雙重非均勻子群參數制作研究

黃 冬，袁 媛，張 乾，李 頌，梁越超

(1.西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；4.海軍工程大學 核科學技術學院，湖北 武漢 430033；5.國防科技大學 并行與分布處理國防科技重點實驗室，湖南 長沙 410073)

彌散顆粒燃料元件中燃料顆粒彌散在非裂變基體中，該燃料元件能承受更高的溫度，具有優秀的固有安全性。近年來引入壓水堆的全陶瓷微密封(FCM)燃料，將燃料顆粒彌散在SiC基體中，制作為圓柱形燃料芯塊[1]。這種彌散形式的燃料顆粒，難以獲得確定的幾何信息，同時由于共振自屏現象的存在，呈現出一種雙重非均勻系統，如果不在共振計算中考慮雙重性，將對中子輸運計算帶來不可忽視的無限增殖因數誤差。

針對彌散顆粒燃料的共振計算，當前國際上主要有3種方法，分別為丹可夫方法[2]、缺陷因子法[3-6]和Sanchez-Pomraning方法[7]。這些研究傾向于沿用或改進傳統壓水堆組件計算程序中的共振計算方法，在幾何適應性、計算精度上還存在局限性。美國橡樹嶺國家實驗室實現了嵌入式共振計算方法在隨機分布介質燃料元件中的應用[8]，但未使用考慮雙重非均勻性幾何的共振積分表。DeCART程序中實現了子群方法在隨機分布介質燃料元件中的應用，但沿用了壓水堆問題中的子群參數[9]。本研究試圖提出雙重非均勻系統下共振積分表和子群參數，基于Sanchez-Pomraning模型下的特征線固定源計算方法，通過超細群求解慢化方程獲得共振核素的共振截面，結合特征線固定源計算獲得均勻化燃料區域的標通量，從而建立一套雙重非均勻積分表，通過子群方法實現隨機介質燃料元件的共振計算。

1 理論模型

1.1 Sanchez-Pomraning模型應用于特征線固定源計算

Sanchez-Pomraning提出的隨機輸運模型將微觀尺度上燃料顆粒間的碰撞概率與宏觀尺度上燃料元件間的碰撞概率耦合。對于包含隨機分布顆粒的材料，Sanchez-Pomraning模型定義了一種統計學上的等效宏觀截面：

Σt=Σt,matrix+

(1)

由于式(1)是關于Σt的隱式方程，通過迭代式(2)求解Σt。

(2)

基于等效總截面，平源區的出射通量如式(3)所示，等效源項q=φasΣt，φas為漸近通量，由式(4)計算得到。

(3)

(4)

式中：φout和φin分別為出射和入射通量；L為特征線段長度；m為特征線方向索引；Smatrix和Si,k分別為基體和顆粒材料對應的源項。

通過式(3)建立傳統MOC與雙重非均勻系統的聯系，在不含彌散顆粒的平源區，φas計算與傳統MOC相同。而在彌散燃料區域，顆粒內部各層通量可通過基體通量由式(5)重構。

(5)

式中：Pik,il為第i種顆粒、第k層材料產生的中子在第l層材料發生首次碰撞的概率；Vik為顆粒i種顆粒、第k層材料的體積；q為源項。

1.2 雙重非均勻共振積分表制作

通過Sanchez-Pomraning模型應用于特征線固定源計算，采用超細群慢化方程求解共振自屏截面，本文選取的超細群在共振能量段有34 000群，最終通過式(6)歸并得到多群有效截面。

(6)

整個過程采用嵌入式共振計算思路實現，計算核心是針對燃料組件的實際幾何，求解1個單群的固定源輸運方程，由此獲得燃料區域的標通量。

(7)

獲得標通量后，通過式(8)計算出燃料顆粒的等效背景截面。

(8)

整個雙重非均勻共振積分表制作流程如圖1所示，主要分為如下幾步。

圖1 雙重非均勻積分表產生流程Fig.1 Generation process of double heterogeneous integral table

1) 根據目標堆型中的典型隨機分布介質燃料元件，在某一溫度下，改變慢化劑與彌散顆粒的燃料密度，建立一系列用于制作雙重非均勻共振積分表的基礎問題。

2) 對于這些基礎問題，在超細群結構上，遞歸求解慢化方程。求解過程中，調用Sanchez-Pomraning模型固定源方程求解方法，以獲得精細能群結構能譜，歸并得到燃料顆粒的共振自屏截面。

3) 將彌散顆粒燃料與基體打混，燃料區域均勻化后的核子密度由式(9)得到，并用于單群固定源計算獲得標通量。

(9)

4) 對于設計的所有基礎問題，利用超細群求解得到的共振自屏截面，重新計算式(7)、(8)，得到每個問題對應的背景截面。

5) 每個問題的背景截面與共振自屏截面一一對應，形成雙重非均勻系統下的共振積分表。

本文針對單柵元幾何下的全陶瓷微膠囊封裝燃料(fully ceramic microencapsulated fuel, FCM)制作了235U和238U的共振積分表，選擇的溫度為300 K，該柵元燃料半徑0.625 2 cm,氣隙半徑0.633 7 cm，鋯包殼半徑0.690 7 cm，柵元邊長1.65 cm。TRISO顆粒由內到外分為5層，分別是燃料內核、緩沖區、內層熱解碳、碳化硅層、外層熱解碳，其幾何半徑依次為0.025 0、0.034 0、0.038 0、0.041 5、0.045 5 cm。表1列出單柵元材料信息，此時燃料顆粒填充率為40%。以表1中慢化劑以及燃料密度數據為基準，設計了37個不同的雙重非均勻問題列于表2。

表1 FCM單柵元材料信息Table 1 FCM pin cell composition date

表2 雙重非均勻共振積分表制作設計問題Table 2 Double heterogeneous problem used to develop resonance integral table

設計的問題盡量保證背景截面在不同數量級上都有對應的數據點。對所有設計的問題進行計算后，整合背景截面與共振截面數據，得到雙重非均勻積分表。圖2示出238U第10共振群(能群邊界為6.476 0～6.868 0 eV)在300 K時微觀吸收截面隨背景截面的變化。

圖2 微觀吸收截面隨背景截面的變化Fig.2 Microscopic absorption cross section vs. background cross section

1.3 子群參數轉換

當前產生子群參數主要有擬合方法和矩方法[10-11]。擬合法直接采用有效共振積分表來擬合出子群參數，而矩方法利用真實截面的“矩”來產生子群參數，還需額外開發工具產生“矩”。本文通過擬合方法產生子群參數，獲得雙重非均勻共振積分表后，即可根據背景截面與共振截面聯立式(10)、(11)求解子群參數。

(10)

(11)

式中：σt,sg、psg分別為第sg子群的總截面和概率；σ0,n、σt,g(σ0,n)分別為第n個背景截面和該背景截面對應的第g群總截面；N為子群數目。

獲得子群總截面和子群概率后，可根據式(12)計算子群分截面。

(12)

式中：σx,n為第n子群的x分截面；x為反應類型，包括吸收、散射和裂變。

2 數值驗證

本文計算使用的多群數據庫版本為ENDF/B-Ⅶ，采用HELIOS-1.11程序的47群能群結構[12]，共振群能量范圍為1.855～9 188 eV。選取FCM燃料單柵元問題對得到的雙重非均勻子群參數(DHSP)進行驗證，通過調用基于Sanchez-Pomraning方法的MOC輸運模塊恢復出FCM燃料的238U和235U共振截面，最后調用相同的輸運模塊進行本征值計算。以基于Sanchez-Pomraning方法的超細群(UFGSP)[13]求得的共振截面為基準，最后以相同的輸運模塊計算keff，分析由子群共振部分對keff帶來的偏差，總的偏差以蒙特卡羅程序serpent[14]計算為基準。

2.1 算例描述

本文的積分表以UFGSP計算得到的截面為基準，進而轉換得到子群參數。積分表在柵元尺寸1.6 cm、填充率為40%、富集度17.08%的條件下得到，驗證子群參數時，對柵元尺寸、填充率和富集度進行擴展驗證。算例采用的FCM燃料柵元如圖3所示，其幾何信息與內部填充的TRISO顆粒信息列于表3，材料信息見表1。

表3 FCM燃料內部材料與幾何尺寸Table 3 Information of material and geometry for FCM fuel

圖3 FCM柵元結構(a)及TRISO顆粒(b)Fig.3 FCM cell structure (a) and TRISO particles (b)

2.2 不同柵元幾何計算驗證

將柵元尺寸從1.65 cm擴展到1.55～1.85 cm進行計算，DHSP與UFGSP調用相同的輸運求解器，以UFGSP的截面為基準，兩個結果的偏差近似認為由子群共振額外引入(表4和圖4)。從表4和圖4上看，共振部分偏差在100 pcm以內。238U吸收截面相對偏差為3.5%，235U吸收截面相對偏差在1%以內。

圖4 不同柵元尺寸下238U和235U吸收截面相對偏差Fig.4 Relative deviation of absorption cross-section of 238U and 235U under different cell sizes

表4 不同柵元尺寸計算結果Table 4 Geometric calculation results of different pin cell sizes

2.3 不同填充率計算驗證

驗證不同填充率下的計算情況，本問題從制作積分表時40%的填充率擴展到35%～45%進行測試。測試問題中，柵元邊長1.65 cm，富集度17.08%，其余信息與表3相同，計算結果列于表5。圖5為不同填充率下238U和235U吸收截面相對偏差。

從表5和圖5可知，驗證結果中共振部分出現的最大絕對偏差為-149 pcm，與基準相比總偏差最大達到-205 pcm。在35%填充率時，238U吸收截面相對偏差達到了4%。由于子群參數根據積分表擬合得到，在不同背景截面范圍的擬合程度存在差異，當填充率增大背景截面減小時引入的共振偏差有所降低。

表5 不同填充率下的計算結果Table 5 Calculated results of different filling rates

圖5 不同填充率下238U和235U吸收截面相對偏差Fig.5 Relative deviation of absorption cross-section of 238U and 235U under different filling rates

2.4 不同富集度計算驗證

改變算例富集度進行測試，從制作積分表時17.08%的富集度擴展到9%～25%進行計算。測試問題中，柵元邊長1.65 cm，其余信息與表3相同，計算結果列于表6，圖6示出不同富集度下238U和235U吸收截面的計算精度。

圖6 不同富集度下238U和235U吸收截面相對偏差Fig.6 Relative deviation of absorption cross-section of 238U and 235U under different enrichments

表6 不同富集度下的計算結果Table 6 Calculated results of different enrichments

可看出，富集度為9%時，子群共振引入的偏差達到-167 pcm，與蒙特卡羅的基準之間總偏差達到-247 pcm。對于截面計算，238U的吸收截面相對偏差最大達到4%，235U的吸收截面最大相對偏差也達到2%。這些情況同樣是子群參數對不同背景截面段的擬合程度存在差異，驗證算例的富集度變化范圍較大，對應的背景截面變化稍大，由結果來看，合理推測存在某個富集度使得引入共振偏差恰好為0，偏離該富集度越遠偏差越大。

2.5 燃耗問題

用于燃耗問題的子群參數在填充率30%，富集度17.08%的情況下重新獲得，同樣以此作為初始條件計算FCM燃料的燃耗過程，其中每個燃耗步的核子密度與有效增殖因數由serpent提供，對各燃耗步的核素組成，利用該子群參數恢復出238U與235U的共振截面，其余共振核素的截面仍由超細群計算得到。整體上看，在圖7中計算的燃耗過程中，該子群參數可較好地計算FCM燃料的燃耗過程。

圖7 燃耗過程的keff偏差Fig.7 Deviation of keff during burn-up process

3 結論與展望

針對彌散顆粒型燃料隨機性及雙重非均勻性問題，本文通過基于Sanchez-Pomraning的超細群方法，制作了一套耦合宏觀與微觀尺度的雙重非均勻性共振積分表，并結合子群方法實現隨機介質燃料元件共振截面的計算。數值結果表明，該套子群參數很好的延續了子群方法在幾何適應性上優勢，同時對于35%～45%的顆粒填充率，以及9%～25%的富集度擴展問題上仍舊有較高的計算精度。在多顆粒問題上情況變得復雜，不便于共振積分表的建立，此方法尚不適用，日后將展開研究，同時本文僅在300 K下建立了共振積分表，在更大的溫度范圍，以及更多種不同的工況下還需要建立額外的積分表驗證測試。