蒙特卡罗中子输运宽能区在线核截面生成方法研究

摘要

反应堆堆芯温度变化时，堆内各种材料的中子截面均随温度发生变化，从而引起反应性变化。为了准确模拟反应堆内不同温度下中子与各种材料间的相互作用，需要生成不同温度下的反应截面。传统在线核截面生成方法虽然避免了直接存储大量核截面数据，但是仍然存在严重的效率低下以及能区适应性窄的问题。本文在充分调研国内外蒙特卡罗（简称蒙卡）中子输运中的在线核截面生成方法现状基础上，基于中国科学院核能安全技术研究所· FDS团队自主研发的超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC，根据可分辨共振能区、热能区与不可分辨共振能区截面的特点，开展了蒙卡中子输运宽能区在线核截面生成方法研究。本文的主要研究内容与创新点包括:
　　(1)提出了基于双指数变换-高斯积分耦合的可分辨共振能区在线核截面生成方法。针对宽能区中可分辨共振能区截面生成耗时严重问题，提出在低能区使用基于双指数变换的在线核截面生成方法，在高能区使用基于高斯-厄米特积分的在线核截面生成方法，在保证核截面精度的同时，极大地提高了截面生成效率。测试结果显示，该方法在保证核截面生成精度的基础上，与解析方法相比截面生成效率提高达12倍;国际临界安全基准例题Jezebel及Godiva等的验证结果证实了该方法的有效性。
　　(2)提出了基于Neville插值的热能区在线核截面生成方法。根据温度相关的热散射截面特性，提出使用Neville插值算法在线生成目标温度对应的热散射截面。采用国际核数据委员会发布的S(α,β)基准例题等进行测试，结果表明，在保证精度同时，使用基于Neville插值的热散射截面在线生成方法比传统方法的效率提高一个数量级以上。
　　(3)发展了基于分段线性插值的不可分辨共振能区在线核截面生成方法。该方法结合了不同温度下概率表参数的特征，使用相邻温度间隔的核截面经分段线性插值方法在线生成目标温度的核截面。国际快堆堆芯模型bigten1及bigten2等测试结果表明，该方法与基准值的偏差小于20 pcm，证明了方法的准确性。
　　为了验证本文提出的宽能区在线核截面生成方法的准确性和有效性，采用国际临界安全基准例题、反应性多普勒系数基准例题与IAEA BN-600基准例题等进行了综合验证。通过与传统核截面生成方法与基准值进行对比，结果表明本文发展的蒙特卡罗中子输运在线核截面生成方法能够准确高效地生成各种温度下的中子截面，可用于反应堆多物理耦合计算。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．1．1 世界核能发展现状

1．1．2 蒙特卡罗粒子输运理论

1．1．3 温度效应对中子输运过程的影响

1．2 研究现状

1．3 研究目标与意义

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究意义

1．4 论文主要内容与结构

第二章 多温度核截面生成原理

2．1 中子截面与核截面数据库

2．1．1 中子截面

2．1．2 核数据库

2．2 可分辨共振能区多温度截面生成方法

2．2．1 多普勒展宽原理

2．2．2 PSI-CHI方法

2．2．3 Kemel Broadening方法

2．3 多温度热化截面生成方法

2．3．1 自由气体模型方法

2．3．2 热散射律方法

2．4 不可分辨共振能区概率表生成方法

2．4．1 共振序列抽样方法

2．4．2 蒙特卡罗抽样方法

2．5 本章小结

第三章 可分辨共振能区在线核截面生成方法

3．1．1 基于高斯积分的多温度核截面生成方法

3．1．2 基于双指数变换的多温度核截面生成方法

3．1．3 基于双指数变换-高斯积分耦合的核截面生成方法

3．2 在线核截面生成方法实现

3．2．1 On-line在线多温度核截面生成方法实现

3．2．2 On-the-fly在线多温度核截面生成方法实现

3．3 数值验证

3．3．1 Jezebel基准例题测试

3．3．2 Godiva基准例题测试

3．4 本章小结

第四章 热能区在线散射截面生成方法

4．1 基于Neville插值的热能区在线散射截面生成方法

4．1．1 Neville插值方法

4．1．2 散射截面在线插值方法

4．1．3 其他热散射数据插值方法

4．2 性能测试

4．2．1 精度对比

4．2．2 效率对比

4．2．3 基准例题测试

4．3 本章小结

第五章 不可分辨共振能区在线核截面生成方法

5．1 基于分段线性插值的核截面在线生成方法

5．2 性能测试

5．2．1 一维快堆堆芯模型Bigten1测试

5．2．2 二维快堆堆芯模型Bigten2测试

5．3 本章小结

第六章 综合测试与验证

6．1 临界安全基准例题

6．1．1 例题描述

6．1．2 性能测试

6．2 反应性多普勒系数基准例题

6．2．1 例题描述

6．2．2 性能测试

6．3 IAEA BN-600基准例题

6．3．1 例题描述

6．3．2 性能测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 贡献(创新)之处

7．3 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果