快堆控制棒組件非均勻效應修正方法研究

宋英韻，胡 赟，張 崇，單浩棟，賈曉淳

(中國原子能科學研究院 核工程設計研究所，北京 102413)

在目前快堆設計計算流程中，首先使用PASC-5程序[1]制作少群常數庫，然后使用NAS程序[2]進行堆芯的三維擴散/輸運計算，NAS程序采用六角形粗網格節塊法，用正交多項式展開逼近節塊內的中子通量密度分布，并通過平均偏流來確定節塊間的耦合關系。在現有的整個計算流程中，求解組件均勻化群常數時僅使用直接體積均勻化的方法，即將各種材料按照體積份額作為權重進行均勻化。快堆控制棒組件的非均勻效應比較強，直接體積均勻化的方法會導致控制棒價值計算產生較大偏差。在快堆設計計算中必須對控制棒價值的這種非均勻效應進行修正。

針對快堆控制棒組件的非均勻效應有兩種修正方法[3]：一是直接修正因子法，即采用蒙特卡羅方法求解控制棒價值的非均勻修正因子，將直接體積均勻化計算得到的控制棒價值乘上非均勻修正因子，即可得到考慮非均勻效應后的控制棒價值；另一種方法是群常數修正法，即對控制棒組件的均勻化群常數進行修正，得到一套考慮非均勻效應的群常數，繼而與未修正的群常數相比得到一套群常數修正因子，提供給堆芯計算使用。直接修正因子法需針對不同的單棒或棒組計算對應的修正因子，且僅對控制棒價值的計算結果進行了修正，未考慮非均勻效應對相關聯參數(如功率分布、中子通量分布等)的影響。群常數修正法對同一類型控制棒組件僅需給出一套群常數修正因子，同時也考慮了控制棒非均勻效應對相關聯參數的影響。

本文采用群常數修正法，對多種均勻化方法應用于快堆控制棒組件的非均勻效應修正進行相關研究，針對非均勻性較強的控制棒組件，結合3種均勻化方法開發相關計算程序，為后續NAS擴散計算提供一套關于群常數的修正因子。對比幾種均勻化方法對控制棒價值計算精度的提高程度，并與參考計算結果進行對比驗證。

1 理論方法

在目前NAS計算中，是以均勻化的柵元為單位的。因此，獲得精確的均勻化群常數是進行堆芯物理計算的前提。在均勻化過程中，不可避免地會損失許多物理信息，不可能要求均勻組件全堆芯計算能恢復所有非均勻問題的物理特性。但為使均勻化后的計算能再現均勻化前的問題，必須保證某些重要的物理量守恒[4]。在NAS程序中，擴散系數是關于輸運截面的函數，即D=1/3Σtr，其中D為擴散系數，Σtr為輸運截面。對輸運截面進行修正即可實現對擴散系數的修正。

1.1 體積-通量權重方法

(1)

其中，x=a、tr、s，分別代表吸收、輸運及散射等不同反應類型。該方法沒有嚴格要求反應率守恒，但在一定程度上考慮了組件的非均勻效應，且操作簡單。

1.2 反應率之比守恒方法

反應率之比守恒方法由Kitada等[6]提出，主要用于快堆控制棒組件均勻化的超柵元計算。該方法保證均勻化前后超柵元中控制棒區域與燃料區域的反應率之比守恒，利用均勻化前后反應率之比守恒進行均勻化群常數的求解。在計算過程中控制棒周圍燃料區域的均勻化截面不必隨迭代進行改變。

均勻化前后超柵元中控制棒區域與燃料區域反應率之比分別為：

(2)

(3)

(4)

1.3 反應性守恒方法

反應性守恒方法首先由Rowlands等[7]提出，后續TOMMAS[8]在ERANOS內進行了該方法的相關開發驗證。反應性守恒方法是將控制棒組件均勻化視為一種擾動，利用擾動前后反應性守恒，求解控制棒組件的均勻化群常數。

將均勻化前后系統內中子輸運方程寫為算符形式：

(A-F/k)Φ=0

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在這種情況下，為保證均勻化前后反應性相同，則需要：

(10)

寫成積分形式后即可得到均勻化之后的截面為：

(11)

散射截面為：

(12)

2 計算程序開發

在進行群常數修正計算時，需針對控制棒組件的超柵元結構進行計算。由于快堆控制棒組件不含裂變材料，需采用控制棒周圍包含裂變材料的超柵元結構進行控制棒相關計算。控制棒組件采用二維精細幾何描述，控制棒組件由采用體積均勻化的燃料包圍，為控制棒計算提供裂變源項。通過對超柵元進行計算可得到不同方法下的均勻化群常數，進而求得體積均勻化計算得到的群常數的修正因子。根據上述流程，結合二維MOC計算程序ACMOC[9]，開發完成群常數修正因子計算程序FRHP。

FRHP的計算主要流程如圖1所示，其中關鍵步驟如下。

圖1 群常數修正方法計算流程圖Fig.1 Calculation flow chart of group constant correction method

1) 群常數準備。利用PASC-5程序處理多群常數庫，進行共振和并群處理，為后續超柵元計算提供相應少群常數。

2) 超柵元計算。超柵元計算按需求分為非均勻幾何計算和均勻化幾何計算。其中體積-通量權重方法僅需進行非均勻幾何計算。反應率之比守恒與反應性守恒需進行均勻化幾何計算。值得注意的是，反應性守恒方法在計算過程中需進行共軛計算。

3) 更新群常數。按體積-通量權重方法、反應率之比守恒方法及反應性守恒方法計算得到更新后的少群群常數。

3 數值檢驗

3.1 例題描述

本文使用中國實驗快堆(CEFR)算例[10]進行3種群常數修正方法及FRHP的驗證。CEFR采用UO2作為燃料，堆芯中含有79根燃料棒，2根調節棒(RE)，3根補償棒(SH)，3根安全棒(SA)，394根不銹鋼棒，230根硼屏蔽棒，1根中子源組件。CEFR計算模型的平面圖如圖2所示。控制棒組件使用B4C作為中子吸收體。控制棒組件10B富集度列于表1。

圖2 CEFR堆芯布置Fig.2 Core layout of CEFR

表1 控制棒組件10B富集度Table 1 Enrichment of 10B for control rod assembly

群常數修正因子計算所使用的超柵元結構如圖3所示。其中，控制棒組件采用真實精細幾何描述，燃料區域采用體積均勻化的燃料。得到控制棒組件群常數修正因子后，通過NAS程序采用33群少群常數進行CEFR三維堆芯擴散計算，33群中子能群結構列于表2。

圖3 控制棒組件真實結構與超柵元結構示意圖Fig.3 Schematic diagram for control rod assembly and super cell

表2 33群中子能群結構Table 2 33-group neutron energy group structure

3.2 群常數修正因子

3種修正方法對應的修正因子如圖4所示。根據擴散系數與輸運截面的關系可得到擴散系數修正因子。計算結果表明，在快堆設計計算中僅使用體積均勻化的方法會提高控制棒組件的吸收截面，降低擴散系數，造成控制棒價值計算值偏大。從圖4可發現，體積-通量權重、反應率之比守恒、反應性守恒等3種修正方法均使補償棒和安全棒修正后的吸收截面和輸運截面變小，且減小趨勢相同。從圖4還可看出，3種修正方法均使修正后的擴散系數變大，且增大趨勢相同。圖中結果表明，能群能量越低，相應能群群常數的修正因子也越大，原因是低能中子空間自屏效應較強。另經觀察散射截面修正因子，3種修正方法均使修正后控制棒的散射截面出現不同程度的減小。

圖4 3種修正方法對應的修正因子(SA&SH)Fig.4 Correction factors of three correction methods (SA&SH)

3.3 控制棒價值修正結果

在快堆堆芯設計計算過程中，利用NAS程序直接進行兩次控制棒組件處于不同棒位時的keff計算，并按照式(13)求得控制棒價值[11]。

(13)

f=ρ/ρ′

(14)

其中：ρ為修正前(非均勻)計算的控制棒價值；ρ′為修正后(均勻化)計算的控制棒價值。

使用MCNP程序進行CEFR算例的計算，建模過程中保證燃料組件均勻化幾何描述不變，同時分別對控制棒組件進行均勻化幾何和非均勻化精細幾何描述，而后各自計算控制棒價值。利用式(14)得到控制棒價值的非均勻修正因子，并將該修正因子作為參考值，詳見表3。

表3 MCNP計算得到的控制棒價值及非均勻修正因子Table 3 Control rod worth and heterogeneous correction factor calculated with MCNP

利用不同方法進行群常數修正后，使用NAS程序計算得到的非均勻修正因子與MCNP程序計算的參考值對比列于表4。群常數修正前后利用NAS程序計算得到的控制棒價值與MCNP程序計算的參考值對比列于表5。

表4 CEFR控制棒價值非均勻修正因子對比Table 4 Comparison of control rod worth heterogeneous correction factor of CEFR

表5 CEFR控制棒價值修正計算結果對比Table 5 Comparison of control rod worth of CEFR

計算結果顯示，在快堆設計計算中，僅使用體積均勻化的方式，控制棒組件的非均勻效應較大，會造成控制棒價值的高估。以CEFR算例為例，對于補償棒和安全棒，與參考值相比單根控制棒的價值約高估13%～14%，第二停堆系統(3*SA)控制棒價值約高估13%。

使用體積-通量權重、反應率之比守恒以及反應性守恒3種方法分別對CEFR的控制棒組件進行群常數修正計算后，可以將控制棒組件非均勻效應造成的補償棒和安全棒單棒價值計算偏差分別降低到2.5%、3.1%；0.5%、0.8%；-0.7%、-1.4%。可以將第二停堆系統(3*SA)的控制棒棒組價值計算偏差分別降低到2.5%、-2.2%、0.1%。結果顯示3種修正方法均能有效降低控制棒組件單棒或棒組的控制棒價值的高估情況，對快堆控制棒組件的非均勻效應實現有效修正。

3.3 群常數修正對其他相關參數的影響

1) 中子通量密度分布

使用直接體積均勻化會高估控制棒對中子的吸收，采用各種均勻化方法進行群常數修正計算后會對堆芯內中子通量密度分布產生影響，尤其是靠近控制棒的組件。選擇典型位置燃料組件(圖2中2-1位置)，進行群常數修正后總中子通量密度與第5、13、21群的中子通量密度軸向分布示于圖5。結果表明：控制棒群常數修正對中子通量密度的分布有顯著影響；對控制棒進行群常數修正會對中子通量密度軸向分布產生影響，尤其是有控制棒插入的堆芯上部區域，中子通量密度分布變化明顯，堆芯下部無控制棒插入，影響相對較小；由于低能群群常數修正因子大，因此低能群中子通量密度的偏差要更大。

圖5 群常數修正前后中子通量密度分布對比Fig.5 Comparison of neutron flux density distribution before and after group constant corrections

2) 功率峰因子

對控制棒組件的非均勻效應進行群常數修正后，會對中子通量密度的軸向分布產生影響，而中子通量密度分布的變化自然引起功率分布的變化，故功率軸向分布同樣會受影響。群常數修正前后全堆功率峰變化列于表6。從表6可發現，針對控制棒組件的非均勻效應進行群常數修正后，CEFR的功率峰因子分別下降約0.37%、0.52%、0.74%。該趨勢與堆芯內部中子通量密度的變化趨勢相吻合。

表6 群常數修正前后全堆功率峰變化Table 6 Change of power peak before and after group constant correction

4 結論

基于快堆控制棒組件非均勻效應的群常數修正方法，對體積-通量權重、反應率之比守恒及反應性守恒3種方法應用于快堆控制棒組件非均勻效應修正進行了研究。同時結合二維MOC程序ACMOC，開發了進行控制棒組件非均勻效應修正程序FRHP，該程序針對快堆控制棒組件提供一套群常數修正因子。以CEFR算例為例，對控制棒組件的非均勻效應進行群常數修正計算前，控制棒組件的非均勻效應導致單根控制棒價值約高估12.8%～13.9%，第二停堆系統的控制棒棒組價值約高估13.1%。進行修正計算后，可將單根控制棒組件的控制棒價值計算偏差降低到3.1%以下甚至更低，將第二停堆系統的控制棒價值計算偏差降低到2.5%以下甚至更低。同時，進行控制棒群常數修正計算，會對堆內組件的中子通量密度軸向分布產生影響，并進一步影響堆芯軸向功率分布。經數值計算檢驗，體積-通量權重、反應率之比守恒及反應性守恒3種方法均可應用于快堆控制棒組件的非均勻效應修正中。其中體積-通量權重方法的計算量最小，但修正效果略差，反應性守恒方法的修正效果最好，但計算量最大。