多普勒展宽舍弃修正对氟盐冷却球床高温堆中子学的影响分析

超热区中子的弹性散射易受靶核热运动影响,传统的蒙特卡罗程序采用常数散射截面自由气体模型来描述超热区中子的散射过程。研究表明,忽略共振弹性散射效应所引入的误差随温度的升高而增加,而氟盐冷却球床高温堆工作在高温条件下,为减小共振区弹性散射计算误差,有必要在中子学计算中使用多普勒展宽舍弃修正方法以考虑其共振弹性散射效应。本文使用修改源码后的蒙特卡罗程序MCNP5对氟盐冷却球床高温堆栅元开展中子学计算,发现经多普勒展宽舍弃修正后的²³⁸U的中子俘获率增加,无限增殖因数减小123～1182 pcm,且无限增殖因数偏差随燃料球栅元填充率及温度的升高而增大。     

确定论方法中共振弹性散射的修正方法研究

截面加工软件(NJOY)程序求解无限均匀慢化方程时采用渐进散射核,忽略了共振弹性散射的影响,给特征值和多普勒系数的计算带来较大的误差。为在确定论程序中考虑这种效应,本文采用多普勒展宽舍弃修正(DBRC)方法修改了蒙特卡罗程序(MCNP)的自由气体模型,利用MCNP代替NJOY制作共振积分表。基于子群共振方法分析了轻水堆燃料棒的无限介质增殖因数和温度系数,并与MCNP的结果进行对比。数值结果表明,由于考虑了共振弹性散射效应,本文提出的修正方法提高了确定论方法的计算精度。     

NECP-Atlas中共振弹性散射核处理模块的开发与验证

在多群截面和散射矩阵产生中考虑了靶核热运动以及共振弹性散射。首先,采用了任意勒让德阶数的各向异性共振弹性散射核公式,以计算准确的多普勒展宽能量转移核。使用了半解析积分方法来进行共振弹性散射核的计算。结合共振弹性散射核计算,提出了一种线性化方法来产生共振弹性散射核插值表。利用该插值表可精确插值共振弹性散射核以减少计算成本。其次,基于共振弹性散射核开发了慢化方程求解器从而代替传统的渐进散射核。该求解器可以正确地考虑中子上散射效应对于中子能谱的影响。在多群截面归并时使用更加精确的中子能谱,以此可以得到更加精确的多群截面。上述所有方法都已集成至核数据处理程序NECP-Atlas。数值结果表明,所提出的方法可以为下游计算提供准确的多群截面;相比于传统方法所产生的多群截面及散射矩阵,当上散射效应被考虑时,使用确定论程序所计算的燃料温度系数以及特征值有较大的变化。     

快堆多群数据库处理程序MGGC1.0的开发和验证

为产生高精度的快堆截面数据,基于一致性N阶的勒让德函数（P_N）近似方法与临界曲率搜索方法,开发了快堆多群截面处理程序MGGC1.0,并进行了多方面基准验证。通过对均匀混合介质的宏观截面验证表明,中子产生截面的相对偏差均小于0.1%,裂变能谱的相对偏差均小于0.25%,总截面由于修正方式不同导致偏差稍大,但绝大多数能群的相对偏差都在0.5%以内。在临界基准实验中与蒙特卡罗程序RMC采用连续点截面的计算结果相比,78%的基准题的偏差都在100 pcm（1 pcm=10-5）以内,表明MGGC1.0处理截面的精度较好。在此基础上,采用钠冷快堆基准题BN-600进行计算,与基准题参考计算结果相比,输运与扩散2种方法计算所得有效增殖因子的相对偏差分别为0.112%和0.09%,燃料多普勒系数和燃料密度系数的相对偏差分别为1.49%和1.37%,而结构材料钢的多普勒系数与密度系数的相对偏差稍大,分别为18.75%和24.31%,初步分析,偏差较大的原因与窄共振近似的处理方法有关。对于区域的功率分布,基于局部能量沉积模型计算得出的区域功率分布分数与基准参考解的偏差在0.3%之内,符合较好。      

基于连续能量蒙特卡罗的快中子反应堆均匀化截面计算方法研究

快堆确定论两步法通常由组件均匀化截面计算和堆芯扩散/输运计算共同组成,已广泛应用于快堆工程设计与分析领域。基于连续能量精细几何的蒙特卡罗均匀化截面计算方法可为先进快堆提供高精度均匀化群常数。本文简要综述了蒙特卡罗生成的均匀化截面与堆芯扩散/输运计算结合的发展现状与技术趋势。介绍了蒙特卡罗体积通量均匀化方法和超级均匀化等效修正方法,提出了蒙特卡罗通量矩均匀化方法。以MET-1000金属燃料快堆数值对标为例,针对堆芯扩散计算,对控制棒使用超级均匀化等效修正方法,将堆芯扩散计算的控制棒价值高估从13.5%减小到0.35%,并提高了功率分布预测精度;针对堆芯输运计算,定量解析了误差原因,提出了蒙特卡罗通量矩均匀化方法,可减小MET-1000堆芯输运计算的反应性误差698 pcm。本文中适用于快堆扩散及堆芯输运计算的蒙特卡罗均匀化截面生成方法针对先进非均匀布置快堆、小型快堆等新型堆芯,与不同堆芯求解器的结合有待进一步发展与验证。同时,蒙特卡罗生成快堆均匀化截面还有许多问题需要深入研究,如不连续因子修正、基模修正、历史效应处理方法等。     

NECP-X程序中基于全局-局部耦合策略的非棒状几何燃料共振计算方法研究

基于NECP-X程序中已经研发的全局-局部耦合共振计算方法,研究了针对非棒状几何燃料的共振计算方法。首先,采用中子流方法计算真实问题的丹可夫修正因子,以处理全局的空间效应;其次,基于丹可夫修正因子等效获得小规模问题周围慢化剂的几何信息;最后,对于小规模问题燃料区的有效自屏截面的计算采用共振伪核素子群方法。将该方法应用于非棒状几何燃料数值计算,结果表明,该方法在处理非棒状几何燃料栅元的共振计算时,与蒙特卡罗结果程序相比,微观吸收截面偏差不超过1.8%,无限介质增殖因数偏差不超过110 pcm（1 pcm=10-5）,具有较高的计算精度;在大规模问题的计算中,基于板状燃料的JRR-3M实验堆全堆在整个燃耗过程有效增殖因数偏差均在300 pcm左右,组件功率偏差在整个燃耗过程不超过0.62%。因此,本研究提出的共振计算方法具有较高的正确率和精度。      

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。     

中子核截面在线多普勒展宽方法研究

由中子截面多普勒展宽带来的反应性温度效应对反应堆中子学计算结果具有重要影响。基于自由气体模型和对靶核速度随机抽样的在线多普勒展宽方法,可使用0 K温度下的中子截面对给定温度的问题进行蒙特卡罗计算,摆脱对专用多普勒展宽程序的依赖。本文通过对在线多普勒展宽方法的程序实现,针对典型算例进行了验证和分析,证明了该方法能处理反应性温度效应,并对其适用性和未来发展前景进行了评价。     

气冷托卡马克商用混合堆中子学设计

完成了气冷托卡马克商用混合堆的中子学设计,采用单零偏滤器等离子体位型,在一维计算中考虑了共振能量和空间自屏效应的影响,用具有连续能量截面的蒙特卡洛程序MCNP完成了多维计算;研究了中子源密度分布对包层中子学性能的影响,结果:氚增殖率和裂变燃料增殖率分别达到1.0和0.60,聚变功率2000Mw,负荷因子0.75,每年产~(239)Pu为4000kg。     

基于改进缺陷因子方法的FCM燃料有效多群截面计算方法研究

全陶瓷微胶囊封装（FCM）燃料是重要的候选事故容错燃料,与传统燃料相比,FCM燃料的双重非均匀性使得其有效多群截面计算面临较大的挑战。本文提出一种改进的缺陷因子方法来处理FCM燃料在共振能区和非共振能区的自屏效应,实现FCM燃料的等效均匀化。通过颗粒丹可夫因子守恒来构建新的等效模型以克服传统的体积权重等效模型无法考虑燃料棒间自屏的影响;在共振能量段,基于新的等效一维球模型求解超细群慢化方程获得共振能量段的超细群缺陷因子;在非共振能量段,利用新等效模型的特征值计算获得快群和热群的多群缺陷因子;在此基础上实现FCM燃料棒的等效均匀化。本方法已在高保真中子学程序NECP-X上实现,并在一系列工况下进行了测试,与蒙特卡罗程序的比较表明,本方法能处理不同情况下的双重非均匀性,并可获得准确的有效自屏截面。     

The impact of U resonance elastic scattering approximations on thermal reactor Doppler reactivity

The effects of accurate modeling of neutron scattering in ²³⁸U resonances are analyzed for typical light water reactor (LWR) and next generation nuclear plant (NGNP) lattices. An exact scattering kernel is formulated and implemented in a newly developed Monte Carlo code, MCSD (Monte Carlo slowing down), which solves a neutron slowing down in an infinite homogeneous medium and is used to generate resonance integral data used in the CASMO-5 lattice physics code. It is shown that the exact scattering kernel increases LWR Doppler coefficients by ∼10% relative to the traditional assumption of asymptotic elastic downscatter for ²³⁸U resonances. These resonance modeling improvements are shown to decrease hot full power eigenvalues by ∼200 pcm for LWRs and ∼450 pcm for NGNPs.     

Development and Verification of Thermal Neutron Scattering Law Data Producing Module in Nuclear Data Processing Code NECP-Atlas

Based on the theory of thermal neutron scattering, the thermal neutron scattering law data producing module was implemented in the nuclear data processing code NECP-Atlas. In the coherent elastic scattering, the cubic approximation and the atomic site approximation in the conventional method were removed. The anisotropic displacement parameters (ADPs) method was used to obtain the accurate coherent elastic scattering law data considering the influence of the different atomic positions and the direction of the forces, which makes the coherent scattering model suitable for any crystal structure. The effective width model or the free gas model was used to consider the diffusion effect in the liquid target. The discrete oscillator model was used to consider the internal vibration of the polyatomic molecular target, and the Sk-ld approximation was used to consider the inter-molecular coherence effect in liquid target. D in D₂O, H in LiH and metal beryllium were selected to verify the new sab_calc module. Compared with the conventional method, the accuracy of the coherent elastic scattering law data of metal beryllium calculated by ADPs method is improved by about 10%. The numerical results of ICSBEP benchmarks show that metal beryllium using ADPs method makes the calculated keff closer to experimental reference value, about 60 pcm on average.     

NECP-Atlas中热中子散射律数据生成模块的开发与验证

基于热中子散射理论,在核数据处理程序NECP-Atlas中开发了热中子散射律数据生成模块。在相干弹性散射中,去除了传统方法中的晶体立方近似和原子位置近似,采用各向异性位移参数（ADPs）方法得到考虑了不同原子位置和作用力方向影响的相干弹性散射律数据,使得相干弹性散射模型适用于任意结构晶体。运用有效宽度模型或自由气体模型考虑液体靶中的扩散效应,运用离散谐振子模型考虑多原子分子靶的分子内部振动,以及舍尔德近似考虑分子间的相干效应。通过对D2O中D非弹性、LiH中H非相干弹性、金属Be相干弹性散射律数据的计算,证明了程序和方法的正确性。采用ADPs方法计算的金属Be相干弹性散射律数据与传统方法相比,精度最大提高约10%。ICSBEP基准题计算结果表明,采用ADPs方法获得的金属Be热散射截面,会使计算的有效增殖因数更接近实验基准值平均约60 pcm。     

Analysis of fuel temperature effects on reactivity of light water reactor fuel assemblies by using MVP-2 adopting an exact resonance elastic scattering model

Using the continuous-energy Monte Carlo code MVP-2 adopting a resonance elastic scattering model considering the thermal motion of a target nucleus (the exact model) for major heavy nuclides, analysis of fuel temperature effects on reactivity of mockup UO₂ and MOX fuel assemblies for light water reactors was performed, and the results were compared with those of the conventional asymptotic model. A base condition was a hot operating condition with an in-channel void fraction of 40% and fuel temperature of 520 ℃ for the BWR fuel assemblies and a hot zero-power condition with fuel temperature of 284 ℃ for the PWR fuel assemblies. The fuel temperature of a high-temperature condition was 1500 ℃ for both types of assemblies. The calculated results showed that the exact model made the neutron multiplication factors at the high-temperature condition lower by ?220 to ?440 pcm (10^?5 Δk) and the Doppler reactivity between the base- and high-temperature conditions more negative by 7% to 10% compared with those obtained by the asymptotic model. The energy-dependent reaction rates of capture and ν-fission were also analyzed to study the detail mechanism in the effect of the exact model on the assembly reactivity.     

MA含量对ADS堆芯动力学参数的影响研究

有效缓发中子份额（β_eff）、平均中子代时间（Λ）和反应性反馈系数（α）是核反应堆动力学中至关重要的参数。本文采用蒙特卡罗方法计算了加速器驱动的次临界系统（ADS）堆芯的动力学参数,并分析了次锕系核素（MA）装载量对这些参数的影响。通过在燃料中添加不同含量的MA,来研究其对ADS堆芯动力学参数的影响。结果表明,当MA在燃料中的含量从0%增加到5%时,β_eff和Λ的值分别降低了18%和31%,多普勒反馈系数平均值α^-D由-0.56 pcm/K变化到-0.36 pcm/K,冷却剂反馈系数平均值α^-C由-2.11 pcm/K变化到-1.73 pcm/K。     

Improvement of the resonance scattering treatment in MCNP in view of HTR calculations

The importance of an advanced neutron scattering treatment for heavy nuclei with strong energy dependent cross-sections such as the pronounced resonances of ²³⁸U has been discussed in various publications where the full double differential scattering kernel was derived. In this study the double differential kernel is confirmed by a purely stochastic approach. We evaluate the impact of this improved resonance kernel on High Temperature Reactors (HTR) using the Monte Carlo Code MCNPX. A comparison between the standard MCNPX scattering kernel and the new one is introduced. For the analyzed HTR-10 unit cells the new kernel leads to a decrease in criticality of 170–600 pcm depending on TRISO packing factor and fuel temperature and to an increase in magnitude of the Doppler reactivity coefficient by about 10%. The ²³⁹Pu inventory increases by up to 2.5% at the end of cycle.     

BEAF - a computer program for analysis of light water reactor fuel rod behavior

BEAF - a computer program for analysis of light water reactor fuel rod behavior was developed. The BEAF code, which is appropriate for on-line prediction of fuel rod behavior, can analyze fuel rod thermal and mechanical behaviors using the axisymmetric, plane strain approximation and finite difference method to realize a fast running time.In the mechanical analysis, a new cracked pellet compliance model is introduced, in which pellet cracking and crack healing, pellet initial relocation, modified elastic moduli of a cracked fuel pellet, and stress dependent hot pressing are considered. Adding to those capabilities, fission gas flow and diffusion in the fuel-clad gap are analyzed to take into account the slow fission gas dilution effect on the gap conductance during power ramp.     

熔盐堆主回路系统氙的动力学特性研究

基于Mathematica7.0为熔盐堆（MSR）主回路系统建立了一套含流动项及在线去除功能的氙（135Xe）的动态分布数值分析程序,针对2?MW MSR的一种设计方案,分析了不同流量、不同启停堆功率、不同在线去除效率情况下135Xe浓度随时间的动态变化特性。结果表明:相较于静态燃耗模型,流动燃耗模型的135Xe带来的负反应性要低约32.2%;额定流量下主回路系统135Xe浓度分布均匀,只有当主回路系统体积流量小于2.24 cm3·s-1时,流动效应才会对主回路系统内135Xe浓度分布有显著影响;当鼓泡系统的在线去除份额约为0.1%时可以使堆芯135Xe带来的负反应性降低至-38.3 pcm?（1 pcm =10-5）,其总的去除效率可以达到86.0%;不同功率水平瞬时停堆工况下,堆芯135Xe浓度单调下降,停堆约50 h后135Xe基本消失,相当于引入+254 pcm反应性,停堆过程无碘坑出现,停堆后再启堆过程不必担心碘坑启动的问题。135Xe去除效率对整个系统135Xe总量有一定影响,在去除份额从0.0001%~20%的变化范围内,135Xe的总活度与静态燃耗模型相比相应增加了0.67%~8.75%。      

基于TREND程序的石墨通道液态熔盐堆无保护反应性引入事故初步分析

采用自编系统分析程序TREND,基于液态点堆动力学模型,针对10 MW石墨通道液态熔盐堆的设计,研究分析不同反应性在阶跃引入和线性引入情况下10 MW石墨通道液态熔盐堆堆芯功率、石墨温度和堆芯出口熔盐温度的瞬态变化。结果表明,阶跃引入低于570pcm（1pcm=10?5）反应性,堆系统能在无保护的情况下安全运行;当单根控制棒失提引入约800pcm时,反应性引入速率不超过8pcm/s,反应堆能够利用自身的温度、功率负反馈特性有效地控制功率峰值和降低堆芯出口温度,保证反应堆在无保护情况下安全运行。因此,液态熔盐堆具有良好的固有安全性。