ADS次临界系统中子时空动力学计算与瞬态分析

加速器驱动次临界反应堆(ADS)中子时空动力学计算需要考虑外中子源和空间分布的影响,比临界系统中子动力学计算要复杂得多。本文将改进准静态(IQS)近似与蒙特卡罗(MC)方法相结合,对于带外源的ADS次临界系统中子时空动力学过程,形状函数、动力学参数由MCNPX程序计算得到,幅度函数与集总参数热工反馈模型进行耦合计算,并开发了IQS/MC计算程序可视化操作界面。针对CIADS靶堆耦合系统参考方案物理模型,对引入束流瞬变及无保护失流工况过程进行瞬态模拟计算分析,给出了堆芯相对功率、燃料温度及冷却剂出口温度随时间的变化曲线。同时,将中子注量率进行分群计算,得到了堆芯分能群的相对中子注量率网格分布随时间的变化,模拟结果与理论分析一致。     

基于逆动态法的ADS次临界度在线监测方法数值验证

加速器驱动次临界系统(ADS)的次临界度在线监测是ADS运行和安全的核心问题,目前次临界度的测量方法主要有:外推-周期法,跳源法,脉冲中子源法等。本文研究了基于逆动态法的ADS次临界度在线测量方法,并对该法进行初步数值模拟验证。基于临界堆反应性逆动态测量方法,增加外源项的特殊考虑:采用次临界稳态中子通量密度(或功率)及初始次临界度以确定外源,实现适用于次临界堆反应性计算的逆动态求解算法。本文使用欧洲小型加速器驱动的次临界系统PDS-XADS进行数值验证,与动力学程序NTC-2D的计算结果进行对比。结果表明:该方法可有效实现次临界堆的次临界度在线监测。     

ADS次临界反应堆的点堆中子动力学方程

加速器驱动的次临界系统（ADS）中的次临界反应堆与临界反应堆相比,中子注量率的空间分布具有严重的不均匀性,同时中子平均能量较高且中子能量变化复杂,中子价值变化大,因而传统的点堆动力学方程不能较为真实地模拟ADS次临界反应堆。本文从含多群中子多组缓发中子先驱核的动力学方程出发,给出其共轭方程。然后利用稳态扩散方程及其共轭方程的共轭关系,推导得出含有归一化功率的动力学方程表达式。进而定义多个特征算子,导出了含有源中子价值的点堆中子动力学方程,并对几种简单情况进行了初步验证,为进一步分析ADS次临界反应堆的动态过程奠定了基础。     

铅铋冷却次临界堆反应性引入下的中子学动态特性分析

加速器驱动次临界系统（ADS）与临界系统相比具有不同的中子学动态特性。采用瞬跳近似导出了次临界状态下反应性扰动引起中子密度和堆功率变化的关系式,与基于RELAP5开发的次临界点堆动力学程序做了不同次临界度（keff=0.90,0.95,0.97,0.98和0.99）下1 s内引入反应性＋1β的中子学动态特性对比分析。结果表明：①有外源的瞬跳近似能够精确地描述受扰动后很短的一段时间之后的中子密度和堆功率的变化情况,能用于求解有外源的点堆动态方程渐进情况下的解;②反应性引入事故过程中,次临界堆表现出内在稳定性,次临界度越深,偏离临界越远,反应性扰动对次临界堆的影响就越小。     

从广义自持链式反应观点看加速器驱动系统

用广义自持链式反应的观点探讨了加速器驱动系统 (ADS)的基本内涵。认为次临界反应堆、质子加速器和靶所组合的整体仍可看成一个 (临界的 )自持链式反应堆。这个反应堆不同于通常临界反应堆的特点是每次裂变后的二次中子不仅包含裂变释放的中子而且还包含部分裂变释能 (通过质子加速器及靶 )所转换的中子。正是有了这些附加中子 ,使得加速器驱动系统每次裂变的有效二次中子数增加了。一个ADS系统能够稳定运行的条件是ADS的次临界堆和加速器能够相互匹配使得ADS系统的有效二次中子数达到这样的水平 ,以致在ADS系统内能够形成自持的中子链式反应。因此尽管ADS的反应堆部分是次临界的 ,但从ADS整体来看只要质子加速器与次临界反应堆匹配得当 ,ADS系统是可以像通常临界反应堆那样 ,维持自持的链式反应的 (或临界的 )。给出了ADS系统维持自持链式反应的匹配条件 (广义临界条件 )。最后根据ADS系统的特点探讨了ADS在核废物处理 (嬗变 )、提高核燃料增殖效率及核能开发中的作用。     

加速器驱动次临界系统束流瞬态分析模型的开发

加速器驱动次临界系统利用散裂反应产生外源中子驱动次临界堆运行,具有次临界固有安全性,同时具备能谱硬、嬗变能力强等特点,被国际公认为核废料处理的最有效手段。ADS系统中外中子源由质子束流轰击散裂靶产生,束流的瞬态变化将直接引起次临界堆堆芯功率的波动,从而影响整个ADS系统的安全运行。本文在调研分析国际现有的ADS束流瞬态分析模型的基础上,提出一种新型的ADS束流瞬态分析模型。基于通用CFD程序FLUENT,通过用户自定义功能(UDF)将中子动力学模型(PKM)和燃料棒瞬态热分析模型(PTM)集成进入FLUENT软件中,完成FLUENT-ADS束流瞬态分析模型开发。采用OECD/NEA发布的ADS失束事故国际基准例题进行模型验证,关键校验参数与发布结果吻合较好,最大计算误差为5. 2%,与国际同类功能的计算程序相当,模型具有一定的可信度,可满足ADS束流瞬态特性初步分析研究要求。     

高能点状核数据库HENDL-ADS/MC研发与测试

加速器驱动次临界系统(ADS)中子能量跨度大,能谱复杂,物理效应强烈,现有核数据库无法充分满足ADS核设计与分析的需求。为了开展ADS相关研究,FDS团队设计并制作了ADS点状核数据库HENDL-ADS/MC,并通过了一系列临界安全实验和屏蔽积分实验例题的基准测试。为了进一步检验高能截面数据的准确性,还利用国际高能中子屏蔽积分实验例题对HENDL-ADS/MC进行了测试。基准测试和高能屏蔽积分实验的测试结果初步证明了该数据库的可用性与准确性。     

动态参数形状函数和权重函数对加速器驱动次临界反应堆中子动力学的影响

在准静态框架下,动态参数由权重函数、动力学量算符、形状函数的卷积得到。传统方法的形状函数和权重函数并不能满足外源驱动次临界系统的中子动力学分析。本文分别采用λ基波中子通量密度、α基波中子通量密度、加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)反应堆稳态中子通量密度作为初始形状函数,采用共轭λ基波中子通量密度、共轭瞬发α基波中子通量密度、ADS反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数,通过改进的准静态方法对外源驱动次临界系统的启堆过程和断束工况中子动力学进行模拟。通过与时空动力学方程直接求解结果对比发现:权重函数是影响中子动力学结果的主要因素;对于启堆过程,适合采用ADS反应堆稳态中子通量密度作为初始形状函数、共轭λ基波中子通量密度作为权重函数;对于断束工况,适合采用ADS反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数。权重函数相对于外源瞬变的滞后现象表明,在外源瞬变后的短时间内,外源中子对中子价值和权重函数的影响具有非均匀性,在建立优化的权重函数模型时,需要将共轭外源项的非均匀分布纳入考虑。     

加速器束流瞬变ADS次临界反应堆动态特性分析方法研究

强流质子加速器(HPPA)的不稳定性产生的束流瞬变将导致加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)的散裂中子源强度发生快速变化,进而对ADS次临界反应堆产生冲击。HPPA束流瞬变下的次临界反应堆动态响应特性是ADS研究的一个重要课题。本文在总结目前ADS束流瞬变问题研究工作的基础上,对已建成的ADS次临界实验装置"启明星1#"开展了初步的与束流瞬变相关的计算分析,提出了在束流瞬变分析中针对有/无外源情况采用多模式堆芯群常数和中子动力学参数实时调用的建议。     

加速器驱动铅铋冷却自然循环次临界堆束流瞬变事故研究

利用FDS团队(FissionFusion Design Study)开发的中子学与热工水力学耦合安全分析软件,对一种加速器驱动铅铋自然循环次临界反应堆的束流中断及束流超功率事故进行了模拟分析。计算结果表明:加速器驱动次临界洁净核能系统(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)次临界堆的功率对束流瞬变的响应几乎是瞬时的;事故工况下,自然循环会根据堆芯功率自动调整至重新达到稳定;失束时间越长,材料温度降得越低,功率瞬间恢复值越低,束流恢复后,材料温度回升的速度越快;束流200%超功率事故发生后堆芯功率最终稳定在初始功率值的192.2%,燃料温度增幅最大,为286 K,燃料和包壳不会发生损坏和熔化,冷却剂不会发生沸腾。     

ADS次临界反应堆的中子共轭方程

与临界反应堆相比,ADS次临界反应堆的外源中子和裂变中子的空间分布具有严重的不均匀性,对应的中子价值也不同。本工作对次临界反应堆的稳态输运方程作分群扩散近似,得到了多群方程,进一步推导出按堆芯功率归一化的中子共轭方程表达式和与功率相关的中子价值函数表达式,给出了次临界反应堆中子价值的物理意义。由稳态中子共轭方程组出发,给出了两种带外加中子源的次临界反应堆增殖因数的表达式。     

A neutronics–thermalhydraulics model for preliminary studies on TRADE dynamics

In the last few years the possible role of accelerator driver systems (ADS) for effective transmutation strategies with fully closed cycles has received increased attention due to their potential to improve the flexibility and safety characteristics of transmutation systems. The substantial difference between the neutron kinetics and dynamic behavior of ADS and conventional critical reactors has given rise to a wide international consensus on the need of an experimental program to improve their knowledge and to validate calculation methods. To this end the international cooperation TRADE proposed a sub-critical experiment based on the coupling of a TRIGA reactor in sub-critical core configuration with a proton accelerator (cyclotron) by means of a neutron spallation target. The experiment was initially conceived in the RC1-TRIGA reactor located at the ENEA Center of CASACCIA (Rome, Italy) to demonstrate the feasibility of the accelerator driven system (ADS) concept at a representative power. This article presents a preliminary study performed with the RELAP5/PARCS code on the dynamic behavior of such a system in order to demonstrate the code capability to support the design of the experiment and the safety analysis. The specific code version used joins the well known capability of RELAP5 to treat light water reactors with the potentiality of PARCS modified by ENEA to simulate the three-dimensional neutronics of sub-critical systems, i.e. to treat external neutron sources. PARCS modifications are preliminary assessed against a simple analytical solution of the sub-critical neutronics of the experiment based on the kinetics pseudo-potentials method. A quite detailed model for the coupled code is developed in order to realistically evaluate both the thermal feedback effects, the control rod action and the external source strength changes. A wide range of operational and accidental transients of the sub-critical reactor are simulated with the coupled model in order to obtain a first system response to a number of reactor elementary events at different subcriticality levels. The calculation results show a high qualitative agreement with the sub-critical system physical theory underlining how the numerical model developed could be a useful tool for the definition of the operational procedures and the investigation of accidental conditions; moreover the accidental transient trends highlight the inherent safety behavior of the TRIGA research reactors that makes them extremely suitable for the coupling of the different components with a quite simple licensing procedures.     

跳源法在启明星1#次临界装置中的应用

简要介绍了跳源法在启明星1#次临界装置上测量次临界度的原理、外源驱动的次临界中子学实验装置、堆芯布置及中子源驱动系统。主要研究了中子源在堆芯轴向中心位置、不同装载情况下的反应性变化,并给出不同的有效倍增系数keff。实验测量结果与理论计算结果进行了比较,结果符合较好。     

启明星Ⅱ号中子吸收体反应性价值测量

为验证加速器驱动的次临界系统（ADS）次临界反应堆设计时理论计算所使用的计算程序和核数据,在ADS启明星Ⅱ号零功率装置的铅冷堆芯中采用不锈钢元件作为中子吸收体,利用周期法对不锈钢中子吸收体的反应性价值进行实验研究。实验结果表明：吸收体的反应性价值随元件与中心径间距离的增加而降低,实验测量与理论计算的反应性价值接近,变化趋势相互吻合。经实验验证的理论计算程序和核数据可用于ADS次临界反应堆的设计。     

加速器驱动的次临界系统快堆次锕系核素非均匀布置堆芯的中子学研究

运用MCNP与ORIGEN2耦合计算程序COUPLE，对加速器驱动的次临界系统（ADS）钠冷金属燃料快堆堆芯进行稳态与燃耗计算，比较分析次锕系核素（MA）非均匀布置堆芯与均匀布置堆芯在MA嬗变效果与反应性参数方面的差异。计算结果表明，对比均匀布置，非均匀布置具有更高的MA嬗变率与嬗变支持比，在反应性参数方面导致多普勒效应与有效缓发中子分额降低，钠空泡效应增大，在堆芯功率分布与加速器束流功率方面没有明显变化。     

用于ADS次临界反应堆Keff测量微电流放大器的设计

设计了一种基于噪声分析方法,利用反应堆堆芯中子涨落特性测量加速器驱动洁净核能系统（Accelerator driven system,ADS）次临界反应堆动态参数的微电流放大器,并且根据需要设计了微电流源,运用Protel实时电路仿真工具对放大器进行仿真调试,使其达到设计要求。     

加速器驱动快-热包层耦合次临界系统的性能研究

通过研究表明:加速器驱动快-热包层耦合次临界系统(ADFTS)具有同时高效嬗变锕系元素(MA)和裂变产物(FP)的优点.从中子物理学角度,对ADFTS的能量放大行为进行了分析,提出了快包层中子放大系数和快-热包层中子耦合系数的概念,并给出了中子放大系数的计算方法.对加速器驱动次临界系统的增殖能力进行了研究.研究表明,ADS具有比常规临界反应堆更高的增殖能力.     

与ADS 相关的强流3.5 MeV RFQ 加速器的束流动力学特性

为了适应我国加速器驱动洁净核能系统(ADS)项目的需要,一台注入能量为75 keV,输出能量为3.5 MeV,频率为352.2 MHz,质子流强为50 mA,四翼型强流RFQ加速器正由国家科技部"973"项目支持,在中科院高能物理所建造当中.本文论述了这台RFQ加速器的动力学设计特性、设计原则和设计结果以及各种参数之间的相互关系和误差特性.     

Assessments of the kinetic and dynamic transient behavior of sub-critical systems (ADS) in comparison to critical reactor systems

The neutron kinetic and the reactor dynamic behavior of Accelerator Driven Systems (ADS) is significantly different from those of conventional power reactor systems currently in use for the production of power. It is the objective of this study to examine and to demonstrate the intrinsic differences of the kinetic and dynamic behavior of accelerator driven systems to typical plant transient initiators in comparison to the known, kinetic and dynamic behavior of critical thermal and fast reactor systems. It will be shown that in sub-critical assemblies, changes in reactivity or in the external neutron source strength lead to an asymptotic power level essentially described by the instantaneous power change (i.e. prompt jump). Shutdown of ADS operating at high levels of sub-criticality, (i.e. k_eff 0.99), without the support of reactivity control systems (such as control or safety rods), may be problematic in case the ability of cooling of the core should be impaired (i.e. loss of coolant flow). In addition, the dynamic behavior of sub-critical systems to typical plant transients such as protected or unprotected loss of flow (LOF) or heat sink (LOH) transients are not necessarily substantially different from the plant dynamic behavior of critical systems if the reactivity feedback coefficients of the ADS design are unfavorable. As expected, the state of sub-criticality and the temperature feedback coefficients, such as Doppler and coolant temperature coefficient, play dominant roles in determining the course and direction of plant transients. Should the combination of these safety coefficients be very unfavorable, not much additional margin in safety may be gained by making a critical system only sub-critical (i.e. k_eff0.95). A careful optimization procedure between the selected operating level of sub-criticality, the safety reactivity coefficients and the possible need for additional reactivity control systems seems, therefore, advisable during the early design phase of any ADS systems in order to assure a benign transient response of the particular ADS design under investigation to typical plant transient initiators.