动态参数形状函数和权重函数对ADS次临界反应堆中子动力学的影响研究

摘要

加速器驱动次临界反应堆由于强外源的引入和深次临界特性，在加速器束流瞬变时，外源发生快速变化，在中子动力学上表现出较强的“时间-空间-能量”非均匀性，这给ADS中子动力学分析带来了新的挑战。 ADS中子动力学研究通常采用的方法有点堆动力学和基于改进准静态方法（IQS）的时空动力学，其幅函数的计算均需要准确的中子学动态参数。动态参数由权重函数、动力学量算符和形状函数的内积得到。传统中子动力学方法常常采用λ基波中子通量密度作为形状函数、采用共轭λ基波中子通量密度作为权重函数，这适用于偏离临界不远的无外源系统；在ADS次临界系统中如何选取权重函数和形状函数，是目前发展ADS技术过程中亟待解决的关键问题。 本文以动态参数的形状函数和权重函数为研究对象，分别采用λ基波中子通量密度、瞬发α基波中子通量密度、ADS次临界反应堆稳态中子通量密度作为形状函数或初始形状函数、采用共轭λ基波中子通量密度、共轭瞬发α基波中子通量密度、ADS次临界反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数，分别编制点堆动力学程序和基于IQS的时空动力学程序，对ADS次临界反应堆的启堆过程和断束工况的中子动力学进行模拟；并编制时空动力学方程直接求解程序获取基准值。 通过中子动力学结果与基准值的对比发现：在点堆动力学模型中，形状函数是影响动态参数和中子动力学结果的主要因素；对于启堆过程，宜采用ADS次临界反应堆稳态中子通量密度作为形状函数、ADS次临界反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数；对于断束工况，宜采用瞬发α基波中子通量密度作为权重函数、ADS次临界反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数。在IQS时空动力学模型中，权重函数是影响动态参数和中子动力学结果的主要因素；对于启堆过程，宜采用ADS次临界反应堆稳态中子通量密度作为初始形状函数、共轭λ基波中子通量密度作为权重函数；对于断束工况，宜采用ADS次临界反应堆稳态共轭中子通量密度作为权重函数。 通过点堆动力学结果与IQS时空动力学结果的对比可以发现，IQS中子动力学的相对误差主要集中在外源瞬变后的短时间内，在这段时间内外源中子影响的非均匀分布会导致权重函数相对于外源瞬变的滞后性。基于以上分析，本文建立一种局部稳态权重函数模型，用裂变因子乘以权重系数作为中子价值方程的共轭外源项，以此描述共轭外源项在外源瞬变时分布的不均匀性。将局部稳态权重函数模型分别应用到外源驱动的一维平板堆和三维ADS次临界反应堆中子动力学的计算中，通过与其他权重函数模型计算结果的对比，可以发现，在不同外源驱动模式下，局部稳态权重函数模型对降低IQS中子动力学结果的误差峰值均具有明显的效果，并且，其优势随着次临界度的加深而越发显著。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 实验研究现状

1.2.2 数值模拟研究现状

1.3 研究内容

第2章 ADS次临界反应堆中子动力学

2.1 ADS中子时空动力学方程

2.2 精确点堆动力学方程

2.3 形状函数的近似方法

2.3.1 点堆动力学模型

2.3.2 改进的准静态方法

2.4 动态参数模型

2.4.1 权重函数的选取

2.4.2 形状函数的选取

2.4.3 不同外源驱动模式下的动态参数模型

2.5 本章小结

第3章 ADS次临界反应堆中子动力学计算方法

3.1 ADS中子动力学程序计算流程

3.1.1 点堆动力学程序计算流程

3.1.2 IQS时空动力学程序计算流程

3.2 ADS中子动力学程序计算模块

3.2.1 初始形状函数计算模块

3.2.2 权重函数计算模块

3.2.3 幅函数计算模块

3.2.4 形状函数差分方程计算模块

3.3 ADS中子时空动力学方程直接数值计算方法

3.4 本章小结

第4章 ADS次临界反应堆中子动力学特性计算分析

4.1 计算对象

4.2 ADS启堆过程中子动力学特性计算分析

4.2.1 点堆动力学特性与分析

4.2.2 IQS中子时空动力学特性与分析

4.2.3 权重函数与形状函数对启堆过程中子动力学特性的影响

4.3 ADS断束工况中子动力学特性计算分析

4.3.1 点堆动力学特性与分析

4.3.2 IQS中子时空动力学特性与分析

4.3.3 权重函数与形状函数对断束工况中子动力学特性的影响

4.4 IQS时空动力学模型权重函数滞后性分析

4.5 本章小结

第5章 ADS次临界反应堆IQS中子动力学权重函数优化

5.1 局部稳态权重函数

5.2 局部稳态权重函数优化IQS中子动力学的验证与理论分析

5.3 基于局部稳态权重函数的ADS次临界堆中子动力学特性

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

攻读硕士期间的科研成果

致谢