球床式高温气冷堆初次临界物理计算的蒙特卡罗方法模型分析

对HTR-10初次临界的几何模型进行了对比和分析,运用基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4．3程序描述了高温气冷堆的包缀燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯的随机混合分布应用TRIPOLI-4．3对HTR-10进行了初次临界物理计算,并且与已有的MCNP4B的计算结果进行了比较结果表明：基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4．3程序,采用适当的几何描述方式可以用手球床式高温气冷堆的初次临界堆芯物理计算．     

中国先进研究堆新燃料组件运输的临界安全分析

在新燃料组件运输过程中,临界安全是重点。使用MCNP程序对中国先进研究堆新燃料组件的运输进行临界安全计算分析,通过选取最不利临界安全的次临界限值、组件模型参数、事故工况来保证计算结果的保守性。结果表明,运输货包的临界安全指数可确定为0。该结果可为中国先进研究堆（CARR）的新燃料组件运输容器的研发提供参考依据。     

蒙特卡罗方法用于HTR-10首次临界燃料装料预估的校算

在10MW球床式高温气冷实验堆(HTR—10)首次临界前．达到首次临界的堆芯燃料球装量预估是物理设计的一项重要任务．为了确保物理设计的可靠性．引入蒙特卡罗程序MCNP对VSOP程序的计算结果进行校验。根据HTR—10的特点对燃料元件和堆结构．设计出近似而合理的MCNP描述;再选择合理的计算特征值问题的参数,包括跳过的周期数、每周期标定的源数目和得到特征值的周期数;研究燃料球结构的不同描述对κeff的影响;确定较优的计算方案。该方案的计算结果表明,在27℃、空气气氛下,MCNP和VSOP程序预估的达到首次临界的总球数分别为16864个和16821个,相对误差为0．25％。HTR-10的首次临界实验表明．预估与实验的结果相对误差小于1．0％。     

MVP程序用于HTR-10首次临界的计算

使用MVP程序对10 MW球床式高温气冷堆(HTR-10)的首次临界进行计算。计算中根据HTR-10的特点,应用MVP程序的统计几何模型来描述燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯内的随机混合分布。使用JENDL-3.3数据库时,MVP程序的结果与VSOP程序和MCNP程序相比差别稍大,而使用ENDF/B-Ⅵ.8数据库时结果则非常接近。与首次临界实验结果相比,相对误差均小于0.7%。结果表明,MVP程序可以用于球床式高温气冷堆的堆芯物理计算。     

随机球床模拟方法对氟盐冷却高温堆中子学参数的影响分析

氟盐冷却高温堆（FHR）采用氟盐冷却球形燃料元件,其中子物理计算面临双重不均匀性问题：燃料球在堆芯内的随机排布和包覆燃料颗粒在燃料球中的随机排布。此问题是该堆型设计中面临的主要挑战之一。本文基于MCNP程序和固态燃料钍基熔盐堆（TMSR-SF1）模型完成了不同燃料球床与燃料球描述对关键中子学参数（如k_eff、堆芯能谱、控制棒价值和温度系数等）的影响分析。燃料球床描述使用随机序列添加（RSA）方法建立了随机球床模型与体心立方（BCC）结构的等效规则模型。包覆燃料颗粒描述则基于简立方（SC）等效模型利用MCNP程序中的URAN卡实现随机扰动。结果表明,包覆燃料颗粒随机分布的影响远小于燃料球随机分布的影响;尽管具有相同的总堆积密度,等效规则模型相比于随机球床模型会增加堆芯中子的泄漏,低估冷态满装载反应性约0.5%,高估控制棒价值约5%。     

熔盐冷却球床实验堆堆内热源分布计算与分析

熔盐冷却球床堆采用球形燃料元件,冷却剂采用高温熔盐,其堆内热源分布与压水堆有着明显的区别,而与同样使用球形燃料元件的高温气冷堆相比,燃料球产生的中子和γ会在冷却剂中沉积更多的能量,因此准确计算堆内释热率分布对于这种新型反应堆的热工水力设计、瞬态分析、结构力学设计等都有重要意义。本文使用蒙特卡罗计算程序MCNP对中国科学院设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-SF1）堆内的释热率分布进行了详细计算研究,通过使用光子产生偏倚卡（pikmt）,经过3次MCNP输运计算得到了TMSR-SF1寿期初（BOL）及寿期末（EOL）堆内各部件的总释热率、体积释热率分布和最大体积释热率。计算结果显示,燃料球释热率占堆内总释热率的94%以上,熔盐和反射层释热率占总释热率的1%以上,其他堆内部件释热率的比例都小于1%。寿期末燃料球、控制棒与石墨球的释热率均有所减少,而反射层等其他构件的释热率有所增加。     

HTR-10球形燃料元件模型分析

中国的高温气冷堆(HTR-10)属球床型高温气冷堆,采用球形燃料元件.在运行工况下,由于温度和辐照引起的应力变化会使燃料元件发生失效,对其进行分析可更多了解燃料元件内的情况.本文主要介绍了球形燃料元件的基本结构,以及燃料元件的温度分布、应力分析、破损率计算模型,并计算了在一定堆工条件下的温度和应力分布.     

高温气冷堆燃料运输容器热工计算分析

采用CFX程序模拟高温气冷堆燃料运输容器内外导热、对流、热辐射等传热方式。计算结果表明:容器各部件温度不会超过限值、热工结构符合安全运输要求。将计算结果与容器火烧试验相比较,证明了计算模型的保守性与合理性。     

高温气冷堆和轻水堆超铀元素管理特性研究

乏燃料中长寿命锕系元素对环境造成长期潜在危害,本文研究球床高温气冷堆不同燃料循环中超铀元素的产生和焚烧特性。在250 MW球床模块式高温气冷堆示范电站HTR-PM铀钚循环的乏燃料中提取铀和钚作为核燃料,设计了PuO₂和MOX燃料元件,将新设计的燃料元件重新装入与HTR-PM相同结构和尺寸的堆芯,分别形成纯钚燃料循环和MOX燃料循环。采用高温气冷堆物理设计程序VSOP,研究了高温气冷堆一次通过燃料循环和不同闭式燃料循环的超铀元素焚烧特性,并与轻水堆燃料循环结果进行比较和分析。结果表明：高温气冷堆一次通过燃料循环超铀元素生成率约为轻水堆的1/2;高温气冷堆闭式燃料循环能有效嬗变超铀元素。     

高温气冷堆乏燃料分析实验室设计与设备研究

针对我国高温气冷堆乏燃料研究设施的空白,研究设计了专门用于高温气冷堆球形燃料元件辐照后性能研究的乏燃料分析实验室和专用工艺设备。基于球形燃料元件与包覆燃料颗粒的特殊结构,所设计的乏燃料分析实验室包括5间热室、6个手套箱和辅助设施,研究设计了专用的工艺实验设备,能够对辐照后的高温气冷堆燃料元件和包覆燃料颗粒进行宏观检查、燃耗测量、元件解体、模拟事故条件加热、辐照微球γ测量分析破损率,通过金相显微镜和扫描电镜进行微观结构分析,开展燃料元件的辐照失效机理研究。     

CEFR-MOX新燃料组件运输货包临界安全计算

易裂变材料运输过程中重要的安全问题之一是临界安全。在对运输货包进行临界安全分析中必须要同时考虑多货包阵列形式、事故后货包损伤对临界安全影响、最佳水慢化条件等因素。本文采用MCNP 程序针对CEFR-MOX新燃料组件运输货包进行了临界安全计算。计算结果表明:MCNP程序(采用核截面库为ENDF/B-V库)对本问题的次临界限值为0.924 6;正常运输条件下无限个运输货包的最大k_eff值为0.574 4,运输事故条件下无限个运输货包的最大k_eff值为0.659 7。根据临界安全指数的定义,确定CEFR-MOX新燃料组件运输货包的临界安全指数为0。     

New Sampling Method in Continuous Energy Monte Carlo Calculation for Pebble Bed Reactors

A pebble bed reactor generally has double heterogeneity consisting of two kinds of spherical fuel element. In the core, there exist many fuel balls piled up randomly in a high packing fraction. And each fuel ball contains a lot of small fuel particles which are also distributed randomly. In this study, to realize precise neutron transport calculation of such reactors with the continuous energy Monte Carlo method, a new sampling method has been developed. The new method has been implemented in the general purpose Monte Carlo code MCNP to develop a modified version MCNP-BALL. This method was validated by calculating inventory of spherical fuel elements arranged successively by sampling during transport calculation and also by performing criticality calculations in ordered packing models. From the results, it was confirmed that the inventory of spherical fuel elements could be reproduced using MCNP-BALL within a sufficient accuracy of 0.2%. And the comparison of criticality calculations in ordered packing models between MCNP-BALL and the reference method shows excellent agreement in neutron spectrum as well as multiplication factor.

MCNP-BALL enables us to analyze pebble bed type cores such as PROTEUS precisely with the continuous energy Monte Carlo method.     

田湾核电站乏燃料干式贮存临界安全计算研究

以CASTOR 1000/19干式贮存容器装载田湾核电站六角形乏燃料组件为例,研究六角形乏燃料干式贮存的临界安全问题。基于新燃料假设,应用MONK9A程序对贮存容器满装载乏燃料进行不同工况下k_eff的计算。计算结果表明：正常工况下,k_eff远小于临界安全限值,是临界安全的;事故工况下,当²³⁵U富集度大于3.15%时,系统存在临界安全风险,须减少乏燃料装载量来确保临界安全。考虑燃耗信任制后,采用相同的模型计算得出贮存容器满装载的参考装载曲线,按此曲线要求装载能确保所有工况下的系统临界安全。采用燃耗信任制技术提高了贮存容器的利用率。该研究可为田湾核电站采用乏燃料干式贮存方案提供依据。     

Small high temperature gas-cooled reactors with innovative nuclear burning

Since the innovative concept of CANDLE (Constant Axial shape of Neutron Flux, nuclide densities and power shape During Life of Energy producing reactor) burning strategy was proposed, intensive research works have been continuously conducted to evaluate the feasibility and the performance of the burning strategy on both fast and thermal reactors. We learned that one potential application of the burning strategy for thermal reactors is for the High Temperature Gas-Cooled Reactors (HTGR) with prismatic/block-type fuel elements. Several characteristics of CANDLE burning strategy such as constant reactor characteristics during burn-up, no need for burn-up reactivity control mechanism, proportionality of core height with core lifetime, sub-criticality of fresh fuel elements, etc. enable us to design small sized HTGR with a high degree of safety, easiness of operation and maintenance, and long core lifetime which are required for introducing the reactors into remote areas or developing countries with limited infrastructures and resources. In the present work, we report our evaluation results on small sized block-type HTGR designs with CANDLE burning strategy and compared with other existing small HTGR designs including the ones with pebble fuel elements, under both uranium and thorium fuel cycles.     

新燃料元件运输容器热工安全分析及试验验证

新燃料元件运输容器是为运输493反应堆燃料元件设计的专用设备。为保证燃料元件在运输过程中的安全性,使运输容器及燃料元件的各项性能指标符合标准GB 11806-2004的要求,对运输容器进行了热工设计计算和验证试验。通过计算与相应热工试验结果的比较,验证了运输容器热工设计的准确性。采用该运输容器运输新燃料元件,在正常运输工况和事故运输工况下可保证燃料元件的安全,完全满足GB 11806-2004的规定。     

Criticality assessments using polyurethane foam

Abstract

Rolls-Royce has designed a package to transport and store fresh fuel assemblies and anticipates approval from the regulators for the new package design in the near future. The space between the inner and outer steel shells is filled with shaped blocks of rigid polyurethane foam, of two different densities. The criticality safety case for the fresh fuel package had to consider single packages and arrays of packages under routine, normal and accident conditions. IAEA regulatory requirements state that the criticality assessment must include investigations on the effect on the neutron multiplication factor k _eff due to impacts, flooding and fire. Sensitivity studies must also be carried out to determine the effects on the k _eff due to any uncertainties in the composition of the fuel and container materials. An important part of the criticality safety case is the treatment of the foam. The approach adopted to model the polyurethane foam is the subject of this paper. The following were investigated: (1) the effect on the k _eff of varying the elemental composition of the foam, including the removal of hydrogen; (2) the experimental analysis of burnt foam; (3) the effect of addition of water to the foam to simulate water absorption; (4) a simple representation of crushed foam to simulate knock-back in the package; (5) extreme representations of burnt foam, such as replacing foam with solid carbon or as randomly distributed spheres of carbon to represent soot. These investigations were most informative and should be considered in any criticality assessments of transport packages containing large amounts of foam in the future.     

小型移动式铅铋堆运输过程堆芯进水事故工况下临界安全问题研究

小型移动式铅铋堆由于在海岛、偏远地区等场景的应用需要,整堆运输的安全可行性成为必要设计目标之一。基于小型移动式铅铋堆自身特点,采用谱移吸收材料的反应性控制手段进行反应性控制方案研究,以确保整堆运输的临界安全。利用MCNP软件计算在运输过程、堆芯进水事故工况下表面涂覆不同厚度Gd2O3涂层的燃料芯块的有效增殖系数（keff）,其中涂层厚度为50μm时满足临界安全要求;分析加入谱移吸收材料后堆芯的燃耗特性、功率分布和传热,验证表明其不影响堆芯正常运行,确定了此种反应性控制方案的可行性。     

球床式高温气冷堆MOX燃料循环优化

与压水堆相比,球床式高温气冷堆能在堆芯结构不做明显改变的情况下采用全堆芯装载混合氧化物（MOX）燃料元件。基于250 MW球床模块式高温气冷堆堆芯结构,设计了4种球床式高温气冷堆下MOX燃料循环方式,包括铀钚混合的燃料球和独立的钚球与铀球混合装载的等效方式,采用高温气冷堆设计程序VSOP进行分析,比较了初装堆的有效增殖因数、燃料元件在堆芯内滞留时间、卸料燃耗、温度系数等主要物理特性。结果表明：采用纯铀和纯钚两种分离燃料球且铀燃料球循环时间更长的方案,平均卸料燃耗较高,总体性能较其他循环方式优越。