ADS启明星1#次临界反应堆缓发中子有效份额的测量

本文提出了利用改进的源倍增法测量次临界系统的绝对反应性与跳源法测量的相对反应性相比获得缓发中子有效份额β_eff的方法。用改进的源倍增法测量了ADS启明星1#次临界反应堆某次临界状态下的绝对反应性为-2.235×10^-3。在相同的次临界状态下,用跳源法测量了以β_eff为单位的反应性ρ/β_eff为-0.291 5 $,二者相比得到ADS启明星1#次临界反应堆的缓发中子有效份额为0.007667。利用MCNP建模计算的结果为0.007 783,两者在2%内符合。     

加速器驱动的次临界系统初步概念设计

基于初始Pu装载对加速器驱动的次临界系统(ADS)嬗变次锕系核素（MA）的影响,提出了6种采用(TRU-10Zr)-Zr*弥散体燃料的ADS概念设计方案。运用MCNP与ORIGEN2程序对ADS嬗变MA堆芯进行稳态与燃耗计算,比较分析MA的嬗变效果、有效增殖因数k_eff、质子束流流强I_p与初始Pu含量的关系。计算结果表明：随着初始Pu含量的增加,MA的嬗变率减小,初始I_p增大;初始Pu含量小于33%,k_eff随时间的变化是先增大后减小,大于33%后一直减小,且随着初始Pu含量的增加,k_eff减小得更加明显。故初始钚含量为33%的方案为最佳,其k_eff的相对变化不超过1%,I_p小于20 mA,MA嬗变率高达28.06%,嬗变支持比为29.23,满足初步设计要求。     

双面慢化环形燃料反应堆物理实验

环形燃料零功率反应堆是首个双面慢化环形燃料作为核燃料的反应堆。本文采用周期法、落棒法获取环形燃料零功率反应堆的临界参数、控制棒价值、元件价值、含Gd元件的反应性效应等关键参数,对环形燃料零功率反应堆的物理性能进行实验研究,验证环形燃料反应堆堆芯物理设计计算程序。结果表明：根据外推过程确定堆芯临界装载环形燃料元件96根,实心燃料元件172根,此时k_eff为1.000 40,堆芯调节棒价值为-247.5 pcm,安全棒价值为-1 358.4 pcm;元件价值与理论值平均偏差为1.3 pcm,含Gd元件反应性效应与理论值平均相对偏差为8.8%。本文结果为环形燃料的工程化设计程序提供关键数据支撑。     

基于MOREL2.0对石墨慢化熔盐堆的稳态分析

熔盐堆采用熔融的氟化盐混合物作为燃料和堆芯的冷却剂,由于燃料的流动,熔盐堆在中子学和热工水力学方面与传统固体燃料反应堆有着较大区别。本文基于熔盐堆分析程序MOREL2.0对钍基熔盐堆（TMSR）初步堆芯设计方案进行了稳态计算分析,结果表明：燃料流动对缓发中子先驱核的分布影响较大,并导致169 pcm反应性损失;随燃料在外部回路中滞留时间的增加,k_eff降低,80 s后趋于平稳;TMSR具有负的入口燃料温度系数,具有固有安全性。     

钍基ADS快热耦合次临界核系统燃耗特性分析

在钍基ADS快热耦合次临界反应堆设计的基础上,应用研制的蒙特卡罗燃耗程序MCNTRANS对次临界堆芯在恒定功率下整个寿期内的燃耗特性进行了计算,研究分析了堆芯嬗变能力、钚焚烧性能、堆芯寿期内k_eff变化及加速器束流的协调匹配。分析结果表明：所设计堆芯的次锕系核素（MA）嬗变支持比可达15个百万kW级的PWR,长寿命裂变产物（LLFP）嬗变支持比为2.2个百万kW级的PWR;热区内²³³U的裂变贡献为25％,堆芯嬗变、增殖能力强。整个堆芯寿期内k_eff变化在1%左右,降低了ADS对加速器束流强度的要求。     

AP1000机组首次临界试验验证计算

首次临界试验是压水堆核电厂调试启动过程的关键环节,旨在确认核反应堆堆芯能按照设计要求达到预期的临界运行状态。本文利用西安交通大学自主研发的NECP-Bamboo程序系统对AP1000机组堆芯的首次临界试验的设计结果进行了验证计算,并与AP1000堆芯的核设计结果进行了比较。计算结果表明：预估临界状态下的硼浓度的偏差为-15 ppm,控制棒积分价值的最大偏差为-52 pcm,硼微分价值的偏差不超过0.2 pcm/ppm,反应性温度系数的偏差不超过1 pcm/K。本文计算结果的精度与高保真计算程序KENO（概率论方法）和VERA（确定论方法）的计算精度相当,为确保AP1000堆芯调试启动阶段的核安全提供了进一步的数据支撑。     

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。     

铅冷快堆嬗变次锕系核素对安全性的影响研究

铅冷快堆可用于对乏燃料中部分次锕系（MA）核素进行后处理,为研究MA核素的添加是否会影响反应堆安全性能,本文设计了3种MA核素添加方式,分析研究了MA核素在铅冷快堆中嬗变对堆芯临界性能、堆芯寿期和燃料温度系数的影响。结果表明,MA核素的添加会对堆芯临界性能产生影响,使堆芯初始临界性能下降;镀层和混合燃料添加方式对铅冷快堆的寿期有明显的延长,嬗变棒添加方式根据添加位置不同对堆芯寿期的影响不同;MA核素的添加会引起燃料温度系数的改变,但燃料温度系数始终为负。本文提出的3种添加方式均可行,但是嬗变棒添加方式需要注意嬗变棒位置对堆芯寿期的影响,不建议采用较为集中的嬗变棒分布方式。      

径向倒料行波堆MA嬗变可行性分析

行波堆可使用低富集度核燃料达到较高的燃耗,核废料不需再回收处理,是闭式燃料循环外有效的核燃料利用体系。为进一步挖掘行波堆在核燃料利用方面的优势,本文对行波堆嬗变次锕系核素(MA)进行了可行性分析。在自主设计的1 250 MWt棋盘式径向倒料钠冷行波堆中均匀添加MA,质量份额从2.0%至12.0%。采用自主开发的MCNP-ORIGEN耦合燃耗计算程序进行分析计算。结果表明,MA嬗变量随MA质量份额的增大线性增大,而嬗变率随MA质量份额的增大呈抛物线变化。同时研究了MA质量份额对堆芯安全参数的影响,如堆芯有效增殖因数、多普勒反馈系数、空泡系数和有效缓发中子份额等。计算结果表明,堆芯有效增殖因数和空泡系数随MA质量份额的增大而增大,多普勒反馈系数和有效缓发中子份额随MA质量份额的增大而减小。     

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。      

Revisiting the concept of HTR wallpaper fuel

As early as the 1970s, attempts were made to reduce the peak fuel temperature by means of so-called “wallpaper fuel”, in which the fuel is arranged in a spherical shell within a pebble: By raising particle packing fraction, fuel kernels are condensed to the outer diameter of the fuel zone, leaving a central part of the pebble free of fuel. This modification prevents power generation in this central fuel-free zone and decreases temperature gradient across the pebble.Besides particle temperature reduction, the wallpaper concept also enhances neutronic performance through improved neutron economy, resulting in reduced fissile material and/or enrichment needs or providing the potential to achieve higher burn-up. To assess such improvements, calculations were performed using Monte Carlo neutron transport and depletion codes MCNP/MCB. Among others, investigations of conversion ratio, temperature coefficient of reactivity, spent fuel composition and neutron multiplication (for which a method to determine the six-factor formula was developed), were conducted.It is demonstrated that this fuel type impacts positively on the fuel cycle, reduces production of minor actinides (MA) and improves the safety-relevant parameters of the reactor. A comparison of these characteristics with PBMR-type fuel is presented: By comparison with PBMR fuel, the “wallpaper design” results in an effective neutron multiplication coefficient increase (by about 1750 pcm), which is combined with a decrease of between 4.6 and 17.5% in MA production. An improved neutron economy of the heterogeneous design enables enrichment of the “wallpaper type” of fuel to be reduced by more than 6%.The fuel changes suggested in this paper offer more versatility to the HTR concept: Conversion ratio can be decreased (leading to lower MA build-up and fuel reprocessing cost) or raised (leading to lower fuel consumption and fuel cost). Variations around this concept also enable higher reactivity, thus higher achievable burn-up, improving sustainability of HTRs.     

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。     

通用型中子输运程序VITAS应用研究

为提高确定论全堆芯中子输运程序的适用性,开发了通用型中子输运程序 VITAS。针对TAKEDA3 基准题(矩形组件)、TAKEDA4 基准题(六角形组件)、Dodds 基准题(R-Z 几何)和 C5G7-TD5 基准题(压水堆高保真计算)的验证结果表明,高阶的空间和角度基函数能够使结果稳定地向参考解渐进收敛,达到与多群蒙卡相当的计算精度水平。与参考解相比,TAKEDA3 基准题有效增殖系数(k_eff)偏差低于 60pcm(1pcm=10^-5),控制棒价值偏差为-3pcm,中子通量密度分布均方根(RMS)偏差为 1.03%;TAKEDA4 基准题 k_eff偏差低于 20pcm,控制棒价值偏差为 32pcm,中子通量密度分布 RMS 偏差为 0.70%;Dodds 基准题的功率最大偏差低于 1%;C5G7-TD5 基准题的功率偏差低于 0.9%。本文研究表明 VITAS 有望成为一套精确求解中子输运问题的通用型计算工具。     

Use of Thorium-Plutonium MOX in the inner pins of CANDU fuel bundles

This research is focused on using Thorium-Plutonium MOX fuel in the inner fuel pins of the CANDU fuel bundles for plutonium incineration and reduction of uranium demand and to reduce coolant void reactivity. The delayed neutron fraction and the power distribution amongst the fuel elements of the fuel bundle have been considered as main safety parameters.The 700 MWe Advanced CANDU Reactor (ACR-700) was selected as a case study. The inner eight UO₂ fuel pins of the ACR-700 fuel bundle are replaced by Thorium-Plutonium MOX fuel pins in the proposed design with 3% reactor grade PuO₂. This amount represents 23.4 w/o of the fuel in the bundle. The outer two fuel rings (35 pins) enrichment is reduced from 2.1 w/o U-235 to 2 w/o U-235. The simulation using MCNP6 showed that about 27% reduction of uranium demand can be achieved. The proposed fuel bundle eliminate the use of burnable poisons in the central pin that was used for negative coolant void reactivity and more reduction in the coolant void reactivity was achieved (about 3.5 mk less than the reference fuel bundle). The power distribution throughout the fuel bundle is more flat in the proposed fuel bundle. Use of this fuel bundle reduces the delayed neutron fraction from 540 pcm in the reference case to 480 pcm in the proposed case.     

CAP1400数值反应堆系统关键技术研究及示范应用

本文系统介绍了“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”国家科技重大专项课题“CAP1400数值反应堆关键技术研究”的主要研究成果。课题首先分别开发了基于确定论方法和蒙特卡罗方法的高保真堆芯物理计算程序,然后开发了pin by pin先进子通道分析程序和基于精细网格的燃料棒性能分析程序,以此为基础建立了物理 热工 燃料性能多物理耦合的CAP1400数值反应堆系统。利用国际基准题VERA、AP1000启动物理实验参数对数值反应堆系统进行了验证和确认,并进一步实现了CAP1400大型先进压水堆的启动物理参数、循环模拟分析和部分功率能力分析的示范应用。数值结果表明,所开发的数值反应堆关键分析软件具有很高的计算精度,可直接服务于CAP1400的设计验证、物理启动和运行支持。     

Effects of high density dispersion fuel loading on the kinetic parameters of a low enriched uranium fueled material test research reactor

The effects of using high density low enriched uranium on the neutronic parameters of a material test research reactor were studied. For this purpose, the low density LEU fuel of an MTR was replaced with high density LEU fuels currently being developed under the RERTR program. Since the alloying elements have different cross-sections affecting the reactor in different ways, therefore fuels U–Mo (9 w/o) which contain the same elements in same ratio were selected for analysis. Simulations were carried out to calculate core excess reactivity, neutron flux spectrum, prompt neutron generation time, effective delayed neutron fraction and feedback coefficients including Doppler feedback coefficient, and reactivity coefficients for change of water density and temperature. Nuclear reactor analysis codes including WIMS-D4 and CITATION were employed to carry out these calculations. It is observed that the excess reactivity at the beginning of life does not increase as the uranium density of fuel. Both the prompt neutron generation time and the effective delayed neutron fraction decrease as the uranium density increases. The absolute value of Doppler feedback coefficient increases while the absolute values of reactivity coefficients for change of water density and temperature decrease.