基于OpenMC的空间核反应堆临界及安全分析

摘要

空间核反应堆电源能够为工作环境极端、能源需求大的空间任务持续稳定供能,是未来空间探索能源的必然选择,也是航天强国建设的重要发展方向。正常运行和掉落事故工况下的临界状况对空间核反应堆的性能和安全至关重要,因此对其进行研究具有十分重要的意义。为研究空间核反应堆在正常运行、停堆以及掉落事故工况下的堆芯临界状况,本文基于ENDF/B-VII.1核数据库和Open MC程序对Na K液态金属快中子空间核反应堆开展临界及安全分析。首先,选取BEAVRS基准例题对Open MC程序进行验证性分析,将模拟计算结果与实测值进行对比。其次,对空间核反应堆正常工况进行模拟计算研究,得到空间核反应堆在正常工况下的临界特征值和控制鼓价值,对堆芯功率分布进行优化并进行燃耗分析。最后,对空间核反应堆掉落事故进行临界安全分析。通过研究,得到以下结果和结论:(1)Open MC程序对BEAVRS压水堆5种不同临界状态的堆芯反应性计算误差在-76～127 pcm之间,控制棒价值计算误差在-95～41 pcm之间,235U相对裂变率计算结果最大误差为-13.6%,出现在B13组件位置。Open MC程序模拟结果与实际符合良好且计算精度与同类软件相当,具有较高的准确性和可靠性。(2)空间核反应堆正常运行工况下堆芯反应性为4183 pcm,正常停堆工况下的堆芯反应性为-5221 pcm。反应堆达到临界状态时,控制鼓的旋转角度为100.9°或259.1°。全部控制鼓的价值为9404 pcm,1个控制鼓的价值为1481 pcm,全部控制鼓价值大于1个控制鼓价值的6倍。采用向燃料内均匀添加Gd2O3的方式对功率分布进行展平,功率分布优化后的径向功率峰因子由1.178下降为1.087。(3)空间核反应堆以1MW的热功率水平运行,反应性随时间的变化可用线性近似方程y=-240x+3935表示。235U和238U原子数目随时间呈线性下降,232Th、233U、239Pu、241Pu和149Sm的原子数目随时间不断增加,135Xe原子数目在满功率运行第4天结束时达到平衡。(4)发生掉落进海水、水或沙中的事故时,空间核反应堆掉落进沙中引起的负反应性亏损最大。外部物质侵入堆芯比外部物质未侵入堆芯的反应性大。2个控制鼓失效掉落事故和1个控制缺失叠加2个控制鼓失效掉落事故的反应堆处于超临界或接近临界状态,此时堆芯相对危险,可以通过解除失效控制鼓的方法引入较大负反应性以维持反应堆的深度次临界状态。(5)掉落事故工况下,堆芯径向相对功率整体向发生故障控制鼓的方向发生不同程度的偏移,控制鼓失效比控制鼓缺失引起的功率偏移大。一般掉落事故堆芯径向相对功率分布关于中心对称,控制鼓失效和控制鼓缺失掉落事故堆芯径向相对功率分布关于某一平面对称。

目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 空间核反应堆发展历史及现状

1.2.1 美国的发展概况

1.2.2 俄罗斯的发展概况

1.2.3 其他国家的发展概况

1.3 研究内容与路线

2 OpenMC简介与验证分析

2.1 OpenMC程序简介

2.2 BEAVRS基准例题

2.3 OpenMC验证分析

2.3.1 临界特征值计算

2.3.2 控制棒价值计算

2.3.3

U相对裂变率计算

2.4 本章小结

3 空间核反应堆正常工况物理参数计算

3.1 空间核反应堆简介

3.2 临界计算

3.3 控制鼓价值

3.4 功率分布

3.5 燃耗计算

3.5.1 堆芯反应性随时间的变化

3.5.2 锕系核素随时间的变化

3.5.3

Xe、

Sm随时间的变化

3.6 本章小结

4 空间核反应堆掉落事故临界安全分析

4.1 概述

4.2 一般掉落事故

4.3 控制鼓失效掉落事故

4.4 控制鼓缺失掉落事故

4.5 控制鼓缺失叠加失效掉落事故

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

在攻读学位期间取得的科研成果

致谢