蒙特卡罗程序中子截面在线多普勒展宽研究

发布时间：2020-07-16 02:21

【摘要】：在核反应堆多物理过程耦合计算中,需要考虑因燃料棒和慢化剂温度变化而导致的多普勒效应。核反应堆从零功率启动到满功率过程中,燃料棒温度从300K变化到1000K左右,慢化剂温度从300K变化到600K左右。温度的变化将引起原子核反应截面值的变化,从而影响反应堆反应性的变化。根据文献提供的研究结果,二氧化铀燃料的多普勒系数在-1.0～-5.0pcm/K之间。近年来,随着计算机性能的不断提升,蒙特卡罗方法用于核反应堆全堆芯模拟成为可能。然而,蒙特卡罗方法用于核反应堆全堆芯计算存在许多挑战,其中关键的难点是因燃料棒和慢化剂温度变化而导致的多普勒效应。众所周知,蒙特卡罗方法在输运计算之前需要给定模型材料所对应的温度截面参数,通常采用NJOY程序加工蒙特卡罗计算所需截面。在反应堆满功率运行过程中,不同燃料区的温度差异比较大,需要产生许多不同温度下ACE截面文件才能进行真实的核反应全堆芯模拟。如果采用NJOY程序实时加工制作多温截面,则计算截面的时间很长,工程应用很难承受。面对这一挑战,不少学者开展了中子截面在线多普勒展宽算法研究。粗略归纳有三种办法进行中子截面在线多普勒展宽计算。第一种,对某些特定的核素,在蒙特卡罗模拟前,预先加工不同温度点的截面,得到一个多温截面库。输运计算时,通过线性插值得到实际温度点的截面数据。这种方法早期用得较多,其优点是计算效率较高,由于插值本身要损失一定精度,且内存占用较大,目前已很少使用;第二种办法就是利用“零”温截面,通过多普勒展宽实时计算多温截面,由于不同温度、不同能量点都需要实时计算,会增加很多计算量;第三种办法,是通过拟合方法求出实际的温度截面,这种方法比实时计算效率高,通过与NJOY程序产生的同温截面比较,截面精度能满足要求,而计算时间要少很多。目前,利用“零”温截面,通过拟合方法求多温截面被认为是实时在线多普勒展宽最高效的方法,已在MCNP6等程序中得到应用。JMCT程序是由中物院高性能数值模拟软件中心粒子输运团队自主开发的三维中子、光子、电子及其耦合输运蒙特卡罗程序。目前,已实现输运-燃耗耦合计算,下一步将与热工进行耦合,用于数值反应堆多物理耦合模拟。根据前期调研工作,本论文重点介绍几种成熟的在线多普勒展宽方法,从中选择误差小、计算效率高的算法,在JMCT上实现并检验。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL329.2
【图文】：

总截面,连续能量

Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逡逑图１－１不同温度下铀－２３８总截面逡逑如图１－１所示，铀－２３８在不同温度下总截面差异相当大。可见，温度对核逡逑反应截面将产生重大影响，不同温度下的同一核素的截面值可能会有量级差。逡逑然而，蒙特卡罗方法求解中子输运方程的一大优势就是采用连续能量截面数据。逡逑连续能量截面的准确性很大程度上决定了模拟结果的精度。逡逑在压水堆满功率运行过程中，裂变中子经过慢化后进入到共振能区，这时逡逑重核吸收中子的概率增大，导致中子的利用率降低，堆内热中子通量降低。同逡逑时，由于堆芯内燃料的温度升高，导致慢化剂密度降低，中子慢化效应减弱。逡逑因此，在堆物理设计研究中，需要细致考虑燃料棒的多普勒展宽效应和空间自逡逑屏效应［２］。逡逑传统上考虑温度效应的方法是：１）基于核参数库ＥＮＤＦ／Ｂ［１２］，用核数据处逡逑理程序ＮＪＯＹ［ｕ］预先制作一系列温度点ｒ下的核参数

共振峰,复合核,中子

于靶核形成一个复合核，复合核存在时间比直接核反应要慢很多，且复合核处逡逑于激发态。在某些特定入射能量下，使得激发的复合核处于某个量子态（共振能逡逑级），此时发生共振［２６］。共振时，截面达到极大值，出现一个尖锐的峰。如图２－１逡逑所示，由于重核与中子形成复合核的量子态比较多，所以出现了铀－２３８原子核逡逑密集尖锐的共振峰。可见，在极小的能量范围内，中子总吸收截面的变化非常逡逑剧烈。其实，这些共振峰都是铀－２３８原子核的某种激发态。仔细观察可以看出，逡逑当能量越来越高的时候，共振峰之间间距变小且越来越密集。逡逑１0000邋．逦Ｕ－２３８邋Ｔｏｔａｌ邋Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋Ｃｒｏｓｓ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ逦逡逑１０００邋二逡逑１逡逑１Ｅ－５逦１Ｅ－４逦１Ｅ－３逦０．０１逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋（ＭｅＶ）逡逑图２－１铀－２３８总吸收截面共振峰逡逑中子共振俘获涉及两个过程，第一个过程是中子与原子核形成激发态复合逡逑核；复合核在衰变过程中，由于激发能级较低，一般情况以放出光子形式进行逡逑退激，该过程称为辐射俘获反应。在反应

反应堆,共振截面,共振自屏,核素

必须对低能共振自屏效应加以考虑ｍ。特别在反应堆启动、运行和停堆中，逡逑这些核素的对中子通量的影响较大，足以引起反应堆内功率震荡。由于有低能逡逑共振自屏效应，反应堆的反应性与反应堆燃料温度有密切关系。如下图２－２所逡逑示，氙－１３５和钚－２３９原子核在低能区有很大的反应截面。在反应堆数值模拟过逡逑程中，必须考虑这些反应截面特别大的核素。然而，原子核的共振截面计算非逡逑常复杂，还没有较完善的共振理论来求解核素的共振截面，更没有形成一套系逡逑统完整的理论。基于核反应堆共振计算，木论文将重点介绍以Ｋ两种常用的共逡逑振截面计算公式。逡逑１Ｅ７．逦＾逡逑：邋＇逦逡逑１３５Ｘｅ逦＼逡逑１００００００＼逡逑＼逡逑１０００００１邋＼逡逑ｇ逦＼逡逑｜邋１0000１邋２３９ｐｕ邋＼逡逑１000－３逦逦ｙ邋＼逡逑１００邋］邋＼逡逑＿邋■邋＇邋！逦＇邋■逦＇邋■邋．邋．邋，邋．邋Ｖ邋．邋，逦ｗ邋，—逡逑１Ｅ－９逦１Ｅ－８逦１Ｅ－７逦１Ｅ－６逡逑中ｆ入剁能Ｗ（ＭｅＶ）逡逑图２－２氙－１３５和钚－２３９低能总吸收截面逡逑２．２原子核模型逡逑在原子核物理领域中，至今无法直接用薛定谔方程来求解核反应截面。科学逡逑家们只能通过大量实验现象

【参考文献】