压水堆燃料辐照性能多物理耦合并行分析程序开发

核燃料元件是反应堆的核心部件,其性能影响反应堆的安全性与经济性,利用燃料元件性能分析程序开展燃料堆内稳态辐照性能分析对于燃料设计及安全评价具有重要意义。通过开发燃料温度分布、变形计算、裂变气体释放及内压等模型,结合燃料元件热工-力学多物理耦合计算分析耦合方案,基于先进并行计算方法构建了高性能并行化燃料性能分析程序Athena。利用典型商用压水堆核电站数据及同类程序计算结果进行了程序初步验证,结果表明Athena程序计算结果合理可靠。通过定义堆芯功率及热工水力边界条件,程序能够并行开展压水堆全堆芯燃料辐照性能分析,提高燃料辐照性能分析效率,是数值反应堆原型系统（CVR1.0）的重要组成。     

稳态堆芯多物理耦合系统CSSS V1.0的研发

充分考虑反应堆堆芯中子学物理、热工水力、燃料等专业的相互耦合过程,将先进节块法堆芯中子学计算软件NACK V1.0、热工水力子通道软件CORTH V2.0、燃料棒性能分析软件FUPAC V1.1进行集成耦合,得到稳态堆芯多物理耦合模拟设计分析系统CSSS V1.0,可计算典型压水堆的稳态运行物理、热工、燃料等专业参数。通过NEACRP-L-335压水堆基准问题验证计算,CSSS V1.0系统的计算结果与国际基准PARCS程序总体符合较好。     

稳态堆芯多物理耦合系统CSSS V1.0的研发

充分考虑反应堆堆芯中子学物理、热工水力、燃料等专业的相互耦合过程,将先进节块法堆芯中子学计算软件NACK V1.0、热工水力子通道软件CORTH V2.0、燃料棒性能分析软件FUPAC V1.1进行集成耦合,得到稳态堆芯多物理耦合模拟设计分析系统CSSS V1.0,可计算典型压水堆的稳态运行物理、热工、燃料等专业参数。通过NEACRP-L-335压水堆基准问题验证计算,CSSS V1.0系统的计算结果与国际基准PARCS程序总体符合较好。     

压水堆环形燃料结构热工水力分析方法研究

以秦山二期压水堆为参考堆型,对压水堆环形燃料结构进行热工水力分析方法研究。应用SAAF程序分析了从11×11到15×15等5种不同排列方式中不同尺寸的环形燃料棒的热工水力性能,综合最小偏离泡核沸腾比、压降和燃料芯块温度等参数确定了环形燃料组件最佳排列方式为13×13。本文研究结果为相关专业分析提供了初始计算模型。     

钠冷行波堆和驻波堆堆芯特性对比分析

采用自开发的MCNP-ORIGEN耦合程序MCORE对所设计的钠冷行波堆和驻波堆开展中子学和燃耗分析;基于MCORE获得的功率分布,采用自开发的钠冷快堆堆芯稳态热工水力分析程序SAST对钠冷行波堆和驻波堆堆芯开展热工水力分析。对比钠冷行波堆和驻波堆的堆芯物理特性和热工水力特性,结果表明：驻波堆在燃耗、最高包壳和燃料芯块温度方面具有优势,而行波堆在反应性波动和堆芯冷却剂出口温度均匀性方面具有优势。     

确定论数值反应堆程序NECP-X的开发及应用

数值反应堆是基于大规模并行计算平台,利用先进的物理模型和数值模拟算法,采用精细化建模,从而精确模拟反应堆在正常运行与事故工况中发生的各类物理现象的模拟技术。西安交通大学NECP团队基于自研的多群和连续能量数据库,提出了全局 局部耦合输运计算方法、大规模并行的2D/1D耦合输运方法等,开发了基于确定论方法的数值反应堆物理程序NECP X,并在此基础上实现了物理 热工 燃料性能分析的多物理耦合模拟计算。基于该程序及其耦合系统,在商用大型压水堆、研究堆和实验堆中进行了验证应用。数值结果表明,NECP X程序及其耦合系统可准确预测反应堆在运行过程中的关键安全参数随时间的演变情况,如有效增殖因数、功率、温度、应力、间隙宽度等,可为商用大型压水堆、研究堆和研究堆的设计及安全分析提供可靠的工具。     

SCWR堆芯三维稳态性能分析程序系统开发及验证

基于节块法中子扩散计算程序,二次开发了具备调棒临界-燃耗计算及燃料管理能力的超临界水堆(SCWR)堆芯稳态中子学计算程序NGFMN_S。通过模块化方式耦合NGFMN_S和超临界水堆子通道热工-水力计算程序ATHAS,开发了超临界水堆堆芯三维物理-热工水力耦合稳态性能分析程序SNTA。针对超临界水堆堆芯CSR1000,通过与耦合程序CASIR及SRAC/SPROD对比检验,结果表明:SNTA程序针对CSR1000问题的计算结果与参考程序符合良好;相比于堆芯计算采用细网有限差分方法的CASIR或SRAC/SPROD程序,SNTA程序的计算效率显著提高;适用于具备强烈核热耦合特性的超临界水堆堆芯的稳态性能分析。     

秦山核电厂反应堆热工水力设计

本文介绍了压水堆堆芯的热工-水力设计,其中包括了设计任务、准则和主要设计参数,并对秦山核电厂的热工和水力设计作了较详细的描述。简要说明了与热工水力设计有关的热工-水力试验。介绍了用“改进的单通道模型”进行设计及用“压水堆堆芯子通道分析程序”和“压水堆堆芯燃料棒热工特性程序”的主要结果。     

环形燃料热工水力性能分析程序开发及验证

本工作开发了环形燃料子通道分析程序SAAF。采用SAAF计算了西屋公司四环路压水堆所用环形燃料组件的热工水力性能,并与VIPRE-01的计算结果进行比较。结果表明,SAAF与VIPRE-01的计算结果符合较好,SAAF可用于环形燃料热工水力设计分析。     

数值反应堆堆芯通道级三维热工水力程序CorTAF开发及初步验证

堆芯是核动力系统的核心部件,其完整性是反应堆安全运行的重要前提。传统核反应堆堆芯热工水力分析方法无法满足未来先进核动力系统的高精度模拟需求。本文依托开源CFD平台OpenFOAM,针对压水堆堆芯棒束结构特点建立了冷却剂流动换热模型、燃料棒导热模型和耦合换热模型,开发了一套基于有限体积法的压水堆全堆芯通道级热工水力特性分析程序CorTAF。选取GE3×3、Weiss和PNL2×6燃料组件流动换热实验开展模型验证,计算结果与实验数据基本符合,表明该程序适用于棒束燃料组件内冷却剂流动换热特性预测。本工作对压水堆堆芯安全分析工具开发具有参考和借鉴意义。     

基于精细燃耗历史及精细燃耗链的球床高温气冷堆燃耗不确定性分析

球床高温气冷堆的燃料管理具有燃料球多次通过堆芯的特点,使得燃料元件经历的燃耗历史十分复杂。球床高温气冷堆堆芯物理设计程序VSOP可以提供燃料元件的精细燃耗历史,但仅包含少量燃耗链和核素种类。而清华大学自主开发的燃耗计算程序NUIT可实现精细燃耗计算,且包含完整燃耗链和核素信息,但不具备精细燃耗历史跟踪功能。本文基于NUIT,结合VSOP提供的球床高温气冷堆精细燃耗历史,开发了球床高温气冷堆堆芯的精细燃耗计算功能,搭建了带有精细燃耗历史模拟和精细燃耗链核素的燃耗分析流程,并实现燃耗不确定性分析功能。在此基础上研究了裂变产额不确定性对球床高温气冷堆燃耗计算不确定性的贡献,并与VSOP的计算结果进行对比。计算分析结果显示,基于NUIT的精细燃耗计算结果和VSOP的燃耗计算结果得到了相互验证,且可以得到更多的核素浓度信息,该计算结果是开展球床高温气冷堆衰变热不确定性研究的基础。     

On the few-group cross-section generation methodology for PBR analysis

The generation of accurate few-group nodal parameters, which strongly influences the accuracy of a reactor core criticality analysis, constitutes an important aspect of the work in developing advanced neutronics methodologies for pebble bed reactors (PBRs). As compared to other methodologies currently used for light water reactors (LWRs), the calculation at the core sub-region level for PBRs needs to account for the third spatial dimension because of the double heterogeneity of the configuration. This paper considers two modeling approaches for few-group cross-section generation: Monte Carlo (the MCNP code) and deterministic transport (the MICROX-2 code). Results from these codes are used to discuss the effect of the modeling assumptions (parameters) on the accuracy of the solution. Few-group cross-sections and spectral indices are calculated and compared for different packing fractions of the pebbles in the pebble lattice cell and different values of the moderator-to-fuel pebble ratio, temperature, and fuel burnup.     

高保真数值核反应堆不确定度量化方法研究进展

基于高保真模型和方法的数值反应堆具有高精度和高分辨率的特点,但核数据等参数固有的不确定度将严重影响其分析结果的不确定度。本文在综述国内外数值反应堆及其不确定度量化研究进展的基础上,重点介绍了西安交通大学核工程计算物理（NECP）实验室近年来在基于一步法的高保真数值反应堆程序NECP-X的研发与验证、核数据协方差数据库制作、基于确定论和抽样方法的不确定度传递方法研究及程序开发、核数据（包括截面、瞬发裂变谱、散射角分布等）的不确定度传递以及时空瞬态计算中的不确定度量化等方面的研究进展,提出了COST先进抽样方法,并首次基于高保真数值反应堆程序量化了各类核参数的协方差在堆芯稳态和瞬态分析中的不确定度传递,对于数值反应堆的工程应用具有重要意义。      

keff uncertainty quantification and analysis due to nuclear data during the full lifetime burnup calculation for a small-sized prismatic high temperature gas-cooled reactor

To benefit from recent advances in modeling and computational algorithms,as well as the availability of new covariance data,sensitivity and uncertainty analyses are needed to quantify the impact of uncertain sources on the design parameters of small prismatic high-temperature gas-cooled reactors(HTGRs).In particular,the contribution of nuclear data to the keff uncertainty is an important part of the uncertainty analysis of small-sized HTGR physical calculations.In this study,a small-sized HTGR designed by China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.was selected for keff uncertainty analysis during full lifetime burnup calculations.Models of the cold zero power(CZP)condition and full lifetime burnup process were constructed using the Reactor Monte Carlo Code RMC for neutron transport calculation,depletion calculation,and sensitivity and uncertainty analysis.For the sensitivity analysis,the Contribution-Linked eigenvalue sensitivity/Uncertainty estimation via Track length importance Characterization(CLUTCH)method was applied to obtain sensitive infor-mation,and the"sandwich"method was used to quantify the keff uncertainty.We also compared the keff uncertainties to other typical reactors.Our results show that 235U is the largest contributor to keff uncertainty for both the CZP and depletion conditions,while the contribution of 239Pu is not very significant because of the design of low discharge burnup.It is worth noting that the radioactive capture reaction of 28Si significantly contributes to the keff uncer-tainty owing to its specific fuel design.However,the keff uncertainty during the full lifetime depletion process was relatively stable,only increasing by 1.12％owing to the low discharge burnup design of small-sized HTGRs.These numerical results are beneficial for neutronics design and core parameters optimization in further uncertainty prop-agation and quantification study for small-sized HTGR.     

keff uncertainty quantification and analysis due to nuclear data during the full lifetime burnup calculation for a small-sized prismatic high temperature gas-cooled reactor

To benefit from recent advances in modeling and computational algorithms,as well as the availability of new covariance data,sensitivity and uncertainty analyses are needed to quantify the impact of uncertain sources on the design parameters of small prismatic high-temperature gas-cooled reactors(HTGRs).In particular,the contribution of nuclear data to the keff uncertainty is an important part of the uncertainty analysis of small-sized HTGR physical calculations.In this study,a small-sized HTGR designed by China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.was selected for keff uncertainty analysis during full lifetime burnup calculations.Models of the cold zero power(CZP)condition and full lifetime burnup process were constructed using the Reactor Monte Carlo Code RMC for neutron transport calculation,depletion calculation,and sensitivity and uncertainty analysis.For the sensitivity analysis,the Contribution-Linked eigenvalue sensitivity/Uncertainty estimation via Track length importance Characterization(CLUTCH)method was applied to obtain sensitive infor-mation,and the"sandwich"method was used to quantify the keff uncertainty.We also compared the keff uncertainties to other typical reactors.Our results show that 235U is the largest contributor to keff uncertainty for both the CZP and depletion conditions,while the contribution of 239Pu is not very significant because of the design of low discharge burnup.It is worth noting that the radioactive capture reaction of 28Si significantly contributes to the keff uncer-tainty owing to its specific fuel design.However,the keff uncertainty during the full lifetime depletion process was relatively stable,only increasing by 1.12％owing to the low discharge burnup design of small-sized HTGRs.These numerical results are beneficial for neutronics design and core parameters optimization in further uncertainty prop-agation and quantification study for small-sized HTGR.     

小型长寿命核能系统燃料物理性能的研究

本文在简要说明世界上小型长寿命核能系统研究现状的基础上,提出了使用钍-铀燃料和铅-铋冷却剂构造小型长寿命堆芯的设想,并为此进行了一系列燃料物理性能的研究.对于长寿命核能系统的堆芯物理设计,使反应性随燃耗变动最小非常重要,同时应该尽可能地提高堆芯的燃耗以满足长寿命运行的需求.本文使用MCNP和MCBurn程序详细计算分析了使用不同的初始驱动燃料、不同栅格、燃料成分和类型、富集度条件下,燃料栅元的燃耗反应性变化等性能,并对其进行了能谱、转换比、富集度变化等方面的分析,经过对比初步确定了使用钍-铀燃料构造长寿命堆芯的物理条件,并以此为起点构造出一个堆芯,计算给出了反应性空泡系数等安全参数.     

三维耦合分析软件的落棒事故分析

作为数值反应堆中必不可少的物理和热工部分,中广核研究院有限公司开发了三维物理热工耦合分析软件,通过动态链接库技术实现了自主研发的核反应堆系统瞬态分析软件和三维核设计软件的耦合,并已与国际基准题结果对比验证。本文为耦合软件的应用,围绕华龙一号的落棒分析问题,开展不同落棒组合的耦合计算分析,并研究停堆棒组落棒和温度调节棒（R）棒组两组落棒对堆芯功率的影响。分析结果表明,非中心对称的棒组落棒事故会导致堆芯径向功率出现不对称,并使得堆芯出口回路温度不同。落棒反应性价值越大,R棒调节后的稳态功率回升相比初始稳态差异越大,DNBR公式计算值的变化趋势与功率呈现相反规律。     

压水堆重反射层堆芯核热耦合高精度计算分析研究

重反射层的应用可提高反应堆中子经济性,其结构和中子吸收特性均与压水堆常规围板/反射层差异较大,因此对核设计程序的计算分析能力提出了新的要求。为分析重反射层建模方案对堆芯中子学计算结果的影响,使用先进中子学程序SCAP N和确定论堆芯高保真模拟程序NECP X对压水堆重反射层问题进行了高保真模拟,分析了5种反射层建模方案下计算结果的差异,并将高精度计算结果与商用核设计程序系统进行了对比。数值结果表明,重反射层水洞内冷却剂温度变化对计算结果影响较小;相较精确建模方案,重反射层铁水打混建模方案造成的反应性计算偏差在±30 pcm以内、组件相对功率分布计算偏差在±2%以内。