CANDU反应堆物理数值计算技术

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1、二等奖CANDU反应堆物理数值计算技术◎冯进军（技术处）摘要：本文主要描述了目前CANDU反应堆物理数值计算过程，并介绍了CANDU反应堆通用的物理设计和换料模拟计算程序RFSP的计算原理和主要计算模块，还给出了部分计算结果。关键词：CANDU反应堆反应堆物理数值计算RFSP作者简介〉〉〉一、引言核物理计算和电子计算机的发展紧密相关。核物理计算以迭代方式求解的特点，决定了其对电子计算机发展的依赖性；而人类发展利用核能的迫切愿望，同时又迅速推动了电子计算机的发展。核反应堆物理设计是核反应堆工程设计的核心，随着电子计算机和计算方法日新月异的发

2、展，给核反应堆物理计算方法带来了巨大的影响。传统的数学计算方法已难以解决核设计、燃料管理以及安全分析方面的复杂问题。从上世纪70年代初以来，反应堆物理数值方法逐步发展成为核设计的主要手段。反应堆换料模拟程序RFSP(ReactorFuelingSimulationProgram)是CANDU反应堆的物理设计和换料模拟计算程序，由加拿大AECL(AtomicEnergyofCanadaLimited)公司开发。该程序通过求解两群三维的中子扩散方程和通量绘图这两种方法，计算堆内的中子通量分布和功率分布。它既可以计算堆芯时间平均的中子通量分布和

3、功率分布，也可以计算堆内瞬时的中子通量分布和功率分布。该程序在CANDU反应堆核电厂主要用于堆芯跟踪计算和换料模拟计算。二、CANDU反应堆物理数值计算过程冯进军2000年毕业于上海交通大学反应堆工程专业，现工作部门是秦山三1．栅元计算如果忽略反应性控制装置,可以认为CANDU反应堆的堆芯由一系核堆芯管理科，多年从事重水反应堆换料列具有相同属性的正方形排列的燃料通道的基本栅元(28.575×28.575×管理和堆芯监测工作。3燃料、D50cm)组合而成，栅元模型参见图1。每一个栅元包括UO22O冷却剂、慢化剂、燃料包壳、压力管和排管等不同

4、性质的材料，对这些材料进行均匀化处理，就可以得出整个栅元的平均截面。基本栅元分为两类：含天然铀棒束的栅元和含贫铀棒束的栅元。计算程序有：POWDERPUFS-V（PPV）：在试验堆ZED-2测量数据的基础上，建立起来的半经验的栅元计算程序，使用Westcott核截面。采用简单的均匀化三区模型，一维环型几何，可实现快速计算。WIMS-AECL：精细二维输运理论栅元计算程序。DRAGON（输运程序）：蒙特利尔大学开发的精细三维输运理论栅元42秦山三核第三届青年科技与管理论文专刊计算程序。冷却剂、轻水区域控制装置、调节棒、导向管、中子探测器和R

5、FSP程序中使用的是POWDERPUFS-V的栅元程序。结构材料等。2．超栅元计算用于计算的中子参数有：中子的有效吸收截面、散射和由于CANDU反应堆的堆芯内部存在的一系列反应性慢化截面和有效裂变截面。它们是燃料、冷却剂和慢化剂温控制装置和结构材料与燃料通道成正交垂直方位，因此在对度，燃料辐照(燃耗)度，同位素成分，毒物浓度，功率历史和中基本栅元计算时，无法考虑它们的影响，必须建立一种反应子能量的函数。堆基本单元模型：使用笛卡儿坐标，采用一种超栅元计算模对于三维计算，要将反应堆划分为各种栅元。每一个栅型（参见图2）。该模型由基本栅元和垂直

6、于栅元的反应性装元都是用统一的中子特性来描述栅元内的成分的。为了给出置组成，然后计算反应性装置对最接近的相邻网格区域中基一个与中子能谱相关效果的理想结果，两群计算得到的结果本的栅元特性的改变（增加的截面），最后得到反应性装置相是令人满意的。而需要解决的未知数大约有1000个。计算得应对基本栅元造成的增量截面，用于堆芯模拟中的反应性装到的结果就是整个堆芯的栅元中子通量分布。置的反应性计算。每个棒束的功率是利用中子通量计算得到的。这种计算栅元的综合截面＝栅元的基本截面＋反应性设备增量截面的优点就是功率分布的计算仅仅利用了堆芯的物理特性，这计算

7、程序：MUTICELL（扩散程序）样就可改变这些特性得出预计值(例如，对新设计的堆芯进行此外，DRAGON也可计算反应性装置的反应性。模拟计算)。这种计算主要的缺点是模型的不完善给中子通量3．全堆芯中子通量分布计算计算带来误差，而模型的不完善主要是由缺乏确切的实际数CANDU堆用来计算全堆芯中子通量分布的计算方法据造成的。有两种，它们是中子扩散计算和通量绘图计算。堆芯扩散计算主要用于提供堆芯反应性下降速率，通道（1）中子扩散计算换料的反应性增量，堆芯过剩反应性值，以及为基态波模计中子扩散计算用数学模型描述堆芯中子特性来解中子算提供堆芯功率

8、和燃耗分布等。换料通道选择后，在送到控平衡方程。堆内所有对中子分布有重要影响的构件都被做成制室执行换料操作前，也必须由中子扩散计算进行安全验数学模型。这些构件包括：压力管、排管、燃料棒束、慢化