基于反复裂变几率法的敏感性分析初步研究

为研究在连续能量蒙卡程序临界计算中keff对核数据的敏感性分析方法,讨论keff对核数据的敏感性分析的理论基础。然后,阐述当前在连续能量蒙卡程序中广泛应用于伴随通量计算的反复裂变几率法的基本原理,以及伴随通量加权反应率的计数方法。最后,基于自主堆用蒙特卡罗程序(RMC),使用反复裂变几率法对聚乙烯球临界基准题进行敏感性分析。RMC计算结果与SCALE程序计算结果符合良好。     

基于RMC程序的k_(eff)对核数据的敏感性分析

适用于连续能量蒙特卡罗程序的敏感性分析方法是当前的研究热点。本文建立了5种不同反应类型的敏感性系数的计算公式,对当前应用广泛的反复裂变几率法的理论基础及算法进行了分析。分别使用RMC程序和MCNP6程序计算了keff对核数据的敏感性系数,计算结果吻合良好。本文结果表明RMC程序初步具备了敏感性分析的功能。     

RMC程序敏感性分析功能的并行策略与验证

针对堆用蒙特卡罗程序(RMC)中的有效增殖系数(keff)敏感性分析功能,为提高计算效率并降低内存占用,在RMC中实现了分别基于下一代裂变中子数以及中子产生率的伴随注量率估计方法的2种并行策略,并使用无限均匀介质多群算例和连续能量算例对该功能进行验证。结果表明,2种并行策略所求得的敏感性系数均与解析解、蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP6)的计算结果吻合良好,计算速度为MCNP6的3倍左右,统计不同核素的总截面敏感性系数的品质因子为MCNP6的4~8倍左右。     

函数展开计数在CLUTCH方法中的初步应用

反复裂变几率(IFP)方法广泛应用于求解k特征值对连续能量核数据的灵敏度系数,然而IFP方法存在内存占用大的问题,因此CLUTCH方法被提出以解决该问题。但对于大规模问题,如压水堆全堆问题,基于网格的CLUTCH(CLUTCH-Mesh)方法存在权重函数不易收敛的问题。本文采用函数展开计数(FET)方法对CLUTCH方法中的权重函数进行统计(CLUTCH-FET)以解决该问题,函数展开计数选取的基函数是勒让德多项式。本文在蒙特卡罗粒子输运计算程序NECP-MCX中实现了IFP、CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET 3种方法,以IFP方法的计算结果作为参考解,对CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET方法的精度和效率进行了验证。数值结果表明：对于小规模问题,如Godiva和Flattop问题,CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET方法具有与IFP方法相当的精度,且计算效率较IFP方法更高;对于大规模问题,如AP1000全堆问题,CLUTCH-Mesh方法的计算精度下降,而CLUTCH-FET方法可保持较高的精度和计算效率,CLUTCH-FET方法的品质因子较IFP方法和...     

在蒙特卡罗程序中统计共轭通量并计算中子动力学参数的方法

文章介绍了在蒙特卡罗程序中,使用反复裂变几率的统计结果作为共轭通量的估计,并作为权重函数计算动力学参数β_eff和Λ的方法,阐释了在连续能量蒙特卡罗程序MCNP和多群蒙特卡罗程序MCMG中实现这种方法的过程。数值校验结果表明：在几乎不带来附加计算量的同时,在MCMG中使用该方法统计得到的共轭通量与ANISN的共轭通量计算结果符合较好,在MCNP中使用该方法计算得到的中子动力学参数与基准测量结果符合较好。在蒙特卡罗程序中实现了高效率计算中子动力学参数的功能,为蒙特卡罗程序进一步用于反应堆动态行为的分析奠定了基础。     

基于经典微扰理论的特征值灵敏度和不确定度分析

核数据不确定度作为组件/栅元计算不确定度的重要来源,备受重视和研究。本文采用经典微扰理论,推导输运计算中keff对于核数据的灵敏度系数和不确定度的计算方法。基于ENDF/B-Ⅶ.1制作多群协方差数据库,并根据所采用的组件输运求解程序的截面模型对分反应道协方差矩阵进行归并。开发灵敏度和不确定度分析程序COLEUS,对传统压水堆燃料栅元进行计算分析。数值结果表明,栅元计算的keff对235 U每次裂变中子产额的扰动最为敏感,238 U俘获截面对keff不确定度的贡献最大。目前的核数据的不确定度会给keff带来0.4%~0.5%的不确定度。     

基于S/U分析方法的钍基熔盐装置核数据需求初步分析

采用蒙特卡罗微扰方法计算钍基熔盐堆装置(MSRE)的keff对关键核数据的灵敏度,结合数据中心制作的多群协方差核数据库,应用S/U分析方法分析核数据引入的不确定度,给出了核素数据重要性的排序。     

小波尺度函数展开共振自屏计算方法在有温度分布共振自屏计算问题中的应用研究

采用小波尺度函数展开方法来获得燃料栅元的径向功率分布,以及共振能区连续能量能谱在燃料栅元有径向温度分布情况下的径向变化。为了求解复杂几何多共振核素共振问题的,提出了小波尺度函数连续能量共振计算方法。通过与蒙特卡罗方法程序MCNP的计算结果进行比较,验证了方法的几何适应性和精度。该方法共振能区的连续能量核数据来自核数据处理程序NJOY,而非共振能区的多群核数据采用国际原子能机构发布的69群WIMSD4格式的数据库jeff31。由于多普勒温度效应,连续能量核数据随温度变化而不同,而数据库中不可能提供任意温度下的连续能量核截面。因此,本文采用插值方法来获得任意温度下的连续能量核截面,并验证了连续能量核截面温度插值对最终计算结果的影响。最终给出了存在径向温度分布的燃料栅元共振能区的连续能量能谱、反应率和无限增值系数,并与MCNP程序的结果比较。     

基于NECP-MCX的组件均匀化计算及其在HPR1000中的应用

基于蒙特卡罗的组件计算程序可以处理复杂几何问题，同时不需要确定论组件计算程序中的共振自屏计算，但是蒙特卡罗组件计算程序在扩散系数和不连续因子的产生上存在一定困难。因此，基于连续能量蒙特卡罗粒子输运计算程序NECP-MCX，开发了组件均匀化少群常数产生功能，使用严格考虑中子各向异性的累积徙动面积法产生扩散系数，利用基模修正考虑中子泄漏对中子能谱的影响，提出网格面计数方法计算修正的组件不连续因子。根据VERA二维组件问题对网格面计数方法进行了验证，并将NECP-MCX用于我国自主化核电“华龙一号”零功率启动物理试验的模拟计算。结果表明，与设计值对比，临界硼浓度、等温温度系数、控制棒积分价值的计算偏差均符合工业限值要求。该程序可以产生可靠的组件均匀化少群常数，计算精度符合工程计算的要求，为该程序在新型反应堆中的进一步应用打下了坚实基础。     

破损燃料组件中裂变产物向冷却剂释放量计算

分析包壳破损情况下裂变产物从燃料芯块向冷却剂的释放机理,建立裂变产物从燃料芯块向冷却剂的释放量的计算模型;采用CPR1000机型的设计参数对燃料包壳破损率、包壳破损尺寸和燃耗开展敏感性分析,计算等效逃脱率系数并与AP1000设计控制文件中给出的逃脱率系数进行比较。结果表明,包壳破损尺寸对裂变产物释放的影响较大,燃耗和包壳破损率对裂变产物释放影响较小。在包壳破口尺寸为34μm时,采用建立的计算模型计算所得部分核素的等效逃脱率系数与AP1000设计控制文件中给出的逃脱率系数极为接近。     

Monte Carlo uncertainty quantification of the effective delayed neutron fraction

The applicability of Monte Carlo techniques, namely the Monte Carlo sensitivity method and the random-sampling method, for uncertainty quantification of the effective delayed neutron fraction β_eff is investigated using the continuous-energy Monte Carlo transport code, MCNP, from the perspective of statistical convergence issues. This study focuses on the nuclear data as one of the major sources of β_eff uncertainty. For validation of the calculated β_eff, a critical configuration of the VENUS-F zero-power reactor was used. It is demonstrated that Chiba's modified k-ratio method is superior to Bretscher's prompt k-ratio method in terms of reducing the statistical uncertainty in calculating not only β_eff but also its sensitivities and the uncertainty due to nuclear data. From this result and a comparison of uncertainties obtained by the Monte Carlo sensitivity method and the random-sampling method, it is shown that the Monte Carlo sensitivity method using Chiba's modified k-ratio method is the most practical for uncertainty quantification of β_eff. Finally, total β_eff uncertainty due to nuclear data for the VENUS-F critical configuration is determined to be approximately 2.7% with JENDL-4.0u, which is dominated by the delayed neutron yield of ²³⁵U.     

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.     

Propagation of statistical and nuclear data uncertainties in Monte Carlo burn-up calculations

Two methodologies to propagate the uncertainties on the nuclide inventory in combined Monte Carlo-spectrum and burn-up calculations are presented, based on sensitivity/uncertainty and random sampling techniques (uncertainty Monte Carlo method). Both enable the assessment of the impact of uncertainties in the nuclear data as well as uncertainties due to the statistical nature of the Monte Carlo neutron transport calculation. The methodologies are implemented in our MCNP–ACAB system, which combines the neutron transport code MCNP-4C and the inventory code ACAB.     

基于启明星Ⅱ号的铅基堆核数据宏观检验

为提高铅基堆中子学模拟的可靠性,基于启明星Ⅱ号铅基零功率反应堆,开展铅基堆相关核数据的入堆宏观基准检验研究。采用周期法测量堆芯反应性,进而获得有效增殖因数keff为1001 14±0000 07。采用MCNP程序对铅基堆进行精细化建模,结合不同数据库内的中子评价核数据,计算实验燃料棒装载下的铅基堆芯的keff。比较结果可知,4种截面库计算的铅基堆keff模拟结果与实验结果吻合较好,最大相对偏差小于1%,其中,ENDF/B Ⅶ.1库的模拟结果与实验结果吻合最好,相对偏差和绝对偏差分别为025%和251 pcm。通过计算关键材料元素核数据引起keff的变化量,可知铅元素核数据引起的堆芯keff结果的波动量最大,在CENDL 31和JENDL 40中的铅元素引起keff的波动值分别为219 pcm和166 pcm。     

反应堆堆芯先进中子学模拟软件SCAP-N研发

堆芯中子学计算是反应堆设计分析的基础,为提高堆芯中子学计算的模拟分辨率与计算精度,开发了反应堆堆芯先进中子学模拟软件(SCAP-N)。该程序首先根据轴向特征对堆芯进行分层,并逐层进行二维堆芯非均匀输运计算,再采用超级均匀化方法(SPH)获得栅元等效均匀化截面,最后进行三维堆芯逐棒(pin-by-pin)输运计算,获得堆芯有效增殖因子与精细棒功率分布。为提高程序计算效率,采用分布式/共享式(MPI/OPENMP)混合并行方式对程序进行了并行化开发。利用虚拟反应堆(VERA)系列基准例题及美国先进非能动压水堆(AP1000)启动物理试验实测数据对程序进行了测试验证。结果表明,相比于商用核设计程序系统,SCAP-N程序采用的逐棒输运技术能够提高堆芯中子学的计算精度。与同类型高精度中子学程序相比,SCAP-N具有更高的计算效率,可进一步提高核电厂的经济性及运行灵活性。     

核临界安全中的监督现场测量技术--源倍增方法的某些问题

给出了核临界安全中监督现场的测量技术——源倍增法的实验理论和实验方法。源倍增法实际测量的是有源次临界中子有效增殖系数k2而不是中子有效增殖系数Keff。在铀溶液核临界装置上进行了实验研究用源倍增法测量了次临界系统在外中子源作用下铀溶液不同液位的有源次临界中子有效增殖系数k2;用周期法测量了单位铀溶液位的反应性系数,然后用临界液位与次临界液位之差乘以单位铀溶液位的反应性系数,给出系统次临界液位时的反应性．由反应性给出传统观念上的中子有效增殖系数keff 。讨论了它们的差别及对核临界安全的影响。     

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。     

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。