿透特点的SN模拟区。三维MC程序用于精确描述堆芯到热屏蔽精细模型,并记录穿过热屏蔽内表面的中子径迹信息。接口程序将中子径迹转换为SN计算所需的边界源,提供给三维SN程序进行热屏蔽到压力容器的计算。计算结果包括压力容器内表面、1/4壁厚处及焊缝处快中子注量(E>1.0 MeV)圆周方向分布。三维耦合方法计算结果与基准报告提供的MCNP、DORT结果符合良好,验证了该方法处理圆柱坐标系屏蔽问题的有效性和程序使用的正确性。     

基于CFD的池式快堆多物理耦合分析方法研究

基于临界/次临界点堆中子动力学模型、燃料棒传热模型、热交换器和多孔介质等辅助热工水力模型，采用显式迭代和动态链接库技术（DLL），利用商用计算流体力学（CFD）程序FLUENT的用户自定义函数（UDF）实现中子动力学、燃料棒热传导等和快堆堆池冷却剂流动换热的耦合计算，开发池式快堆多物理耦合计算程序CFD/PF。采用CFD/PF开展小型自然循环铅铋快堆SNCLFR-10无保护超功率事故（UTOP）模拟，并与国际知名快堆多物理耦合分析程序SIMMR-III的计算结果开展Code-to-Code对比分析。研究结果表明:CFD/PF与SIMMER-III的分析结果吻合良好，耦合程序的开发取得了初步成功，可用于分析池式快堆堆池内的复杂三维流动和换热现象。      

三维多群六角形几何中子扩散程序开发

本文基于解析基函数展开方法求解中子扩散方程的原理,利用满足中子扩散方程的解析基函数,将节块内的各群中子注量率近似展开。为提高该方法的计算精度,节块间耦合条件采用面中子注量率和面中子净流连续。节块间耦合条件的选取需利用源迭代法来求解中子扩散方程。源迭代中的内迭代选用加速的高斯 塞德尔方法,外迭代采用Lyusternik-Wagner外推加速收敛技术。针对中子注量率收敛慢、有效增殖因数收敛快、内迭代方程组系数矩阵更新耗时的特点,采用一种新的加速方法--一次外迭代多次内迭代的方法。基于以上理论模型,发展了三维多群六角形几何中子扩散程序HANDF-D,对三维二群vver440基准题、高通量堆临界实验2、三维四群热堆问题、三维七群快堆问题计算的结果表明,该方法能准确快速地给出堆芯有效增殖因数和功率。     

六角形组件源项计算方法研究

为了满足水-水高能反应堆（VVER）或快堆屏蔽计算需求，编写了离散坐标（SN）和蒙特卡罗（MC）六角形组件源项计算程序，并且在VVER堆型上进行了验证。数值结果表明，对于吊篮内表面到压力容器外表面径向的三群中子和光子注量率分布，SN和MC计算得到的大部分中子和光子计算偏差小于30%，证明理论模型和程序是正确的，可以用于VVER或快堆的屏蔽计 ?      

求解深穿透问题的能量偏倚减方差方法

采用堆用蒙特卡罗程序（RMC）进行反应堆屏蔽计算时，面临着深穿透的技术难题。通过分析中子在屏蔽层中的输运过程，证明了各能群的中子都满足穿透率守恒。在RMC中开发了基于穿透率守恒的自适应局部减方差方法，该方法可以快速计算出指数重要性函数和等梯度重要性函数，对中子的空间位置和能量值同时进行偏倚，高效地求解出深穿透区域的能谱分布。用工程常用的混凝土和水屏蔽层进行测试，计算结果证明:该方法可以高效地求解深穿透问题，提高RMC的计算效率。      

基于离散纵标输运计算方法的三维燃耗程序发展研究

为了精确描述和分析具有强烈各向异性中子注量率空间分布的反应堆燃耗过程,本文实现了三维SN 输运计算与燃耗计算的耦合,发展了相应的三维输运燃耗耦合计算程序.该程序系统采用接口程序自动耦合三维SN输运计算程序和同位素燃耗计算程序的方法实现对三维中子学计算模型的精细燃耗计算,获得燃料同位素成分、燃耗反应性、中子注量率空间分布等参数随燃耗时间的变化量.采用IAEA 基准校核例题对程序系统进行了校核,计算结果初步证明了所开发的三维燃耗程序系统的正确性.     

压水堆核电厂放射性活化源项计算

研究反应堆相关结构材料活化源项,对核电厂设计、运行及退役都有十分积极的意义和价值。本文利用离散纵标程序DORT计算反应堆堆腔内的中子注量率空间分布情况,通过数值解析的方法计算反应堆堆腔内主要结构材料中活化产物的活度浓度,进而计算活化源强(即γ射线源强,表征γ射线发射率与γ射线能量的关系),分析并建立一套空间分布活化源项研究体系,并与基于点燃耗模型的ORIGEN程序计算结果进行比较。计算结果表明,在活化源强计算中,基于离散纵标法的活化源强计算方法,在堆内构件等中子注量率变化明显之处拥有显著的精度,而ORIGEN程序则比较适合于厂房空间及主设备等中子注量率变化不明显之处。     

三维离散纵标和蒙特卡洛混合方法研究

对于深穿透类型的屏蔽计算,为了得到较为可信的统计结果,蒙特卡洛(MC)方法需要模拟大量的粒子,巨大的计算时间是其存在的主要问题。源偏倚和权窗技巧能够有效地降低深穿透问题的计数误差。本文开展了三维离散纵标(SN)方法-MC混合方法研究,根据SN方法的共轭注量率计算并生成了源偏倚和权窗参数,编写了MCNP程序的源抽样子程序,并且在秦山核电厂一期测量值基础上进行了验证,成功应用到CAP1400反应堆压力容器快中子注量率计算中。数值结果表明,对于深穿透屏蔽计算问题,和无偏的MC方法相比,三维SN-MC混合方法能够在保证结果精度的前提下,提高计算效率1~2个数量级。     

基于离散纵标法与蒙特卡罗方法的三维耦合程序开发

辐射屏蔽设计是核装置工程设计的核心内容之一。单一的离散纵标法(比如SN)或蒙特卡罗方法(MC)在大型核装置屏蔽计算分析方面均存在一定限制。为了满足大型复杂核装置精确辐射屏蔽计算要求,本文实现了三维SN-MC耦合方法,并发展了相应的三维耦合程序系统。该程序结合了SN方法解决深穿透问题的优势和MC方法模拟复杂几何的长处,克服两种方法的缺点,为保证屏蔽系统优化设计的质量提供有力的技术支持。采用接口程序和MC自定义源抽样程序将SN计算得到的粒子角注量率转换为MC计算所需的源粒子信息,为下一步MC计算提供源项,实现三维SN-MC耦合输运计算。采用MC、SN、SN-MC耦合三种方法对直角坐标系和圆柱坐标系下的测试例题进行了计算比较分析。计算结果吻合良好,初步证明了所开发的三维SN-MC耦合程序的正确性。     

Application of High Performance Computing Analysis Technology in Shielding Design of Large Sodium-cooled Fast Reactor

The sodium-cooled fast reactor container is an integrated pool structure composed of numerous internal components and complex structure. The anisotropy is obvious and the deep penetration problem is serious in the process of neutron transport from core to biological shielding. The calculation of three-dimensional S_N method in large scale is the bottleneck restricting in the design of fast reactor shielding. By combining with high performance computing technology, the parallel computing scheme is used to solve the anisotropic three-dimensional deep penetration shielding calculation in the fast reactor. In this paper, the China Demonstration Fast Reactor (CFR600) reactor block was taken as the research object. Using JSNT-CFR code, the neutron flux rate, photon flux rate, and dose rate in the reactor block were calculated in detail. The calculation results were compared with those of the existing two-dimensional code. The results show that combining the traditional shielding calculation method with high performance computing can meet the requirements of CFR600 reactor block shielding calculation accuracy, and obtain a more comprehensive three-dimensional display effect. It can solve the problem of shielding calculation of complex problems such as complex model and particle penetration depth. It has obvious advantages and provides strong support for the large sodium-cooled fast reactor shielding design.     

三维离散纵标方法在反应堆精细屏蔽计算中的应用研究

随着计算能力的发展,三维离散纵标方法(SN)已逐渐为反应堆辐射屏蔽计算的主流方法之一。本文就三维SN方法应用于反应堆的精细化屏蔽建模与分析的关键问题进行了研究,主要包括精细化几何建模、堆芯固定源模型的创建和数据库截面参数敏感性分析等内容。在此基础上,本文以典型的压水反应堆为对象,构建了精细的三维SN计算分析模型,以压力容器快中子注量率为算例,完整实现了反应堆的精细化三维SN建模与分析,并将三维SN结果和蒙特卡罗方法的计算结果进行了比较分析。对比结果表明,精细化三维SN方法具有较高的计算精度,验证了三维SN方法在反应堆精细屏蔽计算问题中的有效性和正确性。     

钠冷快堆系统程序FR-Sdaso开发

为解决600 MW示范快堆（CFR600）事故分析和工况设计中的实际问题，自主开发了钠冷快堆系统程序FR-Sdaso，其建模范围包括堆芯、一回路、二回路、三回路、四回路和事故余热排出系统，主要物理模型包括点堆模型、单通道堆芯热工模型、多区钠池模型、四区蒸汽发生器模型等核岛设备或部件分析模型，汽轮机、凝汽器、给水加热器、除氧器等常规岛设备采用集总参数模型，泵、阀门、管道及控制体等采用通用模型。对程序进行了初步验证，结果表明，FR-Sdaso程序可用于分析全厂瞬态工况及超功率、失流、失热阱等典型事故过程。目前，FR-Sdaso程序已用于CFR600的设计和安全分析。     

Development of System Code FR-Sdaso for Sodium cooled Fast Reactor

To solve actual problems in the accident analysis and working condition design of the 600 MW demenstration fast reactor (CFR600), the sodium-cooled fast reactor (SFR) system code FR-Sdaso was developed, which could be used to model the reactor core, primary system, secondary system, tertiary system, quadruple system and the decay heat removal system of the SFR. The physical models can be divided into three categories: The models for nuclear island equipment including point reactor model, single-channel core thermal model, multi-zone sodium pool model and four-zone steam generator model, etc., the lump parameter models for conventional island equipment, including turbine, condenser, feed water heater, deaerator, etc., and the general models for pump, valve, pipe and control volume. Preliminary V&V work for FR-Sdaso was conducted, and the results show that FR-Sdaso can be used to analyze the transient conditions of the whole plant and typical SFR accidents such as overpower, loss of flow, and loss of heat sink. FR-Sdaso was used in the design and safety analysis of the CFR600.     

NPDMC中子和光子耦合输运孔道计算三维蒙特卡罗程序

ＮＰＤＭＣ是一个我国研制的多群中子和光子耦合输运的三维孔道计算蒙特卡罗程序。该程序配备了国内制作的８７群中子和２５群光子截面数据库,在程序设计中,采用了一些独特的方法和技巧,成功地解决了蒙特卡罗方法应有和到辐射屏蔽计算中所遇到的“深穿透”和“小概率”等难题。ＮＰＤＭＣ程序可以计算各种类型的研究性反应堆和动力堆中的管道,束孔和缝隙的中子能量,能谱,剂量率和γ光子通量及剂量率等。     

SPRR-300反应堆混凝土屏蔽层内中子注量率分布研究

采用MCNP程序与ANISN程序结合的计算方案获取了SPRR-300反应堆混凝土屏蔽层内的中子注量率分布情况，同时采用固体核径迹探测器测量了混凝土屏蔽层外低水平中子注量率，两者吻合较好，说明了计算结果的可信性。上述结果为反应堆退役工作提供了放射性源项的计算依据。     

基于蒙特卡罗方法的微型钠冷快堆堆芯物理设计计算

应用MCNP-4C程序为微型钠冷快堆(MFR)概念设计建立了精确的物理计算模型,并对其临界物理特性、中子注量率分布、功率分布和反应性控制进行详细计算.结果表明:MFR的基本物理特性满足堆芯物理设计要求和设计目标,堆芯功率密度和中子注量率分布均匀合理;控制系统能实现安全有效的反应性平衡,满足反应堆长期运行的需要.     

一种求解反应堆中子扩散方程和输运方程的方法

结合反应堆中子物理方程的特点和非结构网格技术，提出了一种在任意网格下求解反应堆中子物理方程的方法。以反应堆中子扩散方程和一阶离散纵标的输运方程为例，从空间离散、方程离散和边界条件实施等方面介绍了该方法的实施过程。利用该方法编制的程序计算了BN-600基准题、CFR1000概念堆和BWR栅元3种情况的有效增殖因数，并与其他程序的计算结果进行了对比，初步验证了该方法的合理性。     

First 3-D calculation of core disruptive accident in a large-scale sodium-cooled fast reactor

The SIMMER-IV computer code is a three-dimensional fluid-dynamics code coupled with a fuel-pin model and a space- and energy-dependent neutron transport kinetics model. The present study has attempted the first application of SIMMER-IV to a core disruptive accident in a large-scale sodium-cooled fast reactor. A principal point of this study was to investigate reactivity effects with fuel relocation under three-dimensional core representation including control rods. The calculation has indicated that the fuel discharge from the core was disturbed by a significant flow resistance at the entrance nozzle in the current design. Additional static neutronic calculations have been performed to compare basic neutronic characteristics between different scale cores. The static neutronic calculations have clarified that the outward fuel compaction within the inner core increased the reactivity in the large-scale core unlike the small-scale core.