基于组件计算的燃耗实验基准题建模分析

组件计算在堆芯核设计中占有重要地位。组件程序的燃耗计算精度对核反应堆堆芯的功率分布、换料寿期及反应性控制设计方面具有重要意义。为了评估用于堆芯燃耗计算的多群常数库的准确性,本文运用DRAGON计算程序建立了燃耗实验计算模型,采用SFCOMPO-2.0燃耗实验基准题提供的乏燃料样品燃耗历史参数及最终核素组分信息,对Takahama-3反应堆、H.B. Robinson-2反应堆及Beznau-1反应堆系列样品进行了建模计算,并将计算结果与SFCOMPO-2.0数据库中的基准实验结果进行了对比和分析。结果表明:多数核素的模拟结果与基准值符合良好,误差在10%以内。同时本文对理论计算值与基准实验值存在差异较大的几种核素进行了相应讨论,并对样品计算结果进行了对比分析。     

LawrenceLivermore脉冲球基准检验分析

基于LLNL脉冲球基准实验,采用连续能级的蒙特卡罗程序MCNP,对中国评价核数据库CENDL一3中的6Li、7Li、9Be、C、MO、玛F、Fe、Pb等8种材料的微观评价数据进行了基准检验计算,并将计算结果与实验值以及基于ENDF／B—VII库、JENDL-3．3库、JEFF-3．1库的计算结果进行了比对。     

CENDL-3．1 ^16O的基准检验

利用泄漏中子角通量谱实验FNS，对CENDL-3．1b0版的^16O全套中子评价数据进行宏观检验。检验工作比较了基于评价核数据库CENDL-2．1，3．0、3．1b0、ENDF／B—VII．0和JENDL-3．3 5个不同版本的^16O的中子角通量谱的计算值和实验测量值（图1、2）。     

压水堆燃耗数据库的制作与验证

基于评价数据库ENDF/B-Ⅷ.0和EAF-2010研制了一套适用于CINDER90程序的压水堆用燃耗数据库,该数据库包含中子反应截面、衰变数据和裂变产额数据3部分。中子反应截面的加工分为两步,首先采用Inverted Stack算法和CRECTJ6程序将EAF 2010库的截面分支比融入ENDF/B Ⅷ0库全套中子评价数据,然后用NJOY2016程序处理成63群截面。衰变数据和裂变产额数据分别由MF8/MT457和MF8/MT454数据加工得到,裂变产额数据共包含36个裂变核的60组产额数据。以SFCOMPO 20中Takahama 3压水堆燃料组件为基准题,对研制的燃耗数据库进行了验证。结果表明,本文制作的燃耗数据库的方法是正确的,对于某些核素,如242Amm,制作的数据库比自带库的计算结果更接近实验值。     

69群库的热堆基准检验

用ＮＳＬＩＮＫ程序系统将当今４个最新的评价核数据库中的有关核素加工制作成了ＷＩＭＳ６９群结构的ＡＭＰＸ主库，用校正后的ＰＡＳＣ－１程序系统计算了美国截面评价工作组推荐的１０个热堆基准装置的积分量，并与国外同类计算做了比较，结果符合较好。用ＮＪＯＹ程序系统又制作了上述４个评价库的ＴＰＦＡＰ程序接口的６９群库，用ＣＭＢ程序计算了６个栅元装置的ｋ∞，并对结果进行了分析比较。     

燃耗截面基本库对输运燃耗耦合计算的影响分析

基于蒙特卡罗中子输运程序和ORIGEN2点燃耗程序的蒙特卡罗输运燃耗耦合计算方法应用广泛。但现有评价库中子连续截面的核素个数远小于燃耗计算涉及到的核素数量,即通过输运计算得到的燃耗截面不足以完全替代燃耗计算的基本库。采用经过栅元验证的蒙特卡罗燃耗程序MCBMPI,对最新的VERA燃耗计算基准题进行验证计算,对比分析不同的燃耗截面基本库对输运燃耗计算的影响。分析结果表明:1)在实际应用中尽量不要采用典型热中子截面库,会带来较大偏差;2)在燃耗计算核素替换较多的情况下,对该基准题而言,选取典型压水堆基本库还是典型快堆基本库,对结果影响不大,二者keff偏差在8‰以内,燃耗末期235U偏差在4‰以内,135Xe偏差在5‰左右;3)建议选取与研究对象能谱相近的基本库。     

压水堆堆芯三维燃耗分析

本文介绍三维粗网燃耗分析模型及计算程序,并着重研究了截面参数局部燃耗修正,温度反馈效应,部分长度可燃毒物棒的应用以及二维计算与三维计算结果的差异。从一个45万千瓦(热)堆芯的三维燃耗分析所得出的有关结论,对改进压水堆堆芯设计和燃耗分析是很有意义的。     

MCNP-ORIGEN耦合通用程序(MOCUP)的基准验证与实用化

本文的目的是将MOCUP程序实用化，以用于燃耗分析。选取了2个资料完整的基准问题以验证MOCUP程序本身和应用方法。一个基准题是压水堆的栅元燃耗问题(含3种状况)；另一个是快堆的燃耗问题。适当选取程序的有关参数后．将MOCUP的计算结果同实验结果和／或其它程序计算结果相比较．可得如下结论：①除极个别特例外，MOCUP程序计算得到的同位素成分结果处于其它程序计算结果的范围之内；②与实验测量数据相比。MOCUF程序计算得到的锕系元素浓度的误差均小于11％，绝大多数小于5％；裂变产物浓度的误差小于10％，除^149Sm之外；③MOCUP程序计算得到的反应性随燃耗变化的结果与所报告的其它结果吻合很好。     

钍铀燃料循环专用核数据库CENDL-TMSR-V1的基准检验

中国科学院上海应用物理研究所委托中国核数据中心研制了钍铀燃料循环专用核数据库CENDL-TMSR-V1,用于钍基熔盐实验堆的临界计算及屏蔽设计。为验证该数据库的可靠性,根据钍基熔盐实验堆的特点,从国际核临界安全手册中挑选了一系列基准实验装置进行基准检验。检验结果表明,绝大部分基准装置的k_eff计算结果与实验数据的相对误差在0.5%以内,证明CENDL-TMSR-V1具有较好的可靠性和适用性,可用于钍基熔盐实验堆的物理设计。     

输运-燃耗程序系统及ADS基准题的计算

为了对加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven System)的中子经济性和安全性做进一步研究,IAEA启动了ADS合作研究计划,提出了ADS基准题。基准题分为几个阶段,第一阶段主要致力于ADS的中子性能和核数据库及计算程序的验证。本文开发了ANSN-DOT4.2-ORIGEN2输运．燃耗程序系统,并对该基准题进行了给定次临界度下的富集度、零燃耗下的径向与轴向功率分布、空泡效应、外源价值和燃耗的计算,取得了满意的结果。     

基于最佳一致逼近多项式的燃耗计算方法研究

本文研究了一种基于最佳一致逼近多项式（MMPA）的燃耗计算方法求解燃耗方程。相比于切比雪夫有理近似方法（CRAM）和围道积分有理近似方法（QRAM）,MMPA方法只需一次矩阵求逆计算即可求解燃耗方程,且所有计算都是实数运算,具有数值稳定性好、求解效率高等优点。进一步研制了基于MMPA方法的点燃耗程序AMAC,并耦合蒙特卡罗输运程序OpenMC,采用衰变例题、固定辐照例题、OECD/NEA压水堆栅元燃耗基准题和沸水堆组件燃耗基准题进行验证,程序计算结果与实验值及各参考值吻合良好,初步验证了MMPA方法在理论和数值上的正确性和有效性。     

基于cosRMC的新一代PWR栅元和组件燃耗计算

新一代压水堆与现有压水堆的重要区别之一是燃料富集度不同,考虑到燃料制造、燃料燃耗等问题,目前压水堆的UO₂燃料富集度通常小于5%,MOX燃料中易裂变Pu含量通常小于6%。新一代压水堆的燃料富集度有可能超过现有标准,平均燃耗有望达到70 GW•d/tU,这对反应堆计算软件提出了新的要求。本文基于反应堆蒙特卡罗程序cosRMC对新一代压水堆栅元和组件基准进行了中子学分析,包括裂变反应率分布、中子通量密度分布及核子密度随燃耗的变化等,并对含Gd棒的组件燃耗计算进行了细致分析。计算结果表明,cosRMC的计算结果与国际上其他程序的计算结果符合较好。通过程序之间结果对比发现,随着燃耗的增加,不同程序计算的Pu含量差别变大。     

基于高阶CRAM的燃耗程序开发与验证

本文基于高阶切比雪夫有理近似方法（CRAM）研制了点燃耗程序ICRAM,并内耦合于蒙特卡罗输运程序OpenMC,形成了一套燃耗计算分析程序OPICE。与传统部分分式分解（PFD）形式的CRAM相比,高阶不完全局部分解（IPF）形式的CRAM具有数值稳定性好、计算精度高和步长包容性更好等特点,满足高保真燃耗计算发展的需求。为提高耦合计算精度,OPICE采用了预估-校正和子步法两种耦合策略,支持纯衰变、定通量和定功率3种计算模式。通过OECD/NEA压水堆栅元燃耗基准题和快堆燃耗基准题的验证,程序计算结果与实验值及各参考值吻合良好,初步验证了OPICE的正确性与有效性。     

Development and Validation of Burnup Code Based on High-order Chebyshev Rational Approximation Method

Based on high-order Chebyshev rational approximation method (CRAM), a point-burnup code named ICRAM was developed and internally coupled to Monte Carlo code OpenMC, forming a burnup calculation and analysis program OPICE. Compared with the traditional partial fraction decomposition (PFD) form of CRAM, the high-order incomplete partial fractions (IPF) form of CRAM has the characteristics of good numerical stability, high calculation accuracy and better step tolerance, etc., which meets the needs of high-fidelity burnup calculation development. In order to improve the accuracy of coupling calculations, two coupling strategies including prediction-correction method and sub-step method were implemented in OPICE. Three different calculation modes were supported by OPICE to execute the decay, constant flux and constant power calculations. By calculating the OECD/NEA burnup benchmark and fast reactor burnup benchmark, the calculation results of OPICE are in good agreement with the experimental data and each reference value. The correctness and validity of OPICE are verified preliminarily.     

高阶预估-校正燃耗方法在压水堆组件计算中的应用

压水堆燃料组件输运燃耗耦合计算通常采用的是传统的预估-校正(PC)燃耗方法。然而,该方法本身的假设导致其存在一定的计算误差。为进一步提高燃耗计算的精度,本文针对传统的预估-校正燃耗方法的缺陷研究了改进的预估-校正燃耗方法,改进了对核反应率进行修正的高阶预估-校正燃耗方法,并在Bamboo-Lattice程序中进行了程序实现,对该方法进行了验证分析。结果表明:改进的预估-校正燃耗方法和高阶预估-校正燃耗方法在保证计算效率的前提下提高了燃耗计算的精度。     

基于抽样方法的燃耗计算核素积存量不确定度分析

基于抽样基本原理研究了应用于燃耗计算的不确定度分析方法,并开发了燃耗计算不确定度分析程序。基于评价核数据库ENDF/B-Ⅷ.0的裂变产额标准差和衰变常量标准差计算得到了衰变常量协方差矩阵和带相关性的裂变产额协方差矩阵,并结合SCALE6.2程序包的56群反应截面协方差数据库,对Takahama-3压水堆组件基准题中SF95-4样品进行不确定度分析。计算了反应截面、衰变常量和裂变产额不确定度引起的核素积存量的不确定度。计算结果表明,反应截面的不确定度是锕系核素积存量不确定度的主要来源,裂变产额和衰变常量的不确定度对部分裂变产物的积存量会引入较大的不确定度。但考虑裂变产额相关性后,裂变产额引起的不确定度显著降低。     

基于蒙特卡罗方法的燃耗计算误差研究

基于蒙特卡罗方法进行燃耗计算时,随着燃耗加深,燃耗的计算误差逐渐增大。本文针对蒙特卡罗方法的燃耗计算误差进行研究,并采取修正措施改善燃耗计算的精度。结果表明：采用无偏差最小方差(UMV)修正可改善统计误差的传递效应,采用密度修正可保证蒙特卡罗输运计算的准确性,在此基础上局部优化燃耗截面库,进一步改善了燃耗计算的精度,为其工程应用奠定了基础。     

球床高温气冷堆卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗的影响

基于蒙特卡罗方法开发了球床高温气冷堆燃料球运行历史模拟程序,分析不同卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗、卸料燃耗分布的影响,并分析了不同球流速度模型下的差别。结果表明,卸料燃耗阈值对于平均卸料燃耗、卸料燃耗分布很大程度上受到各流道燃料增量的特性的影响。     

2400 MW先进高温堆的临界与燃耗计算

本工作对2 400 MW 棱柱先进高温堆的临界及燃耗进行了研究。所采用的计算工具为SCALE5.1中的TRITON模块。计算中选用了3种燃料石墨比分别为27∶65.4、30∶62.4及33∶59.4的模型。经计算,得到了这3种模型的堆芯寿期分别为1 260、1 350及1 320有效满功率天（EFPDs）,对应的燃耗深度为139、134和125 GW·d/MtU。     

基于CRAM的压水堆燃耗程序开发及验证

本文基于Cinder90燃耗数据库开发了燃耗求解程序MCRAM,并耦合MCNP程序对重要的锕系核素和裂变产物核素的反应截面进行了修正。以OECD/NEA乏燃料成分基准数据库中的Takahama-3压水堆燃料组件为基准题,对MCRAM程序的计算结果进行了验证,并与其他程序的计算结果进行了比较。结果表明,MCRAM程序对重要裂变产物和主要锕系核素的计算结果相对偏差小于5%,计算精度与ORIGEN2程序的相当。与此同时,同一例题的计算效率MCRAM较之MCNTRANS程序提高了近200倍。