一种堆芯活性区冷却剂绝对中子通量谱计算方法

摘要

本发明涉及反应堆中子通量谱的计算方法，具体涉及一种堆芯活性区冷却剂绝对中子通量谱计算方法。该方法使用堆芯中子输运程序和蒙特卡罗程序相结合的方法，使用堆芯计算程序计算堆芯的平均通量绝对值，由蒙特卡罗程序模拟计算给出冷却剂和堆芯的通量比以及冷却剂中自定义能群的中子通量分布，最终可实现计算堆芯活性区冷却剂不同能群分布的绝对中子通量谱，改进了传统使用平均中子通量的值计算反应堆相关源项的计算方法，提高了计算精度。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆中子通量谱的计算方法，具体涉及一种堆芯活性区冷 却剂绝对中子通量谱计算方法。

背景技术

核反应堆是一种通过中子链式裂变反应放出的能量的装置，是一种较为庞 大和复杂的系统，为了让反应堆安全经济的运行，往往需要知道反应堆内中子 通量的分布。反应堆在运行时的中子通量的分布受到堆内不同因素的影响，因 此计算其时间和空间的分布也是较为复杂的，为了适应不同的需求，反应堆中 不同区域中子通量的分布可以使用不同的计算方法来得到，不同方法得到的计 算精度和对时间的消耗各不相同。通常所使用的堆芯中子输运计算程序可以较 快的给出不同堆芯状态下，反应堆内的中子通量的绝对值，该值一般是堆芯燃 料区与冷却剂打混的平均通量，且往往只给出了两群或少群的分布，在某些计 算如源项计算时少群的中子通量分布不足以满足精度要求。例如，为较准确的 估算堆芯中的产氚量，需要计算冷却剂中10B与中子反应的量，而10B的中子反 应截面在不同的能群区域是不同的，在某些低能区反应截面很大，而高能区相 对较小，因此若能给出较细分的能群区域的中子通量谱用于估算产氚量时就比 少群的中子通量谱得到的结果更为准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种堆芯活性区冷却剂绝对中子通量谱计算方法， 该方法将堆芯中子输运程序和蒙特卡罗程序相结合，能够得到更高的计算精 度。

本发明的技术方案如下：一种堆芯活性区冷却剂绝对中子通量谱计算方 法，该方法使用堆芯中子扩散程序计算堆芯的平均中子通量绝对值，使用蒙 特卡罗程序模拟计算出冷却剂和堆芯的中子通量比以及冷却剂中自定义能群 的中子通量分布，综合计算出堆芯活性区冷却剂不同能群分布的绝对中子能 量谱。

进一步，如上所述的堆芯活性区冷却剂绝对中子通量谱计算方法，其中， 具体的计算过程如下：

将燃料组件分为燃料芯块、包壳、间隙以及冷却剂四个区域，使用蒙特 卡罗程序统计燃料组件各区域随能量变化的中子通量分布，冷却剂区域各能 群的相对中子通量由蒙特卡罗程序计算得到，该区域的总的相对中子通 量由公式（4）计算而来，四个区域总的平均相对中子通量根据公式（5）由 各区域的体积权重计算而来；将公式（4）和公式（5）得到的结果以及由堆 芯中子扩散程序计算得到的堆芯的平均中子通量绝对值Φ^abs代入公式（2）中， 可以得到冷却剂中的中子通量的绝对值；冷却剂各能群的中子通量所占的份 额由公式（3）计算而来，然后，由公式（1）可得到冷却剂中各能群的绝对 中子通量

${\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{abs}}={\Phi }_{H2O}^{\mathrm{abs}}·f_g---\left(1\right)$

${\Phi }_{H2O}^{\mathrm{abs}}={\Phi }^{\mathrm{abs}}·\frac{{\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}}{\overline{{\Phi }^{\mathrm{rel}}}}---\left(2\right)$

$f_g={\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{rel}}/{\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}---\left(3\right)$

${\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}=\underset{g=1}{\overset{G}{\Sigma }}{\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{rel}}---\left(4\right)$

$\overline{{\Phi }^{\mathrm{rel}}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\Phi }_m^{\mathrm{rel}}{V}_m/\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{V}_m---\left(5\right)$

公式中：

冷却剂中各能群的绝对中子通量；

冷却剂中的中子通量绝对值；

f_g，冷却剂中各能群的中子通量所占的份额；

Φ^abs，堆芯的平均中子通量绝对值，为堆芯中子扩散程序计算得来；

栅元中冷却剂中的相对中子通量；

栅元平均的相对中子通量；

冷却剂中的不同能群的相对中子通量，由蒙特卡罗程序计算得到；

G表示能群的数量，根据欲分析对象的不同及后续应用的要求，可以任 意划分能群的间隔；

不同区域的栅元的相对中子通量；

V_m，不同区域中的栅元的体积；

M表示划分的区域数量。

本发明的有益效果如下:本发明使用堆芯中子输运程序和蒙特卡罗程 序相结合的方法，使用堆芯计算程序计算堆芯的平均通量绝对值，由蒙特卡 罗程序模拟计算给出冷却剂和堆芯的通量比以及冷却剂中自定义能群的中子 通量分布，最终可实现计算堆芯活性区冷却剂不同能群分布的绝对中子通量 谱，改进了传统使用平均中子通量的值计算反应堆相关源项的计算方法，提 高了计算精度。

附图说明

图1为ACP1000机组平衡循环堆芯燃耗分布示意图（寿期初）；

图2为ACP1000机组平衡循环寿期中冷却剂47群中子通量分布图；

图3为ACP1000机组平衡循环寿期中冷却剂16群中子通量分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

以ACP1000机组为进行源项计算时所提供的冷却剂绝对中子通量谱为例。 该机组的堆芯内有177个组件，首先进行堆芯程序的计算，由堆芯计算程序的 计算结果可知某平衡循环寿期中的两群中子通量绝对值，此时堆芯中硼浓度、 冷却剂密度和温度、燃料温度和一定燃耗下组件的核素密度等条件也是可知的。 使用蒙特卡罗程序模拟堆芯进行三维计算，计算可采用模拟整个177个组件组 成的堆芯进行计算，也可采用较为简化的燃料组件模型进行计算，此处使用燃 料组件模型为例。

该平衡堆芯寿期中的组件平均燃耗分布图如图1所示，将所有组件体积权 重的核素密度作为组件模型的核素密度，核素种类考虑了锕系元素和部分裂变 产物，锕系元素考虑了如下核素：²³⁴U、²³⁵U、²³⁶U、²³⁸U、²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu、 ²⁴²Pu，部分裂变产物考虑了：²⁴¹Am、^242mAm、²⁴³Am、²⁴²Cm、²⁴³Cm、²⁴⁴Cm、¹³⁵I、¹³⁵Xe、 ¹⁴⁷Pm、¹⁴⁸Pm、¹⁴⁹Pm、¹⁴⁹Sm。为了使组件模型更好的模拟堆芯，使用了堆芯程序中 给出的运行状态如上述的冷却剂密度、温度、硼浓度等参数，将组件分为燃料 芯块、包壳、间隙以及冷却剂分为四个区域，程序的建模图由图2所示，使用 蒙卡程序统计燃料组件上述各区随能量变化的中子通量分布，得到冷却剂中随 能量变化的相对中子通量分布。估算冷却剂中各能群的绝对中子通量时， 由蒙卡程序统计的各个区域不同能群的相对中子通量分布和堆芯计算程序 给出的堆芯平均通量绝对值Φ^abs，根据如下公式即可推算出各能群主冷却剂中的 绝对通量。

${\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{abs}}={\Phi }_{H2O}^{\mathrm{abs}}·f_g---\left(1\right)$

${\Phi }_{H2O}^{\mathrm{abs}}={\Phi }^{\mathrm{abs}}·\frac{{\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}}{\overline{{\Phi }^{\mathrm{rel}}}}---\left(2\right)$

$f_g={\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{rel}}/{\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}---\left(3\right)$

${\Phi }_{H2O}^{\mathrm{rel}}=\underset{g=1}{\overset{G}{\Sigma }}{\Phi }_{g,H2O}^{\mathrm{rel}}---\left(4\right)$

$\overline{{\Phi }^{\mathrm{rel}}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\Phi }_m^{\mathrm{rel}}{V}_m/\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{V}_m---\left(5\right)$

公式中：

冷却剂中各能群的绝对中子通量；

冷却剂中的中子通量绝对值；

f_g，冷却剂中各能群的中子通量所占的份额；

Φ^abs，堆芯的平均中子通量绝对值，为堆芯中子扩散程序计算得来；

栅元中冷却剂中的相对中子通量；

栅元平均的相对中子通量；

冷却剂中的不同能群的相对中子通量，由蒙特卡罗程序计算得到；

G表示能群的数量，根据欲分析对象的不同及后续应用的要求，可以任 意划分能群的间隔；

不同区域的栅元的相对中子通量；

V_m，不同区域中的栅元的体积；

M表示划分的区域数量。

具体的计算过程如下：将燃料组件分为燃料芯块、包壳、间隙以及冷却剂 四个区域，使用蒙特卡罗程序统计燃料组件各区域随能量变化的中子通量分布， 冷却剂区域各能群的相对中子通量由蒙特卡罗程序计算得到，该区域的总 的相对中子通量由公式（4）计算而来，四个区域总的平均相对中子通量根据公 式（5）由各区域的体积权重计算而来；将公式（4）和公式（5）得到的结果以 及由堆芯中子扩散程序计算得到的堆芯的平均中子通量绝对值Φ^abs代入公式（2） 中，可以得到冷却剂中的中子通量的绝对值；冷却剂各能群的中子通量所占的 份额由公式（3）计算而来，然后，由公式（1）可得到冷却剂中各能群的绝对 中子通量

上述的堆芯中子扩散程序、蒙特卡罗程序均为本领域的公知技术。

在蒙卡程序中用户可以自定义能群分布来进行中子通量的统计计数，为了 适应源项计算的不同需求，可以使用不同的能群间隔进行计数统计，如图2为 使用本发明所计算的ACP1000机组冷却剂中47群中子通量的分布图，可用于¹⁴C 产生量的估算，图3为使用本发明所计算得到的16群中子通量的分布图，可用 于产氚量的估算。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。