【摘要】：在核反應堆多物理過程耦合計算中,需要考慮因燃料棒和慢化劑溫度變化而導致的多普勒效應。核反應堆從零功率啟動到滿功率過程中,燃料棒溫度從300K變化到1000K左右,慢化劑溫度從300K變化到600K左右。溫度的變化將引起原子核反應截面值的變化,從而影響反應堆反應性的變化。根據(jù)文獻提供的研究結果,二氧化鈾燃料的多普勒系數(shù)在-1.0～-5.0pcm/K之間。近年來,隨著計算機性能的不斷提升,蒙特卡羅方法用于核反應堆全堆芯模擬成為可能。然而,蒙特卡羅方法用于核反應堆全堆芯計算存在許多挑戰(zhàn),其中關鍵的難點是因燃料棒和慢化劑溫度變化而導致的多普勒效應。眾所周知,蒙特卡羅方法在輸運計算之前需要給定模型材料所對應的溫度截面參數(shù),通常采用NJOY程序加工蒙特卡羅計算所需截面。在反應堆滿功率運行過程中,不同燃料區(qū)的溫度差異比較大,需要產(chǎn)生許多不同溫度下ACE截面文件才能進行真實的核反應全堆芯模擬。如果采用NJOY程序實時加工制作多溫截面,則計算截面的時間很長,工程應用很難承受。面對這一挑戰(zhàn),不少學者開展了中子截面在線多普勒展寬算法研究。粗略歸納有三種辦法進行中子截面在線多普勒展寬計算。第一種,對某些特定的核素,在蒙特卡羅模擬前,預先加工不同溫度點的截面,得到一個多溫截面庫。輸運計算時,通過線性插值得到實際溫度點的截面數(shù)據(jù)。這種方法早期用得較多,其優(yōu)點是計算效率較高,由于插值本身要損失一定精度,且內(nèi)存占用較大,目前已很少使用;第二種辦法就是利用“零”溫截面,通過多普勒展寬實時計算多溫截面,由于不同溫度、不同能量點都需要實時計算,會增加很多計算量;第三種辦法,是通過擬合方法求出實際的溫度截面,這種方法比實時計算效率高,通過與NJOY程序產(chǎn)生的同溫截面比較,截面精度能滿足要求,而計算時間要少很多。目前,利用“零”溫截面,通過擬合方法求多溫截面被認為是實時在線多普勒展寬最高效的方法,已在MCNP6等程序中得到應用。JMCT程序是由中物院高性能數(shù)值模擬軟件中心粒子輸運團隊自主開發(fā)的三維中子、光子、電子及其耦合輸運蒙特卡羅程序。目前,已實現(xiàn)輸運-燃耗耦合計算,下一步將與熱工進行耦合,用于數(shù)值反應堆多物理耦合模擬。根據(jù)前期調研工作,本論文重點介紹幾種成熟的在線多普勒展寬方法,從中選擇誤差小、計算效率高的算法,在JMCT上實現(xiàn)并檢驗。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL329.2
【圖文】：

Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逡逑圖１－１不同溫度下鈾－２３８總截面逡逑如圖１－１所示，鈾－２３８在不同溫度下總截面差異相當大。可見，溫度對核逡逑反應截面將產(chǎn)生重大影響，不同溫度下的同一核素的截面值可能會有量級差。逡逑然而，蒙特卡羅方法求解中子輸運方程的一大優(yōu)勢就是采用連續(xù)能量截面數(shù)據(jù)。逡逑連續(xù)能量截面的準確性很大程度上決定了模擬結果的精度。逡逑在壓水堆滿功率運行過程中，裂變中子經(jīng)過慢化后進入到共振能區(qū)，這時逡逑重核吸收中子的概率增大，導致中子的利用率降低，堆內(nèi)熱中子通量降低。同逡逑時，由于堆芯內(nèi)燃料的溫度升高，導致慢化劑密度降低，中子慢化效應減弱。逡逑因此，在堆物理設計研究中，需要細致考慮燃料棒的多普勒展寬效應和空間自逡逑屏效應［２］。逡逑傳統(tǒng)上考慮溫度效應的方法是：１）基于核參數(shù)庫ＥＮＤＦ／Ｂ［１２］，用核數(shù)據(jù)處逡逑理程序ＮＪＯＹ［ｕ］預先制作一系列溫度點ｒ下的核參數(shù)

于靶核形成一個復合核，復合核存在時間比直接核反應要慢很多，且復合核處逡逑于激發(fā)態(tài)。在某些特定入射能量下，使得激發(fā)的復合核處于某個量子態(tài)（共振能逡逑級），此時發(fā)生共振［２６］。共振時，截面達到極大值，出現(xiàn)一個尖銳的峰。如圖２－１逡逑所示，由于重核與中子形成復合核的量子態(tài)比較多，所以出現(xiàn)了鈾－２３８原子核逡逑密集尖銳的共振峰�？梢�，在極小的能量范圍內(nèi)，中子總吸收截面的變化非常逡逑劇烈。其實，這些共振峰都是鈾－２３８原子核的某種激發(fā)態(tài)。仔細觀察可以看出，逡逑當能量越來越高的時候，共振峰之間間距變小且越來越密集。逡逑１0000邋．邐Ｕ－２３８邋Ｔｏｔａｌ邋Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋Ｃｒｏｓｓ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ邐逡逑１０００邋二逡逑１逡逑１Ｅ－５邐１Ｅ－４邐１Ｅ－３邐０．０１逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋（ＭｅＶ）逡逑圖２－１鈾－２３８總吸收截面共振峰逡逑中子共振俘獲涉及兩個過程，第一個過程是中子與原子核形成激發(fā)態(tài)復合逡逑核；復合核在衰變過程中，由于激發(fā)能級較低，一般情況以放出光子形式進行逡逑退激，該過程稱為輻射俘獲反應。在反應

必須對低能共振自屏效應加以考慮ｍ。特別在反應堆啟動、運行和停堆中，逡逑這些核素的對中子通量的影響較大，足以引起反應堆內(nèi)功率震蕩。由于有低能逡逑共振自屏效應，反應堆的反應性與反應堆燃料溫度有密切關系。如下圖２－２所逡逑示，氙－１３５和钚－２３９原子核在低能區(qū)有很大的反應截面。在反應堆數(shù)值模擬過逡逑程中，必須考慮這些反應截面特別大的核素。然而，原子核的共振截面計算非逡逑常復雜，還沒有較完善的共振理論來求解核素的共振截面，更沒有形成一套系逡逑統(tǒng)完整的理論。基于核反應堆共振計算，木論文將重點介紹以Ｋ兩種常用的共逡逑振截面計算公式。逡逑１Ｅ７．邐＾逡逑：邋＇邐逡逑１３５Ｘｅ邐＼逡逑１００００００＼逡逑＼逡逑１０００００１邋＼逡逑ｇ邐＼逡逑｜邋１0000１邋２３９ｐｕ邋＼逡逑１000－３邐邐ｙ邋＼逡逑１００邋］邋＼逡逑＿邋■邋＇邋！邐＇邋■邐＇邋■邋．邋．邋，邋．邋Ｖ邋．邋，邐ｗ邋，—逡逑１Ｅ－９邐１Ｅ－８邐１Ｅ－７邐１Ｅ－６逡逑中ｆ入剁能Ｗ（ＭｅＶ）逡逑圖２－２氙－１３５和钚－２３９低能總吸收截面逡逑２．２原子核模型逡逑在原子核物理領域中，至今無法直接用薛定諤方程來求解核反應截面�？茖W逡逑家們只能通過大量實驗現(xiàn)象

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 馬彥;付元光;秦桂明;鄧力;李剛;上官丹驊;胡澤華;胡小利;李瑞;程湯培;;面向領域的大規(guī)模可視建模工具JLAMT的設計與實現(xiàn)[J];計算物理;2016年05期

2 劉雄國;鄧力;胡澤華;李瑞;付元光;李剛;王佳;;JMCT程序在線多普勒展寬研究[J];物理學報;2016年09期

3 鄧力;李剛;張寶印;上官丹驊;李樹;胡澤華;馬彥;姬志成;;JMCT蒙特卡羅中子-光子輸運程序全堆芯pin-by-pin模型的模擬[J];原子能科學技術;2014年06期

4 李松陽;王侃;余綱林;;中子核截面在線多普勒展寬方法研究[J];原子能科學技術;2013年03期

5 鄧力;李剛;;粒子輸運蒙特卡羅模擬現(xiàn)狀概述[J];計算物理;2010年06期

相關博士學位論文 前1條

1 李松陽;在線多普勒展寬與核截面處理方法研究[D];清華大學;2012年

相關碩士學位論文 前1條

1 王記民;大型共振參數(shù)分析程序SAMMY的開發(fā)和應用[D];中國原子能科學研究院;2003年

本文編號：2757372