FLUKA和OpenMC在ADS靶堆耦合计算中的应用

摘要

加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Subcritical System，简称ADS）是目前国际上公认的最优核废料处置方案，关于加速器驱动次临界系统的研究一直是近几年核能领域研究的热点。目前用于加速器驱动次临界系统的计算软件主要是由洛斯阿拉莫斯实验室开发的MCNPX程序。不过要使用MCNPX必须先得到官方的授权，这对国内的研究人员来说相对比较困难。针对这一问题，本文使用开源的蒙特卡罗程序FLUKA和OpenMC来实现ADS靶堆耦合计算，通过与MCNPX的对比计算，对这种方法的精度进行评估。
　　散裂靶和次临界堆芯的耦合计算可以分为两步:散裂中子在靶区的产生以及中子在次临界堆芯内的输运。根据这一思路，首先利用FLUKA对高能质子轰击靶材料发生的反应进行模拟，使用FLUSCW用户自定义程序记录从靶区向堆芯泄露的中子的能量、位置、角度、权重等信息;然后编写源文件转换程序，将这些信息处理成为OpenMC可以读取的HDF5格式的外中子源文件;最后，利用OpenMC的固定源计算功能，对这些散裂中子在堆芯内的输运过程进行模拟，从而得到堆芯内的中子通量分布情况。在耦合计算过程中，针对OpenMC在固定源计算中存在的一些问题，对其源程序进行了修改，使其能够满足计算的需求。
　　为了论证这种计算方法的可行性及准确性，本文将FLUKA-OpenMC耦合计算与MCNPX直接计算得到的堆芯中子通量进行了对比。计算分别采用OECD-ADS基准题模型以及基于中国加速器驱动嬗变研究装置CIADS建立的靶堆耦合模型。结果表明，两种方法给出的中子能谱形状一致。由于数据库能量上限的限制，在OpenMC的计算过程中忽略了20MeV以上的高能散裂中子，这导致通量计算结果比MCNPX偏小约10％～15％。本文将国际原子能机构公布的ADS-HE高能数据库用于一个简化的ADS模型的计算之中，以计入高能中子对计算结果的影响。计算表明两种方法得到的通量计算结果一致，数值相差在3％以内。这证明利用FLUKA-OpenMC耦合用于ADS系统的靶堆耦合计算是可行的，并且计算结果与MCNPX有着相似的精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ADS研究现状及CIADS介绍

1．1．1 ADS基本原理

1．1．2 ADS研究现状

1．1．3 CIADS简介

1．2 ADS靶堆耦计算程序及方法简介

1．3 核数据库简介

1．4 本论文研究意义及主要内容

第二章 计算程序及其应用简介

2．1 计算程序简介

2．2 FLUKA在衰变光子能谱计算中的应用

2．2．1 计算方法

2．2．2 散裂产物累积活度计算

2．2．3 Origen2．1衰变库和光子库制作

2．2．4 衰变光子能谱计算及分析

2．2．5 小结

2．3 OpenMC在多群截面库制作中的应用

2．3．1 计算方法简介

2．3．2 计算模型及参数

2．3．3 有效增殖因子计算

2．3．4 通量计算结果对比

2．3．5 小结

2．4 小结

第三章 耦合计算方法及固定源计算测试

3．1 耦合计算方法

3．1．1 FLUKA散裂中子源信息记录

3．1．2 OpenMC外源格式及源文件转换程序

3．2 固定源计算测试及源程序修改

3．3 小结

第四章 FLUKA-OpenMC耦合计算及分析

4．1．1 基准题介绍及建模

4．1．2 靶区泄露中子能谱计算

4．1．3 堆芯耦合计算结果分析

4．2 CIADS靶堆耦合计算分析

4．2．1 CIADS中子学建模

4．2．2 靶区泄露中子能谱计算

4．2．3 燃料组件内中子通量分布计算

4．3 高能数据库ADS-HE在耦合计算中的应用

4．3．1 模型建立及数据库调用

4．3．2 计算结果对比及分析

4．4 小结

第五章 总结及展望

5．1 论文内容总结

5．2 特色与创新

5．3 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他研究成果