CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量獨立審核計算1）

劉巧鳳,韓靜茹

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心,北京 100082)

大型先進壓水堆CAP1400是在消化、吸收第三代先進核電AP1000的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新開發(fā)出的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、更大功率的非能動壓水堆,CAP1400壓水堆示范工程項目的建造運行將有效促進我國核電自主化發(fā)展和批量化建設(shè)。在選址、建造、調(diào)試、運行等各個階段,都將接受核安全監(jiān)管部門的嚴格審查。獨立審核計算作為核安全審評的方法之一,能夠有效提高審評的獨立性、科學(xué)性和有效性。

壓力容器是反應(yīng)堆內(nèi)不可更換的部件,它的使用年限直接影響到反應(yīng)堆的壽命,而壓力容器快中子注量是決定其使用年限的一項重要指標,是核安全審評中關(guān)注的一項重要內(nèi)容。標準審查大綱[1-2]4.3“核設(shè)計”中Ⅰ.審查范圍第8條即為 “與壓力容器輻照有關(guān)的方面”,要求對容器內(nèi)壁高于1 Me V的中子通量譜進行審查;Ⅲ.審查程序第8條要求 “在電廠設(shè)計壽期內(nèi),對于能量大于1 Me V的中子,容器壁峰值注量少于1020中子/c m2”。

1 獨立審核計算

CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量獨立審核計算的相關(guān)參數(shù)由該反應(yīng)堆設(shè)計方提供,選擇適當程序進行獨立建模,開展審核計算。

1.1 計算程序

壓力容器快中子注量的計算方法一般有兩種[3],一種是離散縱標法 (簡稱SN方法),屬于確定論方法;另一種是蒙特卡羅方法 (簡稱MC方法)。相比之下,SN方法效率較高,一次計算可以給出整個壓力容器不同位置網(wǎng)格內(nèi)的中子注量率分布;MC方法在處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)上占有一定優(yōu)勢,并且能夠真實的模擬粒子輸運過程,但存在計算時間及計算效率問題。近年來,隨著計算機的發(fā)展,兩種方法的計算程序不斷優(yōu)化完善,在輻射屏蔽方面都有廣泛應(yīng)用。

本文采用MC方法計算程序MCNP[4]對CAP1400壓力容器快中子注量進行獨立審核計算,該程序是美國洛斯阿拉莫斯 (Los Ala mos)國家實驗室研制的一個大型的多功能蒙特卡羅中子-光子輸運程序,可用于計算中子、光子或中子-光子耦合輸運問題,也可以計算臨界系統(tǒng)(包括次臨界及超臨界)的本征值問題,適用于核科學(xué)和工程方面的各種課題。CAP1400設(shè)計方采用的是SN方法計算程序DORT[5],該程序隸屬于DOORS程序包,是美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的二維中子-光子輸運計算程序,可用于一維、二維的深穿透屏蔽計算,也可用于解決本征值問題。

1.2 計算方法

利用MCNP計算CAP1400壓力容器快中子注量,在幾何建模方面需要做一定的簡化,主要包括:1)根據(jù)反應(yīng)堆堆芯的對稱性,選取四分之一的堆芯建立計算模型;2)由于堆芯外圍的燃料組件對反應(yīng)堆壓力容器快中子注量貢獻較大,將外圍組件作pin-by-pin描述,內(nèi)層的燃料組件作打混處理。

除此之外,為了保證計算結(jié)果的合理性,在建模過程中,相鄰幾何柵元的中子重要性取2～4倍;計算結(jié)果的方差控制在0.03以內(nèi)。

計算方面,首先取2°步長計算壓力容器周向注量分布,得到周向最大的角度位置;然后在該位置取10 c m步長計算軸向中子注量分布,得到壓力容器快中子注量的最大值。

1.3 計算模型

利用MCNP建立CAP1400壓力容器快中子注量模擬計算用幾何模型如圖1所示,分別為徑向和軸向剖面圖。計算用幾何模型包括:堆芯內(nèi)層燃料組件,堆芯外圍燃料組件,堆芯上、下支撐構(gòu)件,圍板、圍筒、吊籃壓力容器以及相應(yīng)的水隙。圖1中不同顏色代表了不同的材料。

用于CAP1400壓力容器快中子注量計算的參數(shù)由該反應(yīng)堆設(shè)計方提供,主要包括反應(yīng)堆的基本參數(shù)、幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及功率分布等,CAP1400反應(yīng)堆基本參數(shù)[6]如表1所示。

表1 CAP1400反應(yīng)堆基本參數(shù)Table 1 Essential parameters of CAP1400 reactor

1.4 計算結(jié)果

利用MCNP程序模擬計算能量范圍分別為E＞0.1 Me V和E＞1 Me V的快中子注量。

反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)表面周向快中子注量計算結(jié)果如圖2所示,假定水平方向為0°。結(jié)果表明,能量在E＞0.1 Me V的中子注量最大值為2.45×1010n·c m-2s-1,位置在44°～46°;能量在E＞1 Me V的中子注量最大值為1.12×1010n·c m-2s-1,位置在42°～44°。

圖2 CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量周向分布Fig.2 Distribution of the fast neutron flux in the circu mferential direction in CAP1400 reactor pressure vessel

計算44°～46°位置的壓力容器快中子注量軸向分布,假定活性區(qū)中平面位置為零點,計算結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,能量在E＞0.1 Me V的快中子注量最大值為3.83×1010n·c m-2s-1,位置在中平面以下-89.98～-99.98 c m處;能量在E＞1 Me V的快中子注量最大值為1.75×1010n·c m-2s-1,位置在中平面以下-9.98～-19.98 c m處。這兩個值即為反應(yīng)堆壓力容器快中子注量的最大值。

圖3 CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量軸向分布Fig.3 Distribution of the fast neutron flux in the axial direction in CAP1400 reactor pressure vessel

將反應(yīng)堆壓力容器快中子注量計算結(jié)果與設(shè)計方利用離散縱標程序DORT計算結(jié)果對比如表2所示,壽期內(nèi)壓力容器快中子注量值如表3所示。結(jié)果表明,對于能量范圍在E＞0.1 Me V和E＞1 Me V的快中子,審核計算得到結(jié)果均略大于設(shè)計值,相對偏差分別為8.2%和5.4%,在10%以內(nèi),屬于可接受的范圍[3,7],并且,大于1 Me V的中子注量審核計算結(jié)果與設(shè)計值均在安全審評大綱要求的范圍內(nèi)。

表2 CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量計算結(jié)果對比Table 2 Comparison of the calculated results of the fast neutron flux in CAP1400 reactor pressure vessel

表3 CAP1400反應(yīng)堆壽期內(nèi)壓力容器快中子注量Table 3 The f ast neutron flux in the reactor pressure vessel during the life cycle of CAP1400

2 分析與討論

對CAP1400反應(yīng)堆壓力容器快中子注量進行審核計算,并將審核計算與設(shè)計方的設(shè)計值進行對比,結(jié)果表明,審核計算結(jié)果與設(shè)計值存在一定的相對偏差,對于偏差的原因進行了分析,可能的原因如下。

(1)計算程序

利用相同的程序進行計算能夠區(qū)別不同技術(shù)人員在程序使用方法方面的誤差,并且能夠更好的分析程序本身所帶來的系統(tǒng)誤差;而采用不同的程序則能夠表明不同的計算方法對結(jié)果帶來的影響及誤差。CAP1400壓力容器快中子注量的審核計算采用了不同于設(shè)計計算的程序,前者為蒙特卡羅計算程序,后者為離散縱標法計算程序,勢必會在計算結(jié)果上存在一定的偏差。審核計算所采用的MCNP程序是基于三維計算模型,并且使用點截面,而設(shè)計方所采用的DORT程序則是基于二維的計算模型,使用群截面,不同模型的精確程度可能會帶來一定的誤差。但是,MCNP和DORT計算程序都屬于標準審查大綱中認可的計算程序,都可以用于上述計算過程。

(2)計算過程中的幾何簡化

根據(jù)不同計算程序的特點,審核計算和設(shè)計中都采用了一定的幾何簡化。審核計算對堆芯區(qū)域的燃料組件采用內(nèi)側(cè)組件打混處理,外圍組件pin-by-pin處理;設(shè)計方采用網(wǎng)格化處理。

(3)計算結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法

蒙卡方法通過抽樣并模擬單個粒子的情況,最終通過統(tǒng)計并控制方差得到較為可信的統(tǒng)計結(jié)果,審核計算程序MCNP的計算結(jié)果為統(tǒng)計結(jié)果;設(shè)計方采用的離散縱標法計算程序DORT在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上引入了兩個因子,分別是軸向分布因子和不確定性因子,以保證結(jié)果的保守性,其中軸向分布因子是為了考慮堆芯活性區(qū)軸向功率分布所帶來的影響;不確定性因子是為了考慮截面數(shù)據(jù)庫更新、幾何建模簡化以及其他近似等帶來的不確定性。

(4)其他偏差來源

存在其他偏差來源,如由于兩種程序的不同,計算過程中計數(shù)區(qū)域設(shè)置不同,MCNP采用面計數(shù)而DORT采用網(wǎng)格計數(shù);除此之外,計算中堆芯裂變譜的選取;計算邊界條件的選取,如堆腔處軸向方向的邊界條件;計算結(jié)果不確定度等因素也會帶來一定的偏差。

3 結(jié) 論

利用蒙特卡羅計算程序MCNP對大型先進壓水堆CAP1400壓力容器快中子注量進行了審核計算,計算結(jié)果表明,審核計算結(jié)果與設(shè)計值的相對偏差在可接受的范圍內(nèi),并且大于1 Me V的中子注量值均符合相關(guān)法規(guī)標準的要求。通過本次審核計算,確認了CAP1400壓力容器快中子屏蔽設(shè)計的合理性,為CAP1400示范工程的核安全審評提供了有效的技術(shù)支持。