MVP程序在中國先進研究堆上的應(yīng)用研究

花曉

摘 要：MVP是日本原子能機構(gòu)（JAEA）研發(fā)的蒙特卡羅輸運程序，通過模擬中子和光子輸運，能夠計算有效增殖因子、中子注量率和各種反應(yīng)率等參數(shù)，MVP程序自帶多個連續(xù)能量的點截面數(shù)據(jù)庫，并能處理指定溫度下的中子截面庫，計算溫度相關(guān)的問題。程序采用體組合的方式描述幾何模型，具有精確描述復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)的能力。通過與BURN模塊的耦合可進行燃耗計算，可用于分析與時間相關(guān)的問題。文章對MVP程序在中國先進研究堆（CARR）上的應(yīng)用進行了初步研究，利用MVP程序?qū)ARR進行了剩余反應(yīng)性計算和燃耗計算。通過與擴散程序計算結(jié)果進行比較，證明了MVP程序是CARR堆運行物理分析的良好選擇，為今后的實際運用奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MVP程序 中國先進研究堆 剩余反應(yīng)性 燃耗

中圖分類號：TL 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0059-04

中國先進研究堆（CARR）堆芯結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在反應(yīng)堆設(shè)計階段使用的擴散物理程序（WIMSD-4+CITATION）難以將堆芯結(jié)構(gòu)描述完善，在反應(yīng)堆初步設(shè)計計算中，省略了孔道對反應(yīng)堆物理特性的影響（在設(shè)計初期是允許的）。

MVP程序既能精確描述堆芯復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，又可進行變溫度截面以及燃耗計算，在Linux系統(tǒng)環(huán)境下程序還可實現(xiàn)并行計算，程序子模塊間調(diào)用及轉(zhuǎn)換均為自動完成，具有操作簡便，效率高的特點，非常適合CARR運行階段物理分析需要。

本文采用MVP程序?qū)ARR初裝料溫度反應(yīng)性和循環(huán)態(tài)燃耗進行計算，并與理論計算值進行比較，證明MVP程序的有效性。為MVP程序在CARR運行階段的進一步運用打下基礎(chǔ)。

1 MVP程序

MVP全名為MVP-GMVP是日本原子能機構(gòu)（JAEA）研發(fā)的蒙特卡羅輸運程序，通過模擬中子和光子輸運，能夠完成以下任務(wù)：

（1）本征值問題：計算系統(tǒng)增殖因子，用于堆芯物理計算和臨界安全分析。

（2）固定源問題：用戶自己定義外部源（源項粒子的能量與空間分布），用于屏蔽計算。

（3）燃耗的計算：子程序MVP-BURN與MVP結(jié)合能進行燃耗計算。

（4）燃耗中期和燃耗末零功率條件下冷卻計算，用于輻照檢測后分析。

（5）允許幾何尺寸、材料成分、溫度變化的的燃耗或者參數(shù)測量計算。例如：控制棒的位置變化，空隙部分改變，可溶硼濃度變化，熱膨脹，單獨的燃耗等。

MVP程序分為幾大子程序模塊：截面庫模塊MVPlib，燃耗鏈模塊chain，燃耗計算模塊BURN，程序基礎(chǔ)模塊BIN，程序計算模塊MVP。

程序包含了多個截面庫供用戶選擇，滿足不同計算的需要。這些截面庫主要包括JENDL-3.3、JENDL-3.2、ENDF/B-V1.8、JEFF-3.0以及JEF-2.2，在實際計算中JENDL-3.3版本最新，是最常用的界面庫。此外為用戶提供了7種不同的燃耗鏈，用戶根據(jù)需要選取合適的燃耗鏈。其中錒系核素燃耗鏈分為u4cm6和th2cm6；裂變產(chǎn)物和可燃毒物鏈包括fp50bp16、以及fp193bp6等見表1。

燃耗計算流程：首先通過LICEM程序，將特定核數(shù)據(jù)制作成常溫下材料截面數(shù)據(jù)庫可供MVP使用；通過ART程序?qū)⒁延袦囟认碌膸燹D(zhuǎn)變成不同溫度的截面庫，用戶可以在MVP輸入文件中直接定義材料不同的溫度，進行MVP臨界計算，而后將核子密度、步長等參數(shù)輸入BURN程序，輸出截面等參數(shù)返回MVP臨界計算，形成循環(huán)。圖1為程序流程圖。

2 CARR及其物理設(shè)計

CARR是一座稍加壓的輕水冷卻和慢化、重水反射的反中子阱型緊湊結(jié)構(gòu)池式反應(yīng)堆。堆芯由21個正方形柵格組成，柵距為7.72 cm。標(biāo)準(zhǔn)燃料組件占17個柵元，控制棒跟隨體燃料組件占4個柵元。燃料組件與堆芯容器之間為鋁填充體。堆芯周圍為一直徑和高度均為2.2 m的重水箱。其中設(shè)置了9個水平實驗孔道和21個垂直實驗孔道。整個堆芯連同重水箱浸沒在一直徑為5.5 m，深15 m的堆水池中，水池外為生物屏蔽層。圖2為CARR堆芯布置圖。

CARR物理設(shè)計采用WIMSD-4、CITATION程序組合完成物理分析工作，首先要使用WIMSD-4得到計算區(qū)域的少群參數(shù)，其次通過CITATION程序得到特征值參數(shù)。這中間需要反復(fù)調(diào)程序輸出結(jié)果，程序間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編寫專門的接口程序。CITATION程序無法建立復(fù)雜模型，過多的結(jié)塊也會造成計算時間和計算結(jié)果的不可靠性，使得在核設(shè)計初期忽略堆芯水平和垂直孔道的影響，特別是水平孔道由于其結(jié)構(gòu)非對稱性，無法用CITATION程序建立帶水平孔道的堆芯計算模型。

3 MVP計算模型

MVP/GMVP采用的是用于MOSE—CG和VIM代碼中的CG（組合幾何），因此用戶可以輕易做出復(fù)雜的三維幾何模型

CARR建模時所采用的各部件的幾何尺寸主要依靠設(shè)計報告中給出的數(shù)值，某些參數(shù)考慮堆芯實際情況，并綜合調(diào)試過程中實際參數(shù)變化。堆芯燃料區(qū)建模時主要采用了RPP、SPE、CYL和TRC模型。圖3為MVP全堆模型，圖4為標(biāo)準(zhǔn)組件模型

4 計算結(jié)果比較

采用MVP對CARR初裝料進行臨界計算和多循環(huán)燃耗計算，得到了剩余反應(yīng)性、核子密度變化等參數(shù)。

MVP計算值（堆芯模型調(diào)整與設(shè)計一致）與CARR原理論計算值（擴散程序計算結(jié)果）比較見表2，從結(jié)果可以看出，在初裝料堆芯狀態(tài)下MVP剩余反應(yīng)性計算的值與設(shè)計值相比誤差為2%左右，符合得很好。

由于初始設(shè)計沒有考慮孔道對反應(yīng)性影響。根據(jù)實際情況調(diào)整MVP模型后，將剩余反應(yīng)性計算結(jié)果與實驗值進行比較，結(jié)果見表3。

從計算結(jié)果可以看出，在真實模擬堆芯結(jié)構(gòu)后，剩余反應(yīng)性值與實驗值誤差只有-1.45%，相差很小。endprint

兩套程序系統(tǒng)對燃耗計算值比較如下：主要對比235U、238U、239Pu值，比較結(jié)果見圖5～圖7，紅線為MVP計算值，藍線為設(shè)計計算值。

從重元素成分變化設(shè)計值與MVP程序計算值比較可以看到，鈾系元素兩者計算值比較接近，相差在2%左右，钚系的值大部分相差在10%左右，其中239Pu的值相差最大。造成這種差異的原因分析如下：

（1）WIMSD-4程序進行柵元燃耗計算時。成分相同的燃料組件均為同一類型柵元，也就是說，柵元內(nèi)成分的變化只與燃耗深度相關(guān)，與在堆芯內(nèi)的位置無關(guān)。而MVP程序則不同，計算時考慮到能譜對于裂變產(chǎn)物產(chǎn)額和同質(zhì)異能核素的影響，每一區(qū)每一層的燃耗都是單獨計算的。這樣的成分變化與真實情況比較接近。這是造成計算結(jié)果差異的主要原因，體現(xiàn)了MVP程序在核素成分計算中的優(yōu)勢。

（2）原設(shè)計未考慮孔道對反應(yīng)性影響，MVP添加孔道后反應(yīng)性計算差異在燃耗計算中產(chǎn)生累計效應(yīng)。

（3）MVP-BURN計算每一步長的歸一化因子都重新計算，這與WIMSD-4程序柵元燃耗計算時假設(shè)功率歸一化因子一直不變的條件不同。

5 結(jié)論與展望

對計算結(jié)果的比較分析表明，MVP 程序在反應(yīng)性計算和燃耗計算方面均與原設(shè)計程序的計算結(jié)果符合較好，完全可應(yīng)用于CARR堆運行物理計算分析。由于于該程序具有的真實模擬堆芯，可直接進行燃耗計算，計算核素變化有優(yōu)勢、操作簡便等特點，如果應(yīng)用得當(dāng)，將會為CARR應(yīng)用、運行物理分析作出更大貢獻。本文作為這方面應(yīng)用研究的有益探索，為進一步研究工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] F.R.Keller. Fuel Element Flow Blockage in the Engineering Test Reactor.AEC Research and Development Report[J].Reactor Technology TID-4500（17th Ed.），1962：1-40.

[2] Keisuke OKUMURA，Yasunobu NAGAOKA.Burn-up Calculation Code Using A Continuous-energy Monte Carlo Code MVP[R].Japan Atomic Energy Agency（JAEA），Japan，2006.

[3] Keisuke OKUMURA，Yasunobu NAGAOKA.Criticality Benchmarks with a Continuous-Energy Monte Carlo Code MVP and JENDL-3.3[R].Japan Atomic Energy Agency （JAEA），Japan，2007.

[4] Zenko YOSHIDA.General Purpose Monte Carlo Codes for Neutron and Photon Transport Caculations based on Continuous Energy and Mutigroup Methods[M].Japan Atomic Energy Research Insititute，Japan，2005.

[5] 袁履正，柯國土，金華晉，等.中國先進研究堆（CARR）的設(shè)計特點和創(chuàng)新技術(shù)[J].核動力工程，2006（S2）：1-5.

Application of MVP System on China Advanced Research Reactorendprint

兩套程序系統(tǒng)對燃耗計算值比較如下：主要對比235U、238U、239Pu值，比較結(jié)果見圖5～圖7，紅線為MVP計算值，藍線為設(shè)計計算值。

從重元素成分變化設(shè)計值與MVP程序計算值比較可以看到，鈾系元素兩者計算值比較接近，相差在2%左右，钚系的值大部分相差在10%左右，其中239Pu的值相差最大。造成這種差異的原因分析如下：

（1）WIMSD-4程序進行柵元燃耗計算時。成分相同的燃料組件均為同一類型柵元，也就是說，柵元內(nèi)成分的變化只與燃耗深度相關(guān)，與在堆芯內(nèi)的位置無關(guān)。而MVP程序則不同，計算時考慮到能譜對于裂變產(chǎn)物產(chǎn)額和同質(zhì)異能核素的影響，每一區(qū)每一層的燃耗都是單獨計算的。這樣的成分變化與真實情況比較接近。這是造成計算結(jié)果差異的主要原因，體現(xiàn)了MVP程序在核素成分計算中的優(yōu)勢。

（2）原設(shè)計未考慮孔道對反應(yīng)性影響，MVP添加孔道后反應(yīng)性計算差異在燃耗計算中產(chǎn)生累計效應(yīng)。

（3）MVP-BURN計算每一步長的歸一化因子都重新計算，這與WIMSD-4程序柵元燃耗計算時假設(shè)功率歸一化因子一直不變的條件不同。

5 結(jié)論與展望

對計算結(jié)果的比較分析表明，MVP 程序在反應(yīng)性計算和燃耗計算方面均與原設(shè)計程序的計算結(jié)果符合較好，完全可應(yīng)用于CARR堆運行物理計算分析。由于于該程序具有的真實模擬堆芯，可直接進行燃耗計算，計算核素變化有優(yōu)勢、操作簡便等特點，如果應(yīng)用得當(dāng)，將會為CARR應(yīng)用、運行物理分析作出更大貢獻。本文作為這方面應(yīng)用研究的有益探索，為進一步研究工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

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兩套程序系統(tǒng)對燃耗計算值比較如下：主要對比235U、238U、239Pu值，比較結(jié)果見圖5～圖7，紅線為MVP計算值，藍線為設(shè)計計算值。

從重元素成分變化設(shè)計值與MVP程序計算值比較可以看到，鈾系元素兩者計算值比較接近，相差在2%左右，钚系的值大部分相差在10%左右，其中239Pu的值相差最大。造成這種差異的原因分析如下：

（1）WIMSD-4程序進行柵元燃耗計算時。成分相同的燃料組件均為同一類型柵元，也就是說，柵元內(nèi)成分的變化只與燃耗深度相關(guān)，與在堆芯內(nèi)的位置無關(guān)。而MVP程序則不同，計算時考慮到能譜對于裂變產(chǎn)物產(chǎn)額和同質(zhì)異能核素的影響，每一區(qū)每一層的燃耗都是單獨計算的。這樣的成分變化與真實情況比較接近。這是造成計算結(jié)果差異的主要原因，體現(xiàn)了MVP程序在核素成分計算中的優(yōu)勢。

（2）原設(shè)計未考慮孔道對反應(yīng)性影響，MVP添加孔道后反應(yīng)性計算差異在燃耗計算中產(chǎn)生累計效應(yīng)。

（3）MVP-BURN計算每一步長的歸一化因子都重新計算，這與WIMSD-4程序柵元燃耗計算時假設(shè)功率歸一化因子一直不變的條件不同。

5 結(jié)論與展望

對計算結(jié)果的比較分析表明，MVP 程序在反應(yīng)性計算和燃耗計算方面均與原設(shè)計程序的計算結(jié)果符合較好，完全可應(yīng)用于CARR堆運行物理計算分析。由于于該程序具有的真實模擬堆芯，可直接進行燃耗計算，計算核素變化有優(yōu)勢、操作簡便等特點，如果應(yīng)用得當(dāng)，將會為CARR應(yīng)用、運行物理分析作出更大貢獻。本文作為這方面應(yīng)用研究的有益探索，為進一步研究工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

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