基于栅元计数的停堆剂量率计算程序研发及应用

摘要

停堆剂量率的精确计算是当前聚变中子学的前沿课题。一方面，精确的停堆剂量率评估是聚变堆（反应堆）屏蔽设计的重要环节，是大型聚变装置制定维修方案和遥操策略的重要参考，也是未来聚变堆工程立项获得辐射安全许可的基本前提。另一方面，目前中国聚变工程实验堆(CFETR)已开始工程设计研究，这给停堆剂量率计算带来了巨大的机遇和挑战。
　　工欲善其事必先利其器。本文在充分调研和分析现有停堆剂量率计算原理和方法的基础上，开展基于栅元计数的停堆剂量率计算程序的开发上作。该程序通过将蒙特卡罗三维输运计算程序MCNP和欧洲活化计算程序FISPACT自动耦合，可以快速有效地进行聚变装置三维停堆剂量率计算。程序采用栅元计数进行输运及活化计算，一方面缩短开发周期、降低了开发难度，另一方面又能保证计算的精确性。与此同时，本文针对停堆剂量率计算程序开发普遍面临的关键问题:输运&活化计算效率，源采样效率等问题进行了分析并提出了相应的切实可行的解决方案:减方差方法应用于输运计算、FISPACT并行活化计算以及充分利用MCNP自带功能如TR卡和重复结构等进行栅元源采样，借此进一步提升程序的实用性。
　　为了验证耦合程序的正确性，本文采用国际热核聚变实验堆ITER发布的停堆剂量率计算基准例题以及ITER-T426停堆剂量率基准实验例题对开发的程序分别进行了校验，其中ITER停堆剂量率基准例题模拟结果不仅与大部分国际单位计算的曲线趋势相同，且数值始终处在各国数据之间;ITER-426测试结果与实验参考值变化趋势符合较好。两个测试例题的校验结果表明程序的正确性与可用性。
　　最后，本文采用自主开发的经过初步校核的耦合剂量率计算程序，依托课题组氦冷固态增殖剂包层中子学设计，在CFETR停堆以后对该包层维修更换期间停堆剂量率进行计算分析，结果表明停堆以后活化包层需等待至少一天才适宜进行下一步处理，且在不超过遥操设备剂量率限值104Sv/h的前提下，可适当往CASK小车内增加包层转运个数;此外，本文还对停堆106后CFETR辐射剂量率场作了初步评估，计算得到不同开窗方案下中子通量的全局分布以及停堆剂量率分布，并简单比较了不同开窗方案对停堆剂量率场的影响。以上计算所得对于CFETR屏蔽设计和辐射安全分析具有一定参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 托卡马克聚变反应堆

1．1．1 核聚变原理

1．1．2 托卡马克聚变反应堆的发展

1．1．3 中国聚变工程实验堆CFETR

1．2 停堆剂量率计算的发展及挑战

1．2．1 辐射量与停堆剂量率

1．2．2 停堆剂量率计算方法及发展

1．2．3 停堆剂量率计算面临的挑战

1．3 论文研究目标和意义

1．4 论文主要内容与结构

第2章 程序设计流程及关键设计方案

2．1 程序设计基础

2．1．1 输运理论及输运程序

2．1．2 活化理论及活化程序

2．2 程序设计流程

2．2．1 基于栅元计数剂量率计算原理

2．2．2 程序主体模块化设计流程

2．3 程序设计关键问题

2．2．1 输运计算

2．2．2 活化计算

2．2．3 源采样

2．4 程序设计解决方案

2．3．1 减方差方法

2．3．2 FISPACT并行计算

2．3．3 栅元源采样

2．5 小结

第3章 耦合程序测试

3．1 ITER停堆剂量率基准例题

3．1．1 例题描述

3．1．2 计算验证

3．1．3 结果分析

3．2 ITER-426测试例题

3．2．1 例题描述

3．2．2 计算验证

3．2．3 结果分析

3．3 小结

第4章 CFETR停堆剂量率评估

4．1 氦冷固态增殖包层剂量率评估

4．1．1 氦冷固态增殖包层简介及建模

4．1．2 包层剂量率评估

4．2 CFETR停堆剂量率评估

4．2．1 聚变堆开窗方案介绍

4．2．2 CFETR停堆剂量率场分布

4．3 小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果