1、Southwestuniversityofscienceandtechnology基于MCNP的熱態(tài)不同水鈾比和硼濃度下K課程設(shè)計(jì)（論文）計(jì)算eff學(xué)院名稱專業(yè)名稱學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師國防科技學(xué)院核工程與核技術(shù)徐高友20090694葉濱二二年六月西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) 西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) I基于MCNP的熱態(tài)不同水鈾比和硼濃度下K計(jì)算eff徐高友（1西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院四川綿陽621010）摘要：本文基于蒙特卡羅方法的MCNP程序，從壓水堆的壓力容器，燃料組件和控制棒驅(qū)動(dòng)組件等元件出發(fā)建模，利用KCODE卡，模擬不同水鈾比和硼濃度比改變對(duì)反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性影響做了相應(yīng)研究。模擬結(jié)

2、果表明：在不考慮控制棒和可燃毒物對(duì)反應(yīng)堆有效增值系數(shù)K值影響的情況下，在固定柵元尺寸時(shí)隨著硼酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增eff大，有效增值系數(shù)線性下降；在固定硼濃度下，隨著柵元尺寸的增大，在一定范圍內(nèi)k呈先增大后減小的趨勢(shì)。eff關(guān)鍵詞：水鈾比；硼濃度；有效增值系數(shù)；MCNP；Abstract:ThisarticledependsonMCNPproceduresusingtheMonteCarlomethodmodeledthepressurevesselofPWR,fuelassemblyandcontrolroddrivecomponentelements.UsingKCODEcardtosimulat

3、iontheinfluencetoReactorexcessreactivitywiththechangeofRatioofwatertoUraniumandBoronconcentration.Thesimulationresultsshowsthat:withoutconsideringthecontrolrodsandtheburnablepoisonsaffecttoK,Underafixedlatticeeffsize,WiththeincreaseofBoricacidmassfractionKLineardeclined;afixedeffBoronconcentration,w

4、iththelatticesizeincreaseskeffincreasesfirstinacertainrangeandthenhasadecreasingtrend.KeyWords:RatioofwatertoUranium;ConcentrationofBoric;Keff;MCNP;目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 第一章引言1 HYPERLINK l bookmark8 第二章剩余反應(yīng)性控制手段及有效增值因數(shù)Keff簡介2 HYPERLINK l bookmark10 反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性控制手段2 HYPERLINK l bookmark1

5、2 有效增值因數(shù)2 HYPERLINK l bookmark16 第三章MCNP程序簡介4 HYPERLINK l bookmark18 第四章柵元模型的建立及模擬5 HYPERLINK l bookmark20 4.1反應(yīng)堆模型的建立5 HYPERLINK l bookmark22 4.11反應(yīng)堆壓力容器5 HYPERLINK l bookmark24 反應(yīng)堆燃料組件5 HYPERLINK l bookmark26 4.21柵元幾何描述5 HYPERLINK l bookmark30 4.22柵元材料描述5結(jié)論9參考文獻(xiàn)10西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) 第一章引言隨著

6、世界不斷的發(fā)展，能源越來越成為一個(gè)遏制國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要屏障。所以,核能的大力發(fā)展和高效的利用也越來越迫切?！?】反應(yīng)堆是核電站的核心部件，是一種能夠以可控方式實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)的裝置，同時(shí)也是一個(gè)具有高強(qiáng)度放射性的特殊對(duì)象。為了能夠保證安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)核能的利用，通過模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行過程中因?yàn)檫\(yùn)行工況的變化而可能引發(fā)的安全事故做好相應(yīng)的安全措施，達(dá)到真正安全使用核能的宗旨。有效增值系數(shù)是決定反應(yīng)堆能否運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性則是描述了反應(yīng)堆在無任何可燃毒物時(shí)反應(yīng)性的大小。而MCNP程序是反應(yīng)堆研究分析中的常用軟件之一，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越受到國內(nèi)外廣大研究者的重視，通

7、過對(duì)大量宏觀事例的模擬可以比較近似的給出反應(yīng)堆的相關(guān)系數(shù)和截面數(shù)。反應(yīng)堆有效增值系數(shù)K是涉及核電站安全中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，其由控eff制棒、硼酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可燃毒物三者來控制，本文通過運(yùn)用蒙特卡洛的方法，借助MCNP模擬不同水鈾比和不同硼濃度對(duì)反應(yīng)堆有效增值因數(shù)K值影響并進(jìn)行了相關(guān)eff討論。第二章剩余反應(yīng)性控制手段及有效增值因數(shù)K簡介eff2.1反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性控制手段壓水堆（PWR）最初是為核潛艇設(shè)計(jì)的一種軍用堆型，經(jīng)過40多年的發(fā)展和一系列的重大改進(jìn)，已經(jīng)成為目前公認(rèn)的技術(shù)最成熟、運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的堆型。壓水堆核電站與其他核電站一樣主要由核島和常規(guī)島組成。堆芯產(chǎn)生的熱量經(jīng)反應(yīng)堆冷卻劑

8、系統(tǒng)帶入到蒸汽發(fā)生器，經(jīng)過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)廠房推動(dòng)汽輪機(jī)做功，產(chǎn)生電能。反應(yīng)堆由一回路壓力容器、堆芯、控制棒、燃料組件、中子源、安全殼等組成。燃料元件是裂變并釋放能量的重要部件，壓水堆常用燃料元件是17*17正方形排列。燃料元件內(nèi)裝低富集度的UO陶瓷芯塊，燃料芯塊和包殼之間充有惰性氣體（本文默2認(rèn)為真空），用于改善傳熱性和減小內(nèi)外壓差。在反應(yīng)堆中常見的控制剩余反應(yīng)性的手段主要由三種，分別是：控制棒控制、可燃毒物控制和化學(xué)補(bǔ)償控制。控制棒控制主要用在反應(yīng)堆緊急停堆和功率調(diào)節(jié)上，主要用于控制反應(yīng)性的快速變化。而采用可燃毒物棒控制可以減少控制棒的數(shù)量和優(yōu)化反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)，主要用于

9、補(bǔ)償換料之后初始剩余反應(yīng)性比較大時(shí)，隨著燃耗的加深可燃毒物棒也在消耗，對(duì)中子的吸收也大大減少相當(dāng)于從另一個(gè)方面增大了反應(yīng)堆內(nèi)的中子通量密度?；瘜W(xué)補(bǔ)償控制主要是在一回路冷卻劑中加入可溶性化學(xué)毒物（主要是硼水）化控與其它兩種控制方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)補(bǔ)償毒物在堆芯中分布比較均勻；（2）化控不但不引起堆芯功率分布的畸變，而且與燃料分布區(qū)相配合，能降低功率峰因子，提高平均功率密度;化控中的硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)可與根據(jù)運(yùn)行需要來調(diào)節(jié)的；固體可燃毒物是不可控調(diào)節(jié)的；化控不占柵格位置，不需要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，從而可以簡化反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)，提高反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性。2.2有效增值因數(shù)反應(yīng)堆利用的是核裂變釋放的能量。當(dāng)熱中子與物

10、質(zhì)作用而發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，裂變物質(zhì)的原子核通常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的核（稱為裂變碎片）與此同時(shí)，還將平均的產(chǎn)生兩個(gè)以上的新的裂變中子，并釋放出蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的核能。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些裂變中子又會(huì)引起周圍其它裂變同位素的裂變，如此不斷繼續(xù)下去。反應(yīng)堆是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置，當(dāng)一個(gè)裂變核俘獲一個(gè)中子產(chǎn)生裂變以后，在新產(chǎn)生的中子中，平均至少應(yīng)該再有一個(gè)中子去引起另外一個(gè)核的裂變由于裂變物質(zhì)每次裂變時(shí)平均放出兩個(gè)以上裂變中子，因而實(shí)現(xiàn)自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)是有可能的。但是，因?yàn)楹朔磻?yīng)堆是由核燃料慢化劑、冷卻劑以及結(jié)構(gòu)材料等所組成的裝置，所以在反應(yīng)堆內(nèi)，不可避免地有一部分中子要被非裂變材料吸收

11、，同時(shí)，還有一部分中子要從反應(yīng)堆中泄漏出去。因此，在實(shí)際的反應(yīng)堆中，并不是全部的裂變中子都能引起新的核裂變反應(yīng)。也就是說，實(shí)際上中子的增殖或倍增的速率要比成正比增長小得多。一個(gè)反應(yīng)堆能否實(shí)現(xiàn)自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，就取決于上述裂變、非裂變吸收和泄漏等過程中中子的產(chǎn)生率與消失率之間的平衡關(guān)系。如果在上述的反應(yīng)過程中，產(chǎn)生的中子數(shù)等于或多于消耗的中子數(shù)，則鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將會(huì)自續(xù)地進(jìn)行下去反應(yīng)堆內(nèi)自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的條件可以很方便地用有效增殖因素K來表示。它的定義是：對(duì)eff給定系統(tǒng)，新生一代的中子數(shù)和產(chǎn)生它的直屬上一代中子數(shù)之比，即L新生一代中子數(shù)K=eff直屬上一代中子數(shù)但是在芯部有的中子從裂變后立即引起

12、新的裂變，有的中子則需要經(jīng)過慢化過程成為熱中子之后才引起裂變，有的中子在慢化過程中便泄漏出系統(tǒng)或者被輻射俘獲。所以實(shí)際上從中子平衡關(guān)系來定義更為方便：”_系統(tǒng)內(nèi)中子的產(chǎn)生率3.；eff系統(tǒng)內(nèi)中子的總消失（吸收+泄漏）率通過計(jì)算K與數(shù)值1的關(guān)系可以很好的判別反應(yīng)堆所處的狀態(tài)，能夠更好的控eff制功率，達(dá)到安全利用核能的目的。西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) 2 第三章MCNP程序簡介MCNP是一個(gè)通用的MonteCarlo粒子輸運(yùn)程序?？梢杂?jì)算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運(yùn)問題以及臨界問題，中子能量范圍從10-llMeV至20MeV，光子和電子的能量范圍從IKeV至lOOOMeV

13、，也可以計(jì)算臨界系統(tǒng)的特征值。程序可以處理材料的任意三維構(gòu)型，柵元的邊界可以是一階和二階曲面以及四階橢圓環(huán)面采用獨(dú)特的曲面組合幾何結(jié)構(gòu)，使用點(diǎn)截面數(shù)據(jù)具有廣泛的截面數(shù)據(jù)庫。針對(duì)本文的實(shí)際情況主要介紹MCNP的輸入文件：MCNP的輸入包括幾個(gè)文件，但主要的一個(gè)是由用戶編寫的INP文件，該文件包括描述問題所必須的全部輸入信息。INP文件采用卡片結(jié)構(gòu)，每行代表一張卡片，文件由一系列卡片組成，對(duì)于任一特定的問題，只需用到INP全部輸入卡片的一小部分。INP文件的主要格式包括以下幾方面內(nèi)容：1信息塊卡$選擇項(xiàng)（空行分隔）2標(biāo)題卡$僅一行，占用第180列。作為輸出標(biāo)題3柵元描述卡$定義構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)基

14、本介質(zhì)單元以及相應(yīng)的物理信息（空行分隔）4.曲面卡$定義組成柵元的曲面信息（空行分隔）5數(shù)據(jù)卡$其它數(shù)據(jù)，包括問題類型、源描述、材料描述、計(jì)數(shù)描述，問題截?cái)鄺l件等（空行分隔）6.其它$選擇項(xiàng)通過在INP文件文件中輸入相應(yīng)的命令即可模擬得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)和模型。第四章柵元模型的建立及模擬4.1反應(yīng)堆模型的建立4.11反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆壓力容器是用來固定和包容堆芯，堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)限制在一個(gè)密封的金屬殼內(nèi)進(jìn)行，是防止放射物質(zhì)外逸的第二道屏障。在運(yùn)行著的壓水堆反應(yīng)堆中，冷卻劑水的平均溫度設(shè)為290C，密度為0.74571215511g/cm34.2反應(yīng)堆燃料組件圖4-1柵元幾何描述4.

15、21柵元幾何描述：柵元圖形如上，具體幾何尺寸為：柵距：Constant（模擬不同柵距下的K）；eff燃料棒外徑：8.43mm；鋯合金包殼內(nèi)徑：8.6mm；鋯合金包殼外徑：10mm；邊界條件：柵元邊界全反射，相當(dāng)于無限柵元排布;4.22材料描述：燃料棒材料為UO，在不同富集度下的原子密度比為：原子密度比U02富集度（%）U235U2380161.80.0182339770.98176602322.40.0243138320.97568616823.10.0314081740.9685918262表4-1燃料棒材料為U02,在不同富集度下的原子密度比鋯合金包殼材料：Sn（錫）1.5%,Fe（鐵）0

16、.2%,Cr（鉻）0.1%,0（氧）0.1%,Zr（鋯）98.1%。（均為質(zhì)量百分比）。C.冷卻劑材料：冷卻劑溫度為290C，密度為30.74571215511g/cm。燃料富集度固定為3.1%。硼濃度及其相應(yīng)的B10,B11的原子密度列表如下：B（ppm）B10（H：2,0:1）B11（H：2,0:1）00.00000000000.00000000002000.00006595210.00026713953000.00009893810.00040074934000.00013193070.00053438585000.00016492980.00066804917000.000230948

17、00.000935455910000.00033002480.001336766913000.00042916110.001738319020000.00066071090.0026762127表4-2不同鵬濃度下B10和B11的豐度d.結(jié)果分析:西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) #硼濃度/ppm水鈾比柵距020030040050070010000.510.31731.075131.071851.067681.065571.064861.057271.05032111.59111.254691.239061.233311.226201.217951.207331.18690

18、1.512.73821.338741.314481.301841.294941.281331.259991.230521.76213.31.366751.339001.335101.311441.297431.272631.23839213.79021.384031.348321.346591.319661.303061.277871.238022.514.76741.407961.365441.343491.325911.306151.27421.22563315.68381.417251.368731.336201.321171.300781.261361.202963.516.54961

19、.419871.365211.321061.311061.285691.240211.17668417.37231.417381.352261.286851.292741.266031.214651.14672518.91061.399841.321981.248511.252271.223161.163391.08832620.33291.374711.287591.203611.210231.177511.112341.02948721.66191.347221.248451.165001.165641.127941.060660.97259822.91411.319741.211811.

20、321111.122711.084371.011170.92305表4-3熱態(tài)不同水鈾比和硼濃度下Kef計(jì)十算結(jié)果西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)西南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) ThechangeofKeffindifferentH2O/UOppm200ppm300ppm400ppm500ppm700ppm1000ppm1300ppm2000ppmh2o/u將計(jì)算結(jié)果整理畫圖如下:1.45-1.40-1.35-1.30-1.25-1.20-1.15-1.10-1.05-1.00-0.95-0.90-0.85-0.80-0.75-0.70-圖4.2熱態(tài)不同水鈾比、硼濃度的柵元計(jì)算結(jié)果分析：由圖可知，左邊為欠慢化區(qū)，右邊為過慢化區(qū)（冷卻劑吸收效應(yīng)占主導(dǎo)地位）；為了提高中子的利用率，核電站都將水鈾比設(shè)置在欠慢化區(qū)，秦山一期