持续裂变链引发概率的直接模拟研究

讨论了判断持续裂变链引发的理论依据,利用基于Geant4toolkit开发的蒙特卡罗直接模拟程序,计算了一系列测试几何和超瞬发临界5c/的GodivaⅠ反应堆内持续裂变链的引发概率。结果表明,蒙特卡罗直接模拟计算的结果与Mercury程序及确定性理论结果均一致。

浅超瞬发临界系统中子引发持续裂变链的概率

根据中子在核系统中发生不同反应的概率,推导了中子引发持续裂变链概率W(r,E,Ω,t)满足的方程;在定态、浅超瞬发临界前提下,采用二阶近似和微扰方法,得到了引发中子源分布下中子引发概率的表达式。由表达式和Godiva-Ⅱ、Caliban、CFBR-Ⅱ脉冲堆的参数得到中子引发脉冲的平均概率分别为0.000 32、0.000 54和0.000 27,采用Godiva-Ⅱ、Caliban自发裂变源引发脉冲实验数据对理论结果进行了比较和分析讨论。

持续裂变链引发的零维蒙特卡罗模拟

采用基于点动力学模型的零维蒙特卡罗方法,模拟计算了自发裂变中子引发条件下,超瞬发临界5c/的GodivaⅠ快中子脉冲堆内持续裂变链引发时刻概率的分布。结果表明,零维模拟程序与基于Geant4toolkit的三维直接模拟程序的计算结果一致,并与实验结果符合较好。另外,采用零维蒙特卡罗模拟方法,模拟计算了外中子源引发条件下快中子脉冲堆反应性动态加入过程中持续裂变链的引发概率。结果表明,零维方法用于反应性动态加入情形的模拟计算,其结果是合理可信的。可见,在研究快中子脉冲堆的动力学行为时,采用点动力学近似是合理的。

弱源引发持续裂变链统计涨落现象

裂变材料系统中，中子源尤其是弱强度中子源释放中子的时刻是随机性的，系统中中子与原子核相互作用的随机性，使得从中子源放出中子时刻开始的中子裂变链的初期发展过程具有显著的统计涨落性质，对于稍微超(瞬发)临界的系统往往仅有少部分裂变链才能够持续发展下去，成为持续裂变链。CFBR-Ⅱ快中子脉冲堆在超瞬发临界状态下，由很弱的内源引发持续裂变链，并在反馈机制的作用下形成中子脉冲，其脉冲出现时刻(称为引发时间)表现出随机性，正是这种统计涨落现象的反映。针对CFBR-Ⅱ堆这种统计涨落现象进行实验和理论两方面的研究，得到一些初步结果。

瞬发超临界系统内持续裂变链的发展过程

根据基本的概率理论和瞬发临界附近有限裂变链的发展规律,推导了单脉冲源条件下脉冲堆引发持续裂变链过程中的中子数与时间关系式,并得到CFBR-II堆上实验的验证.该关系式进一步发展了Hansen理论模型,除了可以描述裂变链后期的发展趋势,还可以描述持续裂变链产生初期中子数的快速增长行为.讨论了引发时间与源强的关系,指出在弱源条件下,引发时间几乎不依赖于源强.

稍超瞬发临界系统缓发中子发射率研究

使用蒙特卡罗直接模拟程序计算了弱源点火条件下超瞬发临界5 c/的GodivaⅠ快中子脉冲堆缓发中子发射率规律和脉冲引发时刻概率分布。计算结果表明,脉冲引发时刻概率分布的计算结果与实验结果符合较好,所获得的缓发中子发射率规律可合理解释引发时刻概率分布的实验结果。

脉冲堆弱源点火实验的蒙特卡罗数值模拟

本文采用广义半马尔科夫过程模拟方法模拟了在Caliban脉冲堆、Godiva-Ⅰ和Godiva-Ⅱ脉冲堆上开展的超临界点火实验。得到爆发脉冲等待时间概率分布,以及与脉冲堆爆发脉冲过程相关的各种物理量的概率分布,如裂变率、缓发中子出射率等。模拟得到的爆发脉冲等待时间概率分布与实验结果符合,所得到的相关物理量自洽,且对于理解脉冲堆点火实验的随机现象提供了参考。通过本文的工作,验证了广义半马尔科夫过程模拟方法在模拟弱超临界系统随机中子场时间演化方面的适用性和正确性,该方法可以应用于超临界事故评价和分析。

中子引发裂变链概率的演化过程模拟

在相对速度空间建立中子引发裂变链概率所满足的与时间相关的微分-积分方程,基于多群SN方法开发动态数值程序(Dynamic Segment Number Probability,DSNP),分析了动态计算的收敛性,并对动态系统的裂变链概率演化过程进行数值模拟。模拟计算表明,DSNP程序与Partisn程序的计算结果均一致;临界状态附近存在大量的有限裂变链,使得引发概率的动态演化结果高于稳态计算结果,在Baker动态流场模型上,第一临界点后1μs的范围内计算结果最大差异约为300%。随着裂变系统反应性增加,有限裂变链的贡献逐渐减弱,持续裂变链占优,引发概率的动态演化曲线与稳态结果逐渐重合,差别小于5%,表明系统中子引发自持裂变的能力趋于稳定,此时动态引发概率的时间积分结果比稳态结果高5%-35%。高浓铀模型上的数值模拟验证了DSNP程序的准确性,该程序可定量计算动态系统的引发概率,相对于稳态方法,DSNP程序能够更为准确地描述裂变系统点火概率的演化过程。