混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL3.0研發(fā)及其在先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

吳宜燦，鄒 俊，郝麗娟，王明煌，楊 琪，宋 婧，汪 進(jìn)，尚雷明，龍鵬程，王 芳，胡麗琴，何 桃，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

(中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031)

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混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL3.0研發(fā)及其在先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

吳宜燦，鄒 俊，郝麗娟，王明煌，楊 琪，宋 婧，汪 進(jìn)，尚雷明，龍鵬程，王 芳，胡麗琴，何 桃，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

(中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031)

FDS團(tuán)隊(duì)結(jié)合聚變堆、先進(jìn)裂變堆、聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等核能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用核數(shù)據(jù)的需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)HENDL。HENDL包括輸運(yùn)核數(shù)據(jù)庫(kù)、嬗變與活化核數(shù)據(jù)庫(kù)、輻照損傷核數(shù)據(jù)庫(kù)等，并針對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)的物理特點(diǎn)，從能量自屏效應(yīng)、熱散射效應(yīng)、溫度多普勒效應(yīng)等方面進(jìn)行了精確的截面修正。HENDL已通過(guò)國(guó)際基準(zhǔn)模型與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與確認(rèn)，并在ADS-CLEAR 、FDS-SFB為代表的重大核工程與核能研究中得到了廣泛應(yīng)用。

先進(jìn)核能系統(tǒng)；多群數(shù)據(jù)庫(kù)；基準(zhǔn)檢驗(yàn)

在進(jìn)行核反應(yīng)堆中子學(xué)計(jì)算時(shí)，需要知道不同能量的粒子與各種物質(zhì)(包括核燃料、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料等)相互作用的核反應(yīng)截面，以及衰變常數(shù)、衰變分支比和裂變產(chǎn)物份額等有關(guān)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為核數(shù)據(jù)。核數(shù)據(jù)是核科學(xué)技術(shù)研究和核工程設(shè)計(jì)所必需的基本數(shù)據(jù)，也是反應(yīng)堆中子學(xué)計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)核數(shù)據(jù)方面，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)核數(shù)據(jù)科(International Atomic Energy Agency/Nuclear Data Section，IAEA/NDS)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)核數(shù)據(jù)庫(kù)EXFOR[1]匯總了全世界的核數(shù)據(jù)測(cè)量的主要實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量數(shù)據(jù)。在評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)方面，主要有美國(guó)的ENDF[2]、歐洲的JEFF[3]、俄羅斯的BROND[4]、日本的JENDL[5]、中國(guó)的CENDL[6]等。在應(yīng)用核數(shù)據(jù)方面，主要包括應(yīng)用于裂變堆的WIMSD[7]多群庫(kù)、應(yīng)用于聚變裝置的FENDL[8]數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的ADS.lib[9]數(shù)據(jù)庫(kù)等。

傳統(tǒng)裂變堆設(shè)計(jì)與安全分析所使用的核數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)成熟與完善，但針對(duì)尚處在研究階段的反應(yīng)堆，如加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆、聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)，尚無(wú)很成熟的應(yīng)用核數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)際上的ADS核數(shù)據(jù)庫(kù)主要有IAEA/NDS發(fā)布的ADS-lib、美國(guó)LANL發(fā)布的La150[10]、日本原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布的JENDL-He[11]，但這些核數(shù)據(jù)存在能量范圍無(wú)法覆蓋ADS能譜范圍、核素種類過(guò)少、物理效應(yīng)修正不充分等問(wèn)題。另外，國(guó)際上相繼開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于聚變堆、裂變堆應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，但缺乏專門應(yīng)用于聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆的數(shù)據(jù)庫(kù)。

中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)結(jié)合聚變反應(yīng)堆、先進(jìn)裂變堆、聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用核數(shù)據(jù)的需求，以最新發(fā)布的國(guó)際主流評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，依據(jù)國(guó)際基準(zhǔn)臨界安全實(shí)驗(yàn)、中子屏蔽積分實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，結(jié)合對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)的物理分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL[12-19]。本論文主要從該數(shù)據(jù)庫(kù)的體系架構(gòu)與特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)研究、核數(shù)據(jù)驗(yàn)證與應(yīng)用展開(kāi)闡述。

1 體系架構(gòu)與特色

混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL總體目標(biāo)是為先進(jìn)核能系統(tǒng)的核設(shè)計(jì)及安全分析提供應(yīng)用核數(shù)據(jù)庫(kù)支持，目前最新版本為3.0。HENDL主要包括粒子輸運(yùn)數(shù)據(jù)庫(kù)、嬗變/活化數(shù)據(jù)庫(kù)、輻照損傷庫(kù)等功能子庫(kù)。

HENDL同時(shí)具備支持多種能群結(jié)構(gòu)，涵蓋多種堆型的能譜，包括多種物理計(jì)算功能子庫(kù)等特點(diǎn)，服務(wù)于多種核能系統(tǒng)尤其是先進(jìn)核能系統(tǒng)的核設(shè)計(jì)與安全分析。

在能群結(jié)構(gòu)方面，HENDL包括連續(xù)點(diǎn)截面數(shù)據(jù)庫(kù)HENDL/MC[13]以及群狀數(shù)據(jù)庫(kù)，主要有366群中子與42群光子能群結(jié)構(gòu)的HENDL-ADS/MG[14]數(shù)據(jù)庫(kù)、315群中子與42群光子能群結(jié)構(gòu)的HENDL/FG[12]細(xì)群庫(kù)、175群中子與42群光子能群結(jié)構(gòu)的HENDL/MG[9-10]多群庫(kù)、27群中子與21群光子能群結(jié)構(gòu)的HENDL/CG[11]粗群數(shù)據(jù)庫(kù)。在堆型能譜支持方面，HENDL的能譜包括標(biāo)準(zhǔn)裂變譜、聚變譜、聚變-裂變混合譜以及加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆能譜，滿足不同類型反應(yīng)堆物理計(jì)算的需求。在多種物理計(jì)算功能子庫(kù)方面，HENDL以基本的群狀主庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)加工處理得到了各個(gè)輸運(yùn)庫(kù)對(duì)應(yīng)的其他功能子庫(kù)，包括HENDL-A(Activation)嬗變/活化庫(kù)、HENDL-RF(Response-Function)輻照損傷庫(kù)等，這些子庫(kù)涵蓋MG/FG/CG能群結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，HENDL/MG主要服務(wù)于裂變堆、聚變堆、聚變裝置的核分析；HENDL/FG主要服務(wù)于聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、裂變堆的核分析；HENDL-ADS/MG主要服務(wù)于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的核分析。HENDL/MC可以為反應(yīng)堆輸運(yùn)計(jì)算提供連續(xù)點(diǎn)截面支持。

2 關(guān)鍵技術(shù)

FDS團(tuán)隊(duì)針對(duì)聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)的物理特點(diǎn)，從能群結(jié)構(gòu)、權(quán)重函數(shù)的設(shè)計(jì)，以及能量共振自屏、熱中子散射、多普勒等物理效應(yīng)的精確修正展開(kāi)的設(shè)計(jì)研究，并發(fā)展了支持先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL。

2.1 能群結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在多群數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，影響群截面設(shè)計(jì)精度的一個(gè)重要因素就是能群結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，理論上能群劃分越精細(xì)計(jì)算越精確，但是能群過(guò)細(xì)也將帶來(lái)計(jì)算耗時(shí)等問(wèn)題。因此根據(jù)核素核反應(yīng)截面隨能量變化的特性進(jìn)行合理的群截面設(shè)計(jì)，可以達(dá)到快速精確計(jì)算的目的。能群結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮因素包括：各種閾能反應(yīng)，非彈性散射、某些核素的裂變反應(yīng)、(n，2n)和(n，3n)反應(yīng)等的閾能應(yīng)當(dāng)作為群的間隔點(diǎn)；截面發(fā)生明顯變化的中子能量即拐點(diǎn)處應(yīng)該作為能群的邊界。

針對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)20 MeV以上中高能中子與次臨界堆包層材料相互作用的理論模型(光學(xué)散射、復(fù)合核、直接反應(yīng)及預(yù)蒸發(fā)模型)分析基礎(chǔ)上，獲取先進(jìn)核能系統(tǒng)關(guān)鍵核素的中高能新的反應(yīng)道、高能核反應(yīng)閾以及截面明顯變化點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上綜合分析中子能群結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

2.2 權(quán)重函數(shù)設(shè)計(jì)

在能群結(jié)構(gòu)選取一定的情況下，權(quán)重函數(shù)越精確對(duì)應(yīng)的群截面的精度也越高。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，中子物理學(xué)家給出了一些適用于不同的堆型近似譜作為權(quán)重譜，但是對(duì)于先進(jìn)核能系統(tǒng)中子權(quán)重函數(shù)并未給出合適的分布。在國(guó)內(nèi)外目前的設(shè)計(jì)中，對(duì)于先進(jìn)核能系統(tǒng)高能區(qū)的權(quán)重函數(shù)大多采用平滑的譜分布，如EASY自帶的燃耗庫(kù)Vitamin-J+以及TRPOLI+均采用平滑權(quán)重譜函數(shù)(權(quán)重譜為常數(shù))。

在HENDL核數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)重函數(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用典型的先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)其中子能譜展開(kāi)研究與分析，重點(diǎn)探討20 MeV以上中子譜分布特點(diǎn)，并采用最小二乘法對(duì)中高能中子譜的分布進(jìn)行研究，從而獲取合適的先進(jìn)核能系統(tǒng)權(quán)重函數(shù)分布。

2.3 能量共振自屏效應(yīng)修正

由于核素的吸收截面在共振能區(qū)(錒系與次錒系主要集中在4 eV～9.118 keV；中等質(zhì)量核主要集中在0.1 keV～1 MeV)急劇增大，形成強(qiáng)烈的共振峰，這使得反應(yīng)堆內(nèi)共振能區(qū)中子通量密度明顯下降，這個(gè)現(xiàn)象稱為能量自屏效應(yīng)[19]。在聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)中，裂變包層中子主要分布于錒系與次錒系的共振能區(qū)，因此存在強(qiáng)烈的自屏效應(yīng)，如果中子學(xué)計(jì)算中忽略共振自屏效應(yīng)的影響，可能會(huì)低估系統(tǒng)的中子有效增殖因數(shù)keff。

實(shí)際應(yīng)用中，通常采用基于窄共振近似的Bondarenko方法[20]來(lái)進(jìn)行共振自屏效應(yīng)修正，但這種方法不能有效處理共振干涉效應(yīng)，所以無(wú)法精確地對(duì)燃料類型復(fù)雜的先進(jìn)核能系統(tǒng)包層進(jìn)行能量自屏效應(yīng)修正。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)核素的參考本底截面選取的與實(shí)際堆型環(huán)境下的本底越接近，自屏效應(yīng)修正的結(jié)果就越精確，可以大幅度減少共振干涉效應(yīng)對(duì)自屏修正精度的影響[21]。因此通過(guò)對(duì)參考本底截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量自屏效應(yīng)的精確修正。

參考本底截面優(yōu)化法首先使用普適方法確認(rèn)該核素的本底截面的大致范圍，再由典型反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)方案計(jì)算出核素的本底截面，然后考慮反應(yīng)堆相關(guān)區(qū)域的不同情況下核素密度發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的本底截面范圍，最后綜合確定關(guān)鍵共振核素的本底截面優(yōu)化方案。

2.4 熱散射效應(yīng)修正

在先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，水冷次臨界堆的能譜復(fù)雜，既有高能中子，又有大量熱中子，當(dāng)中子能量低于一定范圍時(shí)(例如4 eV)，由于中子能量與靶核的熱能相當(dāng)，中子在與靶核發(fā)生碰撞中可能獲得能量而使其能量升高，從而發(fā)生熱中子上散射效應(yīng)。已有研究表明，熱散射效應(yīng)對(duì)于超臨界水堆HMT1模型多群截面keff的影響可以達(dá)到14%。

因此需要專門針對(duì)熱散射修正問(wèn)題開(kāi)展研究，使HENDL可以適用于水冷次臨界堆的設(shè)計(jì)。熱中子散射截面通?？煞譃椋?) 相干彈性散射，如石墨、鈹?shù)龋?) 非彈性散射，包括相干散射和非相干散射，對(duì)所有材料都存在，用散射率S(α，β)表示；3) 非相干彈性散射，對(duì)含氫的固態(tài)物質(zhì)重要，如ZrH、固態(tài)輕水等。

熱散射數(shù)據(jù)的處理如下：以熱散射評(píng)價(jià)文件為原始輸入文件；在核數(shù)據(jù)處理程序NJOY[20]輸入文件中添加中子熱化處理卡片，實(shí)現(xiàn)熱能區(qū)材料中的熱散射矩陣計(jì)算，然后結(jié)合MATXSR模塊[20]的多群化處理，生成熱散射修正的多群數(shù)據(jù)文件。

2.5 溫度多普勒效應(yīng)修正

由于靶核的熱運(yùn)動(dòng)隨溫度的升高而增加，此時(shí)共振峰的寬度會(huì)隨著溫度上升而增加，同時(shí)峰值截面數(shù)值逐漸減小，這個(gè)現(xiàn)象稱為溫度多普勒效應(yīng)[20]。在核數(shù)據(jù)庫(kù)制作中，根據(jù)多普勒效應(yīng)對(duì)不同溫度的截面進(jìn)行修正，稱為多普勒展寬。

先進(jìn)核能系統(tǒng)內(nèi)材料的溫度分布范圍和梯度大，如裂變包層溫度高達(dá)數(shù)百攝氏度，而超導(dǎo)線圈和磁體的溫度則低到零下二百多攝氏度，因此HENDL核數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中考慮多普勒效應(yīng)，從而保證核數(shù)據(jù)的精度，以適用于不同設(shè)計(jì)溫度下的包層計(jì)算分析。

針對(duì)核數(shù)據(jù)的多普勒展寬目前最為精確的方法是基于Kernal Broading[20]的多普勒展開(kāi)方法，該方法從反應(yīng)率守恒和靶核熱運(yùn)動(dòng)速率的Maxwell-Boltzmann分布出發(fā)，推導(dǎo)出溫度多普勒展寬公式，并通過(guò)解析積分計(jì)算公式中的積分項(xiàng)，得到指定溫度下的經(jīng)過(guò)多普勒效應(yīng)修正的核反應(yīng)截面。

3 核數(shù)據(jù)驗(yàn)證

FDS團(tuán)隊(duì)針對(duì)混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL的驗(yàn)證，匯總建立了一套系統(tǒng)化的核數(shù)據(jù)驗(yàn)證例題庫(kù)。該例題庫(kù)包含2 000余道實(shí)驗(yàn)與理論例題，在驗(yàn)證核素方面包括錒系、次錒系、結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑、功能材料等，驗(yàn)證能量方面包括慢中子、快中子、高能中子等，較為系統(tǒng)地保證了測(cè)試的全面性。

通過(guò)熱譜/快譜臨界實(shí)驗(yàn)、聚變中子源屏蔽積分實(shí)驗(yàn)以及ITER-Benchmark等例題的測(cè)試，結(jié)果顯示HENDL的模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值的符合較好[12-18]，驗(yàn)證了HENDL在聚變級(jí)聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆能譜下核數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。通過(guò)快譜臨界實(shí)驗(yàn)、高能中子屏蔽積分實(shí)驗(yàn)以及BFS、KUCA、YALINA、BN600、IAEA/OECD-ADS等例題測(cè)試，結(jié)果顯示HENDL的模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值的符合較好，驗(yàn)證了HENDL在先進(jìn)裂變堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆能譜下核數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。本文選取聚變裝置停堆劑量率實(shí)驗(yàn)例題ITER-T426與日本原子能機(jī)構(gòu)800 MW ADS的中子增殖因子測(cè)試案例進(jìn)行介紹。

3.1 ITER-T426停堆劑量率實(shí)驗(yàn)

在意大利ENEA的中子發(fā)生器FNG(Frascati Neutron Generator)上開(kāi)展的ITER-T426[22]實(shí)驗(yàn)，是最為典型的聚變裝置中子學(xué)計(jì)算程序與數(shù)據(jù)庫(kù)校驗(yàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)采用FNG產(chǎn)生的D-T中子來(lái)照射實(shí)驗(yàn)裝置，然后使用探測(cè)器測(cè)量不同冷卻時(shí)間該裝置中的劑量率，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，以校核相關(guān)計(jì)算程序、方法及核數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性[22]。ITER-T426模型由兩部分組成，中子產(chǎn)生器模型及立體屏蔽層模型，該裝置的模型，如圖1所示。

圖1 ITER-T426模型Fig.1 ITER-T426 model

應(yīng)用HENDL/MC輸運(yùn)核數(shù)據(jù)庫(kù)與HENDL/MG嬗變/活化核數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合SuperMC計(jì)算程序?qū)TER-T426模型的停堆劑量率進(jìn)行了計(jì)算，為了進(jìn)一步驗(yàn)證HENDL核數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性，并將計(jì)算結(jié)果與MCR2S、MCFISP等的計(jì)算結(jié)果[22]進(jìn)行了對(duì)比。圖2給出了網(wǎng)格計(jì)數(shù)停機(jī)劑量率程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果隨冷卻時(shí)間的變化。從該圖中可以看出，采用HENDL數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及其他程序計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相吻合，除了初始時(shí)刻，HENDL計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差都在5%左右，對(duì)比其他模擬結(jié)果，HENDL模擬計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)值。

圖2 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比值Fig.2 C/E calculation of dose rate in the cavity center

3.2 日本原子能機(jī)構(gòu)800 MW ADS測(cè)試?yán)}

日本原子能機(jī)構(gòu)的800 MW加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆ADS測(cè)試?yán)}[23-24]，是隸屬于國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的核能聯(lián)合研究計(jì)劃，該計(jì)劃為“加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆實(shí)驗(yàn)與模擬測(cè)試”，其主要目的是為了研究ADS模擬工具的計(jì)算精度問(wèn)題。該ADS的入射質(zhì)子能量為1.0 GeV，靶材為鉛鉍合金，燃料為次錒系钚與MA組成的混合物，如圖3所示。

圖3 RZ計(jì)算模型和燃料成分Fig.3 RZ calculation model and fuel composition

應(yīng)用HENDL-ADS/MG/MC核數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合SuperMC計(jì)算程序?qū)υ摾}進(jìn)行了模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[24]中JENDL-4.0、ENDF/B-VII.1、JEFF-3.1的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表1所示。

表1 不同核數(shù)據(jù)庫(kù)模擬計(jì)算keff結(jié)果

* 相對(duì)偏差=(keff-平均值)/平均值×100

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，HENDL-ADS/MG/MC計(jì)算keff結(jié)果與平均值吻合較好，相對(duì)偏差小與0.05%。這些測(cè)試結(jié)果表明，HENDL核數(shù)據(jù)庫(kù)在計(jì)算加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆ADS的次臨界度具備一定的精度與可靠性。

4 核數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

目前混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)HENDL已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER、中國(guó)全超導(dǎo)托克馬克EAST、中國(guó)聚變示范堆CFETR、FDS系列反應(yīng)堆(FDS-I/II/III /SFB/MFX)以及加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等核能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析中。本文以聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆FDS-SFB[25-30]的燃耗計(jì)算分析與ADS-CLEAR[31-32]的屏蔽分析為例介紹HENDL的應(yīng)用情況，計(jì)算所應(yīng)用的程序?yàn)槌?jí)蒙特卡羅核模擬軟件SuperMC[33-39]。

4.1 聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆核設(shè)計(jì)分析

聚變驅(qū)動(dòng)次臨界乏燃料焚燒堆FDS-SFB (Fusion Driven subcritical System for Spent Fuel Burning)是以焚燒裂變電站乏燃料為目的的聚變裂變混合堆概念，可實(shí)現(xiàn)嬗變核廢料、增殖核燃料、生產(chǎn)能量等功能。其聚變堆芯為常規(guī)托卡馬克裝置，大半徑為4 m，小半徑為1 m，聚變功率為150 MW。包層采用高壓氦氣和液態(tài)鉛鋰合金共同冷卻的雙冷嬗變包層，按照功能可以分為乏燃料區(qū)、氚增殖區(qū)與貧鈾區(qū)，其中乏燃料區(qū)主要用于產(chǎn)生能量和嬗變核廢料，氚增殖區(qū)主要用于增殖氚，貧鈾區(qū)主要用于增殖核燃料。

采用HENDL/FG輸運(yùn)數(shù)據(jù)庫(kù)、嬗變/活化庫(kù)和材料輻照損傷庫(kù)結(jié)合SuperMC軟件，對(duì)FDS-SFB開(kāi)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。由于FDS-SFB的包層中子主要分布于錒系與次錒系的共振能區(qū)，因此存在強(qiáng)烈的自屏效應(yīng)，HENDL/FG采用參考本底截面的優(yōu)化[21]法以實(shí)現(xiàn)自屏效應(yīng)的精確修正。圖4顯示了采用HENDL/FG核數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算的次錒系核素質(zhì)量隨燃耗的變化情況[40]。經(jīng)過(guò)分析與對(duì)比，超鈾含量為15%的包層燃料方案可以使得FDS-SFB獲得較高的燃料增殖與廢料嬗變性能。

圖4 次錒系核素質(zhì)量隨燃耗的變化曲線Fig.4 Mass of minor actinide as a function of burnup

4.2 中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆核設(shè)計(jì)分析

中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆CLEAR-I(China Lead-based Research Reactor)是中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能-ADS嬗變系統(tǒng)”的反應(yīng)堆參考方案。CLEAR-I具有臨界和次臨界雙模式運(yùn)行能力，可在同一個(gè)裝置上開(kāi)展第四代鉛冷快堆和外源驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)耦合技術(shù)研究。CLEAR-I選用富集度為19.75%的UO2為燃料，選擇鉛鉍合金作為冷卻劑，堆芯額定熱功率為10 MW。

基于HENDL-ADS/MG核數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合SuperMC開(kāi)展了CLEAR-I的堆芯核設(shè)計(jì)與屏蔽設(shè)計(jì)[41-42]，確定了堆芯基本布置與堆本體屏蔽方案。由于CLEAR-I在次臨界運(yùn)行模式下系統(tǒng)中子能量跨度大、能譜復(fù)雜，經(jīng)過(guò)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的HENDL-ADS/MG可以滿足大跨度能譜下物理計(jì)算需求。采用HENDL-ADS/MG計(jì)算了滿功率運(yùn)行下堆芯功率分布、堆本體中子通量密度分布(見(jiàn)圖5)及關(guān)鍵部件(如包殼、圍桶、安全容器與主容器等)的材料輻照損傷，同時(shí)評(píng)估分析了堆頂包容小室的輻射來(lái)源及典型部件維修過(guò)程中的工作人員輻射劑量。計(jì)算結(jié)果為反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供指導(dǎo)，最終堆芯與屏蔽設(shè)計(jì)方案得到了國(guó)家專家評(píng)審組的認(rèn)可。

圖5 滿功率運(yùn)行下CLEAR-I堆本體中子通量密度Fig.5 Neutron flux of CLEAR with full power operation

5 總結(jié)與展望

FDS團(tuán)隊(duì)結(jié)合聚變堆、先進(jìn)裂變堆、聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等核能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用核數(shù)據(jù)的需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)HENDL。HENDL包括輸運(yùn)核數(shù)據(jù)庫(kù)、嬗變與活化核數(shù)據(jù)庫(kù)、輻照損傷核數(shù)據(jù)庫(kù)等，并針對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)的物理特點(diǎn)，從能量自屏效應(yīng)、熱散射效應(yīng)、溫度多普勒效應(yīng)等方面進(jìn)行了精確的截面修正。

HENDL已通過(guò)臨界安全實(shí)驗(yàn)、積分屏蔽實(shí)驗(yàn)、裂變堆基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、聚變實(shí)驗(yàn)堆基準(zhǔn)模型等2 000余個(gè)國(guó)際基準(zhǔn)模型與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與確認(rèn)，并在ADS-CLEAR 、FDS-SFB為代表的 20 余個(gè)重大核工程與核能研究中得到了廣泛應(yīng)用。

下一步將繼續(xù)深入研究HENDL系列核數(shù)據(jù)庫(kù)在聚變堆、先進(jìn)裂變堆、ADS等先進(jìn)核能系統(tǒng)核設(shè)計(jì)與安全分析方面的應(yīng)用。同時(shí)，針對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)的特點(diǎn)，有計(jì)劃地開(kāi)展針對(duì)核數(shù)據(jù)的微觀與宏觀實(shí)驗(yàn)，建立HENDL的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從根本上提高核數(shù)據(jù)的精度，結(jié)合數(shù)據(jù)的理論評(píng)價(jià)工作，全面充實(shí)與提高HENDL核數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容與質(zhì)量。

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Development and Application of Hybrid Evaluated Nuclear Data Library HENDL3.0 for Advanced Nuclear System

WU Yi-can, ZOU Jun, HAO Li-juan, WANG Ming-huang, YANG Qi, SONG Jing, WANG Jin, SHANG Lei-ming, LONG Peng-cheng, WANG Fang, HU Li-qin, HE Tao, FDS Team

(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui Prov. 230031, China)

To meet the need of nuclear analysis for fusion reactors, fission reactors, the fusion-driven sub-critical and accelerator-driven sub-critical systems, HENDL (Hybrid Evaluated Nuclear Data Library) has been developed by FDS team. Corrections of resonance self-shielding, Doppler and thermal scattering effects for advanced nuclear system were accomplished in the design for HENDL. HENDL include different energy structures and weight functions for different reactors. To validate and qualify the reliability of the HENDL, lots of benchmarks were performed. Now HENDL has been applied in fission reactors, fusion reactors, FDS serial reactors and ADS-CLEAR systems.

Advanced nuclear systems; Multi-group data library; Benchmark

2017-02-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(11405204、11305205、10675123)，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA03040000)，國(guó)家ITER 973計(jì)劃(2014GB112001)，國(guó)家自然科學(xué)基金(11405204、11305205、10675123)，中國(guó)科學(xué)院信息化專項(xiàng)(XXH12504-1-09)，產(chǎn)業(yè)化基金

吳宜燦(1964—)，男，安徽人，研究員，博導(dǎo)，主要從事先進(jìn)核能系統(tǒng)研究

TL32

A

0258-0918(2017)02-0242-08