弥散颗粒燃料及可燃毒物双重非均匀特性初步研究

弥散颗粒燃料及可燃毒物由于其固有安全性及自屏效应而被广泛关注,但其双重非均匀性为中子学计算带来挑战。为了研究弥散颗粒系统的双重非均匀性大小,评价体积均匀化方法的适用性,本文针对弥散不同类型、不同相体积、不同颗粒尺寸的颗粒以及不同富集度燃料基体的栅元系统进行了分析,评价栅元系统的颗粒模型与体积均匀化模型在零燃耗下的反应性偏差。分析结果显示,对于弥散燃料颗粒,体积均匀化方法的计算偏差随弥散颗粒尺寸的增加、燃料富集度的增加、以及弥散颗粒相体积的减小而增大;对于弥散可燃毒物颗粒,体积均匀化方法的计算偏差随弥散颗粒的颗粒尺寸的增加、基体燃料富集度的减小、弥散颗粒相体积的增加、以及弥散颗粒吸收截面的增大而增大。同时本文给出了弥散颗粒的双重非均匀性大小的大致顺序,针对双重非均匀性最小和最大的两种毒物颗粒也进行了详细分析,给出了是否需要考虑其双重非均匀性的大致判定条件,为弥散颗粒系统的数值计算提供指导。     

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。     

钆可燃毒物栅元燃耗计算分析初步

本文简要计算并分析了钆可燃毒物热群参数、能谱随燃耗变化的特性。同时讨论了压水堆设计中使用新型可燃毒物三氧化二钆(Gd_2O_3)的理论问题。     

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。     

FCM燃料压水堆弥散可燃毒物中子学分析

为将全陶瓷微胶囊封装（FCM）燃料应用于小型压水堆,对FCM燃料组件开展了可燃毒物中子学设计与分析。通过寿期初引入负反应性、寿期内消耗速率和寿期末残留3个方面,对弥散在SiC基体中的弥散型可燃毒物Gd₂O₃、Er₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂进行评价。FCM燃料中TRISO颗粒核芯直径达800 μm,燃料颗粒自屏效应强烈,在RMC程序中引入随机介质计算功能,对FCM燃料进行随机几何建模,保证了反应性计算精度。分析表明：Er₂O₃可作为FCM燃料堆芯的候选可燃毒物,Gd₂O₃和Eu₂O₃需结合堆芯开展进一步研究,Sm₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂的反应性惩罚过大,不适合作为FCM燃料可燃毒物。     

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。     

双重非均匀系统环形RPT计算方法研究

弥散燃料与弥散可燃毒物由于具有双重非均匀性,采用传统体积均匀化方法(VHM)会带来较大的计算偏差。反应性等效物理转换(RPT)方法被应用于含弥散燃料的双重非均匀系统,具有方法简单且计算精度较高的特点。本文首先对传统RPT方法和改进RPT(IRPT)方法进行了分析和验证,结果表明,这2种方法对于含有弥散可燃毒物的双重非均匀系统燃耗过程中依然存在相对较大的计算偏差;然后提出环形RPT(RRPT)方法和2步环形RPT(TRRPT)方法分别用于处理含单一颗粒类型和含2种颗粒类型的双重非均匀系统,通过含不同类型可燃毒物的算例验证并与蒙卡颗粒模型基准解对比可知,本文提出的RRPT方法和TRRPT方法可用于处理含弥散燃料和弥散可燃毒物的双重非均匀系统,相比传统方法具有更高计算精度和更广适用范围。     

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.     

核数据对球床式高温气冷堆燃料元件中子学特性的影响

球床式高温气冷堆采用了球形燃料元件,燃料区域由石墨基体和弥散在其中的包覆燃料颗粒构成,其外有与石墨基体相同材料的包壳;燃料球堆叠成填充率约为0.61的球床式堆芯活性区。在堆芯物理计算中,必须考虑其特殊的双重非均匀性结构对共振计算的影响。此外,由于石墨起到了中子慢化和结构材料的重要作用,其截面参数的准确性对共振计算和临界计算均有很大影响。本文采用蒙特卡罗中子输运计算程序SCALE/KENO-Ⅵ和Serpent-2,对比分析了ENDF/B Ⅶ.0和ENDF/B Ⅶ.1版本核数据库对不同燃料模型的有效增殖因数(keff)及反应率的影响,并进一步比较了不同双重非均匀性处理方法对计算结果的影响。结果表明,由于石墨吸收率增大,使用ENDF/B Ⅶ.1版本核数据库所得keff小于使用ENDF/B Ⅶ.0版本核数据库的结果,且计算模型中石墨材料越多,计算结果相差越大:对于包覆颗粒模型差别约为200pcm,对于燃料元件约为700pcm,对于堆芯单元约为1 600pcm。SCALE/KENO-Ⅵ程序使用DOUBLEHET模型进行多群蒙特卡罗计算所得结果与连续能量模型计算结果吻合良好,且计算效率高,对燃料球模型而言可节省约85%的计算时间。     

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。     

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。     

WWER-1000/428与WWER-1000/320型燃料组件及其相关组件比较

田湾核电站2台1000MW核电机组采用的是俄罗斯WWER－1000／428（即AES－91）型，它是基于正在运行中的WWER－1000／320系列机组并加以优化设计而成。本文主要从堆内燃料的角度，论述了V－428型燃料组件及其相关组件与V－320型的主要区别及其优越性。     

棱柱式高温气冷空间核反应堆初步方案设计与中子物理分析

空间核反应堆电源将核裂变能转换为电能,与太阳能、化学燃料电池等其他形式的电源相比,具有电功率大、系统比功率高、使用寿命长等优点,在太空探索中具有广阔的应用前景。以高温气冷堆技术为基础,提出了以氦氙混合气体作冷却剂,直接布雷顿循环的空间核反应堆电源方案。核反应堆是采用包覆颗粒燃料的小型棱柱式高温气冷堆,热功率为5 MW。采用蒙特卡罗方法进行了中子物理分析。结果表明,设计的反应堆满足10a以上的满功率运行寿期,具有负的反应性温度系数。通过布置B4C安全棒,使反应堆在发射失败引起的堆芯进水事故中能保证次临界。     

弥散燃料颗粒裂纹起源的有限元模拟分析

通过建立含多气泡的燃料颗粒模型,采用有限元方法分析了燃料颗粒在裂变气体气泡内压作用下的应力分布,统计了燃料颗粒内部气泡位置对气泡内壁处的最大拉应力的影响,并结合实验结果探寻了弥散燃料颗粒在辐照后退火时的裂纹起源。结果表明:当弥散燃料颗粒内部含有多个裂变气体气泡时,受气泡内压作用,气泡内壁径向应力为压应力,环向应力为拉应力;气泡位置距燃料颗粒心部越远,气泡内壁处的最大环向拉应力越大;表层气泡的最大环向拉应力远大于心部气泡的;燃料颗粒裂纹起源于表层气泡内壁。     

计算流体动力学在燃料组件热工水力性能分析和格架研制中的应用

国外使用商用计算流体动力学(CFD)软件分析燃料组件中流体的三维流场和温度场,并将验证的方法用于燃料组件格架设计,获得了成功。中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室用CFX程序对带格架棒束内流场进行了计算,解决了小尺寸复杂结构几何体的模拟,边界条件的选取和CFX计算能力的评价,然后完成了单相,空气一水两相流场和流动特性的计算分析及试验对比验证。已完成的研究表明,尽管CFX程序目前在计算两相流动和传热方面还存在不足,但通过比较单相流场的湍流,旋涡和棒束附近流体温度分布基本可以评价格架对流体的交混性能;格架上的弹簧和刚突对于流动有相当的作用,对其进行模拟是必要的。研究还建议在使用CFD方法进行燃料组件格架热工水力分析前要先进行基准练习以保证分析结果的正确性。     

蒙特卡罗临界计算粒子并行动态负载均衡调权算法研究

本文针对蒙特卡罗临界计算,提出了一种具有动态负载平衡能力的粒子权重调节算法。该算法在每次源迭代初始,将模拟粒子总权重均分到每个进程上,在保证每个进程本地权重恒定的前提下,分别调节不同进程的粒子出生权重,实现了源迭代过程中进程间计算的动态负载平衡。与Master Slave、Nearest Neighbor等算法进行比对,发现此算法加速效果更好。将此算法集成到JMCT程序中,通过BEAVRS基准题测试了并行效率,相对于128进程,4 800进程弱可扩和强可扩展并行效率分别可达92.54%和81.47%。     

堆用蒙特卡罗程序RMC的全堆计算研究

使用清华大学的探索100高性能并行计算机,基于美国核能署数据中心的连续能量全堆基准计算模型和法国电力集团的多群全堆基准计算模型,就通用蒙特卡罗程序(MCNP)全堆大规模并行计算开展了研究。针对堆用蒙特卡罗程序(RMC)与MCNP的全堆计算性能进行系统的比较研究。结果表明,MCNP在并行模式和计数器性能等方面均有不足,这些不足严重影响MCNP在反应堆全堆计算上的效率。而RMC在这些问题上取得了较大的改善,能够适用于反应堆全堆精细功率密度计算。因而,在反应堆全堆计算性能上,RMC优于MCNP。