基于NECP-X程序的C5G7-TD系列基准题的计算与分析

C5G7-TD系列基准问题是经济发展与合作组织核能机构（OECD/NEA）建立的,通过该系列基准题可以验证三维非均匀瞬态输运计算的程序计算能力和计算精度。NECP-X程序是西安交通大学核工程计算物理实验室（NECP）开发的数值反应堆物理计算程序,为了更好地验证其时空中子动力学模块,本文利用NECP-X对C5G7-TD非均匀瞬态基准题阶段1的所有算例进行计算,并与国际知名高保真中子学程序nTRACER进行对比分析,给出总功率和三维精细功率分布随时间的变化。数值结果表明,NECP-X中的时空中子动力学模块计算结果精度高,计算结果分辨率高,计算时间处于国际先进水平,能够满足三维高保真时空动力学计算的需求。      

基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用

针对各类小型动力堆或实验堆开展物理-热工耦合模拟计算时,由于非规则几何结构的存在而带来物理-热工网格映射关系复杂且不可统一预置的问题,基于数值反应堆高保真物理计算程序NECP-X开展了基于统一几何建模的物理-热工耦合方法研究,基于中子学模型建立物理-热工耦合的映射关系,并结合NECP-X程序中的瞬态计算方法实现了特殊功率偏移实验（SPERT）实验堆堆芯的直接瞬态计算;计算了SPERT实验堆稳态算例并与蒙特卡罗程序的结果进行对比,在此基础上,对SPERT实验堆进行了瞬态计算分析并与实验值进行对比。结果表明,NECP-X程序中子学计算的特征值和棒功率分布计算结果具有较高的精度;基于统一几何建模的网格映射方法可以方便快捷地实现复杂几何压水堆的物理-热工耦合计算;与实验值相比,瞬态计算的总功率、反应性随时间的变化曲线具有较高的精度,并且可提供精细的功率及温度分布。      

NECP-X中角度与特征线并行的研究与实现

特征线方法在应用于全堆芯三维输运计算时面临着计算时间长、内存需求量大的问题,而大规模并行是最有效的解决办法。传统的并行策略是进行空间的区域分解,但当问题的几何规模较小时,其并行度有限,无法充分利用并行资源。本文在高保真物理计算程序NECP-X空间区域分解的基础上研究了角度和特征线的三重并行计算。为实现角度并行的负载平衡,采用了考虑权重的贪婪算法角度并行策略;为节省内存,在共享内存的并行模式下采用动态调度的分配方案实现特征线并行。数值结果表明,NECP-X中的角度和特征线并行效率较高,可在空间区域分解并行的基础上进一步扩大并行规模,提高计算速度。     

核反应堆物理确定论计算程序系统NECP软件包的研发与应用

NECP软件包是西安交通大学反应堆物理团队开发的确定论核反应堆物理计算程序系统,软件包包括自主化的NECP-Atlas、Bamboo、X和SARAX程序。NECP软件包经过了大量的验证与确认。数值结果表明,NECP软件包精度高,可满足不同反应堆物理计算需求,具有高度的通用性并实现了对压水堆的高保真建模和计算。目前程序已应用于我国大型压水堆项目、示范快堆项目等重点工程。应用结果表明,NECP软件包已达到甚至优于国际先进核设计程序水平,对我国核电软件自主化和核设计能力提升具有重要的意义。     

六角形布置反应堆高保真物理计算方法研究与验证

俄罗斯商用压水堆VVER和大多数实验堆均采用了六角形紧凑型栅格布置,为了实现VVER和六角形实验堆的高保真数值模拟分析,本文基于数值反应堆物理计算程序（NECP-X）开展了六角形堆芯高保真计算方法研究和程序开发。首先,将全局-局部耦合共振自屏计算方法拓展至六角形堆芯,实现六角形堆芯燃料棒的全堆芯高精度共振计算;其次,基于2D/1D耦合输运计算方法研究了六角形堆芯的高保真计算方法;最后,为了提高全堆芯计算的计算效率,研究了基于区域分解松耦合的非结构网格的粗网有限差分（CMFD）加速方法,可以实现以矩形、六角形和其他多边形栅元为基础的pin-by-pin CMFD 加速。为了验证六角形堆芯高保真计算方法的精度和效率,计算了六角形C5G7基准问题,并分析了六角形输运计算方法的计算精度和CMFD方法的加速效果;将NECP-X程序应用于西安脉冲堆的2D全堆芯计算,与蒙特卡罗程序的结果对比表明NECP-X程序计算得到的特征值和功率分布均具有较高精度。因此,本文建立的六角形堆芯高保真计算方法可以应用于六角形堆芯的分析计算。      

NECP-X的多重并行策略及效率优化

特征线方法在应用于全堆芯三维输运计算时面临着计算时间长、内存需求量大的问题,而大规模并行是最有效的解决办法。我国超级计算机的快速发展使大规模并行计算逐渐成为可能,而如何发展相应的并行算法成为当务之急。本文基于数值反应堆物理计算程序NECP-X研究特征线方法的空间、角度和特征线多重并行策略。为实现高效并行,空间并行采用了区域分解的并行方式;为充分考虑角度并行的负载平衡,采用了“贪婪算法”角度区域分解算法;为节省内存和提高效率,应用并分析了共享式内存并行模式下动态调度的特征线并行方案。数值结果表明,NECP-X中的空间、角度和特征线并行效率较高,可充分利用并行资源,实现大规模并行。     

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。      

Effect of Nuclear Data Libraries on Tritium Breeding in a (D–T) Fusion Driven Reactor

In design a Deuterium–Tritium (D–T) fusion driven hybrid reactor, neutronics and nuclear data libraries have an essential role for reliable neutronics calculations. Therefore, nuclear data libraries are very important to calculate of the neutronic parameters and selection of tritium breeder materials to be used in the blanket. In this study tritium breeding performances of candidate tritium breeding materials, namely, Li₂O, LiH, Li₂TiO₃, Li₂ZrO₃ and Li₄SiO₄ in a (D–T) driven fusion–fission (hybrid) reactor is investigated based on three dimensional (3-D) and one dimensional (1-D) neutronic calculations. 3-D and 1-D neutron transport calculations are performed with Monte Carlo transport code (MCNP 4C), SCALE 5 and ANISN nuclear data codes to determine the tritium breeding ratio (TBR) of the blanket. The effects of different nuclear data libraries on TBR are examined and TBR calculation results are comparatively investigated.     

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。     

基于统计抽样的压水堆燃料组件性能分析不确定度量化研究

为能在给出数值模拟结果的同时提供置信区间,本文开展了压水堆燃料性能分析、组件燃耗和热工水力学分析计算的不确定度量化研究。采用西安交通大学自主开发的不确定度分析程序平台NECP UNICORN,分别耦合了轻水堆燃料性能分析程序FEMAXI、压水堆群常数计算程序NECP Bamboo Lattice和热工水力子通道程序CTF。首先针对不同物理过程的特点,分析需要考虑的不确定度来源。然后针对核数据协方差矩阵稀疏且不满秩的特点,应用COST方法以减少样本量。结果表明,对于燃料性能分析,边界条件、几何参数和材料性质对燃料中心温度有显著影响。对于燃耗过程,核数据和几何参数对特征值、功率分布、两群常数和核子密度的不确定度有显著影响。对于热工水力分析过程,边界条件、几何参数和模型系数对冷却剂温度和包壳温度的不确定度有较大影响。针对每种物理场,分别量化其输入输出参数的不确定度,对于后续量化复杂系统多物理耦合过程的不确定度具有重要意义。     

核数据处理软件NECP-Atlas中的光子相关数据计算方法研究

NECP-Atlas是西安交通大学自主研制的核数据处理软件,具有丰富的功能,可将评价核数据制作为后续核设计所需的应用核数据库,本文在NECP Atlas中建立了光子相关数据的计算方法,可计算产生中子核反应释放的瞬发光子产生截面、光子与原子的反应截面,裂变产物衰变释放的缓发光子多群产生矩阵,以及光子辐照损伤截面等数据。数值结果显示,如果不考虑缓发光子,钠冷快堆中控制组件、反射层组件的光子功率与参考解的最大偏差可达3258%、2041%,采用NECP Atlas计算的多群缓发光子产生矩阵后两类组件偏差降为093%以下。采用文献结果对Fe的光子辐照损伤截面进行了验证,计算结果与参考解吻合良好。     

聚变驱动次临界堆输运燃耗计算二维效应分析研究

使用多功能中子学程序系统VisualBUS对聚变驱动次临界堆进行二维输运燃耗计算,分别使用与一维计算模型相同的材料份额、相同的初装质量和相同的初始keff三种情况与一维计算结果进行比较.计算结果的比较和分析表明,在相同材料体积份额和相同初装质量情况下,二维计算的中子学参数与一维计算结果差别较大,而在相同初始keff条件下,两者结果较为接近,可以满足设计方案的中子学目标.     

Integral Data Test of HENDL1.0／MG with Neutronics Shielding Experiments （Ⅱ）

The multi-group working nuclear data library HENDL1.0/MG is numerically tested with a series of existent benchmark spherical shell experiments (Si, Cr, Fe, Cu, Zr and Nb) by calculations using the multi-functional neutronics code VisualBUS. The ratio of calculated/measured neutron leakage rates and the neutron leakage spectra are presented in tabular and figural forms. The results from the calculations with the code ANISN and IAEA data library FENDL2.0/MG were also included for comparison, where the origination of the data used is different from that of HENDL1.0/MG.     

Integral Data Test of HENDL1.0/MG with Neutronics Shielding Experiments(Ⅱ)

The multi-group working nuclear data library HENDL1.0/MG is numerically tested with a series of existent benchmark spherical shell experiments (Si, Cr, Fe, Cu, Zr and Nb) by calculations using the multi-functional neutronics code VisualBUS. The ratio of calculated/measured neutron leakage rates and the neutron leakage spectra are presented in tabular and figural forms.The results from the calculations with the code ANISN and IAEA data library FENDL2.0/MGwere also included for comparison, where the origination of the data used is different from that of HENDL1.0/MG.     

Integral Data Test of HENDL1.0／MG and VisualBUS withNeutronics Shielding Experiments （Ⅰ）

HENDL1.0/MG, a multi-group working library of the Hybrid Evaluated Nuclear Data Library, was home-developed by the FDS Team of ASIPP (Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences) on the basis of several national data libraries. To validate and qualify the process of producing HENDL1.0/MG, simulating calculations of a series of existent spherical shell benchmark experiments (A1, Mo, Co, Ti, Mn, W, Be and V) have been performed with HENDL1.0/MG and the multifunctional neutronics code system named VisualBUS homedeveloped also by FDS Team.     

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。     

镓样品泄漏中子谱的测量与分析

基于中国原子能科学研究院的中子学积分实验装置,利用BC501A液体闪烁体探测器,结合飞行时间法（TOF）测量了镓样品的泄漏中子谱。采用MCNP 4C程序进行了模拟并与实验泄漏中子谱进行了比较,对ENDF/B-Ⅶ.1、JEFF-3.2、TENDL-2015数据库中镓核中子评价数据进行了宏观基准检验分析,并与TALYS程序计算结果作对比。研究结果显示：在9 MeV以下能区,TENDL-2015库与实验结果符合很好;在弹性散射能区,JEFF-3.2和TENDL-2015库与实验结果符合较好;对于12 MeV左右的非弹性散射峰,JEFF-3.2库与实验结果符合较好,TALYS计算结果显示该部分主要来自镓核分离能级的贡献。     

JENDL/ImPACT-2018: a new nuclear data library for innovative studies on transmutation of long-lived fission products

ABSTRACT

A new nuclear data library, JENDL/ImPACT-2018, was developed for an innovative study on the transmutation of long-lived fission products. Nuclear reaction cross-sections were newly evaluated for incident neutrons and protons up to 200 MeV for 163 nuclides focusing on long-lived nuclei such as ⁷⁹Se, ⁹³Zr, ¹⁰⁷Pd and ¹³⁵Cs, adopting some parts of JENDL-4.0. Our challenge was an evaluation of cross-sections for a number of unstable nuclei over a wide energy range where the experimental data were very scarce. We estimated cross-sections based on a nuclear model code CCONE by incorporating an advanced knowledge on the nuclear structure theory and a model-parameterization based on new experimental cross-sections measured by the inverse kinematics. Through comparisons with available experimental data on the stable isotopes, it is found that the present data give better agreements with them than those in the existing libraries. In a neutronics simulation by the PHITS code, we also found that the largest impact of the present library was seen on the estimated amount of isotope productions.     

反应堆临界-燃耗耦合蒙特卡罗计算

基于连续点截面MCNP程序 ,研制了三维多群P3 中子输运蒙特卡罗程序MCMG ,并与栅元均匀化程序WIMS耦合 ,实现了临界 燃耗耦合计算。采用WIMS产生的 69群共振、自屏宏观中子截面和BUGLE 80u47群微观中子截面 ,分别计算了简单反应堆和临界实验堆问题 ,计算结果与其它输运方法的计算结果和试验结果一致。在相同计算精度下 ,MCMG的计算时间较MCNP的计算时间少     

A comparative study of integral parameters for TRX and BAPL benchmark lattices of thermal reactors using the cross-section library generated from JENDL and JEF evaluated data files

The objective of this paper is to present the results of comparative study of integral parameters for TRX and BAPL benchmark lattices of thermal reactors. The nuclear data processing code NJOY'99 was deployed for the generation of the 69-group cross-section library from the basic evaluated nuclear data files JENDL-3.2 and JEF-2.2. TRX and BAPL benchmark lattices were modeled with optimized inputs, which were suggested in the final report of the WIMS Library Update Project Stage-I. The inputs were the results of a detailed parametric study of the WIMS input options and also optimized for accuracy. The integral parameters (such as k_eff, ρ²⁸, δ²⁵, δ²⁸, C¹) of five uranium-fuel thermal assemblies: TRX-1 and TRX-2 and BAPL-1, BAPL-2, and BAPL-3 were calculated with the help of WIMSD-5B code based on the generated 69-group cross-section library. The calculated results are compared with those of experiments and it is found that the obtained results between the two libraries are in good agreement with each other. Besides, the calculated integral parameters are also well consistent with the measured values, which reflect the validation of the generated 69-group cross-section library and this library thus obtained is necessary to meet up the nuclear data for neutronics calculation of TRIGA Mark-II research reactor at AERE, Savar, Dhaka, Bangladesh.