聚变-裂变混合堆水冷包层中子物理性能研究

研究直接应用国际热核聚变实验堆(ITER)规模的聚变堆作为中子驱动源,采用天然铀为初装核燃料,并采用现有压水堆核电厂成熟的轻水慢化和冷却技术,设计聚变-裂变混合堆裂变及产氚包层的技术可行性。应用MCNP与Origen2相耦合的程序进行计算分析,研究不同核燃料对包层有效增殖系数、氚增殖比、能量放大系数和外中子源效率等中子物理性能的影响。计算分析结果显示,现有核电厂广泛使用的UO2核燃料以及下一代裂变堆推荐采用的UC、UN和U90Zr10等高性能陶瓷及合金核燃料作为水冷包层的核燃料,都能满足以产能发电为设计目标的新型聚变-裂变混合堆能量放大倍数的设计要求,但只有UC和U90Zr10燃料同时满足聚变燃料氚的生产与消耗自持的要求。研究结果对进一步研发满足未来核能可持续发展的新型聚变-裂变混合堆技术具有潜在参考价值。

小型中子源14MeV中子慢化体结构的研究（Ⅰ）

在ＩＢＭＩ／ＰＣＡＴ计算机上使用ＴＡＭＡＫＥＲ—ＡＮＩＳＮ程序和４６群（中子２５群、光子２１群）ＵＷ截面数据库，对１４ＭｅＶ能量的中子源的慢化体结构进行模拟计算．其中慢化材料为聚乙烯，增强材料为铅．在计算中把铅的（ｎ，２ｎ）反应的影响作为裂变源引进迁移方程的源项中．计算的结果与实验相互印证．进一步找出铅和聚乙烯的最佳组合．在原理上得出铅在聚乙烯慢化体中峰热中子注量率的增强因子可大于３．０．

中子慢化材料特性研究

文章采用蒙特卡罗模拟计算方法分析铝、氧化铝和氟化铝3种慢化材料在清华大学试验核反应堆束流孔道内的慢化特性。研究给出了利用慢化材料实现超热中子辐射场的一般规律,并优选出适用于在该堆建立超热中子辐射场的最佳慢化材料是Al与AlF3质量百分数比为2∶3的Al-AlF3混合物。

中国先进研究堆冷中子源核发热和冷中子增益研究

为准确计算和研究中国先进研究堆(CARR)冷中子源装置氢系统的核发热和冷中子增益,建立了一整套计算方法。对参考堆的验证计算证明了该方法的正确性和有效性。对影响CARR冷中子源核发热和冷中子增益的各种因素(如慢化剂、冷包材料、冷包形状等)进行了计算和优化选择。结果表明:在核发热量较小的条件下获得了较好的冷中子增益。

子群法与特征线法结合的中子共振计算

传统的中子共振自屏计算方法采用了有理近似,局限于处理简单的共振模型,在处理复杂燃料栅元/组件时会引入较大误差。为提高复杂情况下共振计算的精度,将子群法共振模型与特征线方法结合,推导了子群法-特征线法方程。基于WIMSD格式的69群数据库,编制了可用于任意二维几何中子共振计算的SGMOC程序。通过数值验证表明,该程序计算结果与MCNP程序计算结果吻合良好,具有较高的计算精度与几何通用性。

中国先进研究堆冷中子源中子性能和自稳特性优化研究

针对中国先进研究堆(CARR)冷中子源的技术难点,研究采用国际上尚无先例的带助冷冷包结构及带助冷两相热虹吸自然循环冷却方式的可行性。在此基础上,进行新冷却方式下冷包内液氢形状的优化,对不同冷包结构下的中子性能进行分析,优化出较好的冷包结构。针对该冷却方式,进行对冷中子源运行稳定性至关重要的自稳特性研究,推导出具有一阶惯性环节的自稳特性方程。通过对方程解的分析,证明了CARR新冷却方式具有较好的自稳特性并可据此开展优化分析。

共振自屏计算的子群法与共振干涉效应研究

对以子群法与特征线法相结合的中子共振自屏计算方法进行了研究,编制了共振计算程序(SGMOC);程序采用WIMSD格式的多群数据库。数值验证表明,SGMOC的计算结果与MCNP程序计算结果吻合良好,具有较高的计算精度与几何通用性。以SGMOC为基础,对子群法共振干涉效应修正计算的两种方法进行了研究分析。条件概率法对UO2燃料栅元无限增殖系数(kinf)计算的修正约为0.0003～0.0018;借助NJOY程序的方法对UO2燃料栅元kinf计算的修正约为0.0002～0.0013。

小型源热中子照相装置准直慢化系统设计

小型中子源中子照相技术具有便携性强,应用范围广的优点,在检测一些较大或难以移动的样品时较固定式(反应堆中子源)中子照相系统具有优势。采用MCNP软件对一小型中子源中子照相装置的热中子准直屏蔽系统进行了理论设计,确定中子慢化体由238U和聚乙烯构成,辅以石墨反射层和硼聚乙烯吸收层,经优化计算,预计成像处热注量率达104 cm-2.s-1以上、准直比30、成像视场20 cm×20 cm、镉比20。

小波尺度函数展开连续能量共振计算加速方法研究

小波尺度函数展开连续能量共振计算方法可以处理复杂的共振计算问题。该方法利用Daubechies小波尺度函数对共振能量段中子注量率的能量变量进行离散,将中子注量率的求解转化为求解一系列的展开系数的方程组;由于要求解大量的展开系数,该方法的计算效率很低。本研究采用离散方向概率方法求解展开系数。离散方向概率方法结合了特征线方法和流耦合方法的优点,具有较高的计算精度和效率。通过对压水堆栅元问题的数值检验,证明该方法能大大提高计算效率。

提高子群法共振自屏计算精度研究

基于自行研制的子群法与特征线法相结合的中子共振自屏计算程序SGMOC,研究提高子群法计算精度的2种方法。数值验证表明,2种方法都能提高共振自屏计算精度。其中,采用随机干涉近似求解条件概率的共振干涉效应处理的修正效果约为（0.02%~0.23%）Δk/k;考虑共振散射的修正效果约为0.1%Δk/k;综合运用2种方法的修正效果约为（0.03%~0.27%）Δk/k。

小波尺度函数展开共振自屏计算方法在有温度分布共振自屏计算问题中的应用研究

采用小波尺度函数展开方法来获得燃料栅元的径向功率分布,以及共振能区连续能量能谱在燃料栅元有径向温度分布情况下的径向变化。为了求解复杂几何多共振核素共振问题的,提出了小波尺度函数连续能量共振计算方法。通过与蒙特卡罗方法程序MCNP的计算结果进行比较,验证了方法的几何适应性和精度。该方法共振能区的连续能量核数据来自核数据处理程序NJOY,而非共振能区的多群核数据采用国际原子能机构发布的69群WIMSD4格式的数据库jeff31。由于多普勒温度效应,连续能量核数据随温度变化而不同,而数据库中不可能提供任意温度下的连续能量核截面。因此,本文采用插值方法来获得任意温度下的连续能量核截面,并验证了连续能量核截面温度插值对最终计算结果的影响。最终给出了存在径向温度分布的燃料栅元共振能区的连续能量能谱、反应率和无限增值系数,并与MCNP程序的结果比较。

小型中子源14MeV中子慢化体结构的研究（Ⅱ）

对天然铀和聚乙烯的各种组合进行了计算，结果可见：用２—２．５ｃｍ厚的天然铀紧包１４ＭｅＶ中子源，在离源面２—３ｃｍ范围内使用热中子为最佳，用浓缩铀作增强物，只有当离源一定距离放置时，才能比天然铀有较好的效果。讨论了在由高浓缩铀和聚乙烯组成的、几何尺寸与上面计算相同的次临界系统中使用天然铀或铅增强物对１４ＭｅＶ中子源的倍增情况，得出天然铀和铅在该次临界系统中仍有明显的增强作用；在合适的结构中，设ｋ为该次临界系统中的有效增殖因数，则可使增强因子Ｍ接近甚至大于（１－ｋ）－１。

超冷中子源的发展现状

介绍了超冷中子的获取方法及其中的关键技术,对固氘超冷中子源和超流氦超冷中子源的工作原理、结构和部分技术参数进行了阐述分析,并对我国超冷中子源的研究前景进行了展望。上述工作为我国未来超冷中子源的设计和建设提供了参考。

多普勒展宽函数ψ（ξ，Y）和χ（ξ，Y）的蒙特卡罗数值积分法计算

多普勒展宽函数ψ（ξ，Ｙ）和χ（ξ，Ｙ）的蒙特卡罗数值积分法计算李兆桓（中国原子能科学研究院）关键词共振截面，多普勒效应，共振与势散射之间干涉当介质温度升高时，中子共振截面峰逐步变宽，这一现象称为多普勒展宽效应。共振和共振与势散射之间的干涉的多普勒展...

全陶瓷微密封燃料有效多群截面计算方法研究

全陶瓷微密封(FCM)燃料是一种弥散颗粒燃料。由于弥散颗粒燃料存在双重非均匀性,传统的确定论方法及蒙特卡罗方法皆难以处理这种双重非均匀效应以获得有效多群截面。本文基于超细群方法建立FCM燃料的有效多群截面计算方法。为描述燃料棒内TRISO颗粒的非均匀性,在共振能量段,通过采用超细群方法求解包含TRISO颗粒的一维球模型得到超细群缺陷因子,通过超细群缺陷因子修正所有核素的超细群截面即可将颗粒和基质均匀化。由于TRISO颗粒在热能区也存在较强的自屏效应,在热能区,利用穿透概率及碰撞概率等价得到多群缺陷因子,通过多群缺陷因子修正所有核素的多群截面将燃料和基质均匀化。均匀化后的FCM燃料组件即可视为普通压水堆燃料组件进行共振计算。利用丹可夫修正因子等价得到FCM燃料组件各燃料棒的等效一维棒模型,对一维棒模型求解超细群慢化方程从而得到共振能量段的有效自屏截面。数值结果表明,该方法能有效处理FCM燃料的双重非均匀性,得到精确的有效自屏截面。

核燃料棒^(235)U富集度均匀性扫描装置中的中子慢化系统计算

对于核燃料棒235U富集度均匀性扫描装置,为了合理有效地利用252Cf中子源,提高检测灵敏度,需要合理选择中子慢化材料,优化中子慢化过程。本文利用Monte Carlo方法对中子慢化系统进行了优化计算,在保证慢化中子(En<1MeV)通量密度较高和235U与238U的裂变反应几率比R5/8也较高的前提下,给出了几种慢化材料及其组合的结果。

等价理论的偏差分析与改进研究

等价理论是通过建立均匀问题和非均匀问题的等价关系产生有效共振截面的传统共振计算方法,有着广泛应用。由于等价理论引入了多种近似处理,包括平通量假设、逃脱概率有理近似、窄共振近似等,其结果与严格共振计算方法(超细群方法,连续能量方法)存在一定偏差。本文基于等价理论计算程序和超细群计算程序,对各近似处理带来的偏差进行了定量分析。结果表明,平通量假设和窄共振近似是等价理论偏差的主要因素。针对这些因素,本文对传统等价理论的模型和计算流程进行改进,提出了一种新的等价理论模型。结果表明,新的等价理论模型实现了对传统等价理论方法偏差的非经验、系统的修正。新的等价理论模型继承了传统模型简便、高效的特点,未引入额外的计算,可在保证效率的基础上提高等价理论共振计算程序的精度。

二维任意几何子群共振计算程序的开发

传统共振方法是基于多群数据库插值表的等价理论有理近似方法,其几何适应能力仅限于简单几何,不能胜任复杂情况的共振自屏计算。子群方法基于共振峰的概率分布得到子群参数,利用现有的适用于任意几何的中子输运程序求解子群通量密度,通过子群通量密度权重子群截面,得到具体问题各个共振区的自屏截面。基于子群方法,开发了适用于二维任意几何的子群共振程序(SUGAR)。例题校验结果表明,SUGAR程序适用于二维任意几何共振计算。

基于子群方法的双重非均匀性共振计算方法研究

为计算双重非均匀性条件下的共振截面,提出了耦合Sanchez-Pomraning方法的改进的子群方法(ISSP)。ISSP采用精细化共振能群结构来规避共振干涉处理,通过求解双重非均匀性条件下的子群固定源方程和慢化方程得到颗粒和基体等各材料的有效共振截面,最后进行双重非均匀性条件下的输运计算。数值结果表明,与连续能量蒙特卡罗程序及超细群计算结果相比,ISSP可精确高效地计算双重非均匀性条件下的共振截面。

基于特征线法计算的超细群慢化方程求解方法

为实现对复杂几何、复杂能谱组件的精细计算,提出了一种基于特征线的超细群慢化方程求解方法。通过耦合特征线法中的固定源计算,在共振能量范围内建立超细群慢化方程,通过精细能谱获得复杂结构下的共振自屏截面。对典型压水堆栅元问题、带有温度分布的栅元问题、燃料内部存在不均匀性的栅元问题以及板状燃料组件问题进行了计算。结果表明,基于特征线的超细群慢化方程求解方法可精确计算复杂几何、复杂能谱问题,为共振计算提供基准。