海洋核動(dòng)力平臺(tái)壓力容器快中子注量分析優(yōu)化

李龍 吳曉春

摘 ? 要：反應(yīng)堆壓力容器的快中子注量計(jì)算在反應(yīng)堆壽命評(píng)估中具有非常關(guān)鍵的作用。針對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆燃料管理相對(duì)簡(jiǎn)單、控制棒排布及計(jì)算較為復(fù)雜等特點(diǎn)，采用全蒙卡方法對(duì)壓力容器快中子注量進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)設(shè)計(jì)中壓力容器最大快中子注量的主要影響因素，如熱屏、反射層厚度和吊籃等進(jìn)行了分析評(píng)估。在此基礎(chǔ)上確定了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案 ，并對(duì)壓力容器40年壽期快中子注量分布進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：海洋核動(dòng)力平臺(tái) ?壓力容器 ?快中子注量 ?蒙特卡羅方法

中圖分類號(hào)：TL32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0118-04

海洋核動(dòng)力平臺(tái)可以為渤海灣海上石油鉆井平臺(tái)提供電力。壓力容器是海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆的不可更換部件，由快中子引起的輻照脆化是限制壓力容器壽命的最重要因素。壓力容器的壽命主要取決于能量高于0.1 MeV的快中子對(duì)其的輻照效應(yīng)，而能量高于1 MeV的快中子對(duì)材料輻照損傷脆化起主導(dǎo)作用。在反應(yīng)堆壓力容器脆化程度評(píng)估中，快中子注量計(jì)算發(fā)揮著重要作用，其計(jì)算的準(zhǔn)確性一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 ?海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆堆芯概述

海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆堆芯是海洋核動(dòng)力平臺(tái)的重要組成部分，是為系統(tǒng)提供裂變熱能的核心裝置。堆芯采用235U富集度為3%左右的UO2作為燃料，輕水作為冷卻劑和慢化劑。反應(yīng)堆屬于熱中子壓水型反應(yīng)堆。海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆堆芯活性區(qū)高徑比接近于1：1，為六角形柵格布置，如圖1所示。堆芯包括三類組件：含可燃毒物組件、含控制棒組件以及純?nèi)剂辖M件。

2 ?計(jì)算方法及程序

2.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法概述

國際上目前用于反應(yīng)堆壓力容器中子注量的計(jì)算方法包括離散坐標(biāo)方法和蒙特卡羅方法。前者歷經(jīng)了從ANISN、DOT 到DORT 的發(fā)展過程;后者隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展而逐漸得到廣泛的應(yīng)用，MCNP 是蒙特卡羅方法中是其最具代表性的計(jì)算程序。而配套的核數(shù)據(jù)大多基于ENDF/B 系統(tǒng)，到目前為止，已發(fā)展到ENDF/B-Ⅶ。

根據(jù)NRC RG 1.190的規(guī)定，一般核電站壓力容器快中子注量的計(jì)算可分為源分布計(jì)算、固定源下的中子輸運(yùn)計(jì)算及三維中子注量率的合成這3個(gè)主要環(huán)節(jié)。要核電站壓力容器的計(jì)算快中子注量，首先要了解堆芯發(fā)生裂變反應(yīng)釋放出中子的數(shù)量和能譜，然后根據(jù)反應(yīng)堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和材料，計(jì)算出最終能輸運(yùn)到壓力容器處快中子的數(shù)量。所以完成這一復(fù)雜的計(jì)算過程，需要同時(shí)應(yīng)用燃料管理程序與中子輸運(yùn)程序，前者根據(jù)核電廠的運(yùn)行歷史，例如堆芯裝載方案、功率水平等參數(shù)，計(jì)算出單位時(shí)間反應(yīng)堆各處發(fā)生裂變反應(yīng)釋放出中子的數(shù)量和能量，將反應(yīng)堆轉(zhuǎn)換為一個(gè)復(fù)雜的，但是已知的中子源模型，而后者根據(jù)這一個(gè)中子源模型，結(jié)合反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料，利用可靠的核截面數(shù)據(jù)庫，通過輸運(yùn)計(jì)算得到壓力容器處快中子注量。

離散坐標(biāo)方法在過去的40年中一直是該領(lǐng)域研究的主要方法。離散坐標(biāo)方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算效率高，且能較好地完成深穿透的粒子輸運(yùn)計(jì)算。作為不同的研究方向，蒙特卡羅程序稍晚于離散坐標(biāo)程序面世。但其廣泛應(yīng)用得益于近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展。蒙特卡羅程序在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)描述上的優(yōu)勢(shì)是離散坐標(biāo)程序所無法比擬的，且其三維計(jì)算功能可以輸出任意位置的精確記錄值。但作為蒙特卡羅程序的固有屬性，其計(jì)算效率明顯偏低。國際上可用于進(jìn)行中子輸運(yùn)的蒙特卡羅程序有MCNP/MCNPX、MVP、KENO、MCBEND、MCU等等，其中能力最強(qiáng)，使用的最廣泛的是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MCNP程序。

2.2 計(jì)算程序及方案

計(jì)算采用日本原子能機(jī)構(gòu)（JAEA）研發(fā)的蒙特卡羅輸運(yùn)程序——MVP。程序采用體組合的方式描述幾何模型，具有精確描述復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)的能力。另外，MVP通過與BURN模塊的耦合可計(jì)算時(shí)間相關(guān)的燃耗問題。

由于海洋核動(dòng)力平臺(tái)（1）采用全堆換料的方式，燃料管理計(jì)算較為簡(jiǎn)單重復(fù);（2）堆芯內(nèi)控制棒組件較多，控制棒的幾何運(yùn)動(dòng)模擬較為復(fù)雜;（3）堆型相對(duì)于一般的核電站壓水堆要小很多，因此本次計(jì)算嘗試采用全蒙卡模擬的方法進(jìn)行計(jì)算。將源分布計(jì)算、固定源下的中子輸運(yùn)計(jì)算及三維中子注量率的合成在包含燃耗計(jì)算功能的蒙卡程序內(nèi)直接計(jì)算完成。

計(jì)算中的時(shí)間和空間因素分別按以下方式考慮。

時(shí)間：按全壽期500 EFPD進(jìn)行計(jì)算，每30EFPD為一個(gè)時(shí)間步長，每個(gè)時(shí)間步長初期調(diào)節(jié)控制棒臨界棒位，計(jì)算每個(gè)步長初的快中子注量率作為該步長內(nèi)的平均快中子注量率，最后累積計(jì)算全壽期內(nèi)能量大于1MeV的快中子注量。

軸向H：軸向上將活性區(qū)部分壓力容器分為14段，每段10cm。

周向θ：周向上按全堆及控制棒對(duì)稱性，選取1/3堆芯，即120°角度范圍內(nèi)壓力容器進(jìn)行計(jì)算，每5°為一段。周向分段劃分模型見圖2。

3 ?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 反射層厚度和吊籃對(duì)壓力容器快中子注量的影響

首先對(duì)反射層厚度（通過壓力容器內(nèi)半徑體現(xiàn)）及吊籃厚度的影響進(jìn)行了比較分析，計(jì)算結(jié)果見表1。從計(jì)算結(jié)果可以看出，作為反射層的水的厚度對(duì)最大快中子注量的影響非常大，隨水層厚度增加，快中子注量迅速下降;吊籃厚度對(duì)快中子注量也有一定影響，相對(duì)較小，快中子注量隨吊籃厚度增加而降低;另外，從兩個(gè)同樣厚度不同位置方案結(jié)果可以看出，吊籃更靠近壓力容器時(shí)，快中子注量更大，但兩者差別很小。