冀銳敏 嚴(yán)睿 李曉曉 戴葉 劉桂民 鄒楊
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球形燃料元件中包覆顆粒的分布效應(yīng)研究
冀銳敏1,2嚴(yán)睿1李曉曉1戴葉1劉桂民1鄒楊1
1(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海201800) 2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
在球形燃料元件中,包覆顆粒的填充因子低于10%,分布具有很大的隨機(jī)性。本文利用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)了4種填充的建模方式,即體積等效規(guī)則填充、擾動(dòng)的規(guī)則填充、隨機(jī)的規(guī)則填充和完全隨機(jī)填充模擬燃料球中包覆顆粒的分布?;诠虘B(tài)燃料釷基熔鹽堆(Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel, TMSR-SF1)設(shè)計(jì)中選用的包覆顆粒燃料參數(shù),使用蒙特卡羅程序MCNP6 1.0和ENDF/B VII.0數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了全反射邊界條件下的單燃料球臨界計(jì)算,精確量化了不同的建模方式引起的中子物理特性參數(shù)的差異。計(jì)算表明,這4種建模方式形成了不同的包覆顆粒聚集程度。包覆顆粒的聚集會(huì)導(dǎo)致丹可夫效應(yīng)的增強(qiáng),從而增大了中子被燃料吸收的概率,無(wú)限增殖因數(shù)隨之增大,燃料溫度系數(shù)隨之減小。
包覆顆粒燃料,無(wú)限增殖因數(shù),溫度系數(shù)
包覆顆粒燃料球具有失效溫度高、支持在線換料等特點(diǎn)[1?3],已經(jīng)在高溫氣冷堆(High-temperature Reactors, HTRs)中得到應(yīng)用驗(yàn)證。氟鹽冷卻高溫堆(Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactors, FHRs)設(shè)計(jì)中也將包覆顆粒燃料球作為燃料元件的一種主要選項(xiàng),以達(dá)到高安全性和較好的經(jīng)濟(jì)性。燃料球中容納了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的包覆顆粒,這些顆粒的分布具有隨機(jī)性。這種隨機(jī)分布對(duì)燃料球的中子物理性質(zhì)具有一定影響。在堆芯物理計(jì)算分析中,由于蒙特卡羅程序?qū)旁?、曲面編?hào)數(shù)量都有一定的限制,因此研究中常更關(guān)注燃料球的隨機(jī)堆積,對(duì)燃料球內(nèi)的包覆顆粒常選用體積等效規(guī)則填充的方式簡(jiǎn)化處理[4?7]。然而,這種建模處理方式并不能保證燃料區(qū)域內(nèi)包覆顆粒的完整性,不同位置的燃料球中的包覆顆粒的裝載量不一致,有一定的差異,因此需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)包覆顆粒的隨機(jī)分布模擬,以逼近燃料元件的真實(shí)情況。近年來(lái),為了實(shí)現(xiàn)這一功能,MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)等蒙特卡羅程序增加了柵元位置隨機(jī)擾動(dòng)的功 能[8?9],但不支持畫(huà)圖功能,用戶需謹(jǐn)慎使用。單球模型的計(jì)算表明這種擾動(dòng)對(duì)反應(yīng)性的影響較小,為10?5量級(jí)[5,9],有待其他方法的對(duì)比或驗(yàn)證。
中國(guó)科學(xué)院“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)之中的固態(tài)燃料釷基熔鹽堆(Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel, TMSR-SF1)設(shè)計(jì)中也采用球型燃料元件,相應(yīng)的研究工作主要采取規(guī)則分布[10?12]。為了實(shí)現(xiàn)包覆燃料顆粒隨機(jī)分布的建模功能,更好地模擬燃料球的實(shí)際情況,并研究包覆顆粒不同的分布對(duì)中子學(xué)特性的影響,本文利用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)了體積等效規(guī)則填充、擾動(dòng)的規(guī)則填充、隨機(jī)的規(guī)則填充和完全隨機(jī)填充這4種填充的建模方式。并以TMSR-SF1的球型燃料元件為分析基準(zhǔn),開(kāi)展了不同包覆顆粒燃料分布形式下的中子輸運(yùn)計(jì)算,分析了包覆顆粒燃料的分布對(duì)關(guān)鍵物理參數(shù),如無(wú)限增殖因數(shù)、燃料的溫度反應(yīng)性系數(shù)等的影響。
球形燃料元件是采用準(zhǔn)等靜壓機(jī)械法制備,即將包覆顆粒與石墨粉混合,然后裝入模具壓制而 成[13]。通過(guò)X 線無(wú)損檢測(cè)實(shí)時(shí)成像技術(shù)測(cè)試方法,結(jié)合X 線計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography, CT)重建軟件可以快速重建出三維斷層圖像,球形燃料元件內(nèi)的顆粒分布如圖1所示。
圖1 球形燃料元件內(nèi)包覆燃料顆??臻g分布示意圖
TMSR-SF1設(shè)計(jì)中所用的球形燃料元件的基本參數(shù)見(jiàn)表1。燃料球由中心燃料填充區(qū)域和外部石墨殼組成。燃料填充區(qū)域內(nèi)由約11669個(gè)包覆燃料顆粒和石墨基體混合而成。包覆燃料顆粒由UO2核心和4層包覆層組成。
表1 TMSR-SF1球形燃料元件的參數(shù)
球形燃料元件的結(jié)構(gòu)具有雙重非均勻性,包覆顆粒與燃料區(qū)內(nèi)的基體構(gòu)成一重非均勻性,燃料區(qū)和石墨殼構(gòu)成另一重非均勻性。這種雙重非均勻性增加了中子物理計(jì)算的難度。但由于蒙特卡羅程序可以處理任意三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),可以通過(guò)精細(xì)的計(jì)算模型結(jié)合連續(xù)截面數(shù)據(jù),對(duì)各種物理過(guò)程提供細(xì)致的處理,因此雙重非均勻性得到很好的解決。
本文以全反射邊界條件的球形燃料元件為計(jì)算模型。建立模型的核心工作是使用MATLAB程序基于規(guī)則填充和隨機(jī)填充來(lái)模擬包覆顆粒在燃料填充區(qū)域的分布。根據(jù)TMSR-SF1的設(shè)計(jì)參數(shù)和ENDF/B-VII數(shù)據(jù)庫(kù)提供的溫度點(diǎn),計(jì)算中石墨散射截面溫度選擇1000 K,其他所有截面溫度選擇900 K。
1.2.1 填充方式研究
首先詳細(xì)描述包覆顆粒燃料的5層結(jié)構(gòu),然后用MCNP中重復(fù)幾何結(jié)構(gòu)選項(xiàng)描述包覆燃料顆粒在燃料球內(nèi)的分布。選用簡(jiǎn)單立方體柵元(SimpleCubic, SC)規(guī)則地填充燃料區(qū)域,又稱為規(guī)則分布模型。規(guī)則分布模型進(jìn)一步細(xì)分為以下三種:
1) 體積等效規(guī)則填充
通過(guò)體積等效方法計(jì)算得到簡(jiǎn)單立方體的邊長(zhǎng),因此包覆顆粒燃料的填充是規(guī)則的,并且燃料填充區(qū)域的邊界處存在包覆顆粒被切割的情況。根據(jù)燃料球參數(shù),計(jì)算可得簡(jiǎn)立方體的邊長(zhǎng)約為0.178cm。此種填充方式的示意圖見(jiàn)圖2(a)。
2) 擾動(dòng)的規(guī)則填充
為了滿足包覆顆粒填充的隨機(jī)特性,在規(guī)則填充的基礎(chǔ)上,對(duì)包覆顆粒的位置增加有限的擾動(dòng)。MCNP中的URAN卡可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,但擾動(dòng)程度仍然受限于立方體柵格。擾動(dòng)原理及其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)式(1),其中:1、2和3是(0, 1)之間的隨機(jī)數(shù);δ、δ和δ為用戶輸入的最大擾動(dòng)量。此種填充方式的示意圖見(jiàn)圖2(b)。
這一隨機(jī)擾動(dòng)功能僅在計(jì)算中開(kāi)啟,畫(huà)圖功能并不支持。為避免包覆顆粒在邊界處的切割情況,并且得到最大程度的擾動(dòng),縮小立方體邊長(zhǎng)至0.170cm,燃料填充區(qū)域內(nèi)精確填充包覆顆粒11669個(gè),其余區(qū)域直接填充石墨基體。
3) 隨機(jī)的規(guī)則填充
為擴(kuò)大填充的隨機(jī)性,進(jìn)一步縮小立方體邊長(zhǎng),將燃料填充區(qū)域劃分成更多的小區(qū)域,然后通過(guò)程序隨機(jī)選擇填充包覆顆?;蛘呤w,以保證包覆顆粒的完整性和填充數(shù)目。包覆顆粒的直徑為0.092 cm,為達(dá)到最大程度的隨機(jī)性,選擇立方體邊長(zhǎng)為0.093 cm,燃料填充區(qū)域內(nèi)能完整填充包覆顆粒的立方體區(qū)域有76759個(gè),通過(guò)程序選擇將其中的11669個(gè)填充包覆顆粒,其余直接填充石墨基體。此種填充方式如圖2(c)所示。
4) 完全隨機(jī)填充
通過(guò)MATLAB程序隨機(jī)產(chǎn)生包覆顆粒位置,保證包覆顆粒燃料之間不會(huì)發(fā)生重疊,也不會(huì)與石墨殼邊界相切。在MCNP建模中,逐一定義每個(gè)包覆顆粒燃料,隨后定義石墨基體。因?yàn)镸CNP程序中柵元的描述字?jǐn)?shù)有一定的限制,因此需燃料區(qū)域劃分為多個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行表述。完全隨機(jī)填充方式如圖2(d)所示。
圖2 多種填充方式示意圖 (a) 體積等效規(guī)則填充,(b) 擾動(dòng)的規(guī)則填充,(c) 隨機(jī)的規(guī)則填充,(d) 完全隨機(jī)填充,(e) 向燃料球心集中,(f) 向燃料球殼集中
1.2.2 規(guī)律填充的研究
為研究包覆顆粒不同填充方式的影響,在規(guī)則填充的基礎(chǔ)上,通過(guò)MATLAB程序完成包覆顆粒有規(guī)律的填充。本文選取了集中于球心和球殼的兩種填充規(guī)律,分別見(jiàn)圖2(e)和(f)。
MCNP程序是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory, LANL)開(kāi)發(fā)的采用蒙特卡羅方法進(jìn)行輸運(yùn)計(jì)算的大型計(jì)算機(jī)程序[8]。它能夠處理中子、電子和光子在各種介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)并給出相應(yīng)的結(jié)果,因此在反應(yīng)堆物理、輻射防護(hù)、核探測(cè)等多方面得到了廣泛的應(yīng)用。MCNP程序輸入靈活,能夠完整地、詳盡地在幾何結(jié)構(gòu)和材料等方面描述出模型細(xì)節(jié);可以選擇使用國(guó)際、國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)資源;程序輸出豐富,用戶可以根據(jù)需求編制輸出卡,提取有實(shí)際物理意義的多種參數(shù),如有效增殖系數(shù)、能譜、單群或多群截面、中子產(chǎn)生和泄漏率等。計(jì)算中選用的MCNP版本為MCNP6 1.0,數(shù)據(jù)庫(kù)為ENDF/B-VII.0。
對(duì)圖2中的(a)?(d)填充方式均做50組不同的輸入,分別計(jì)算無(wú)限增殖因數(shù)∞和燃料溫度系數(shù)F。計(jì)算燃料溫度系數(shù)時(shí),假設(shè)燃料溫度上升至1200K。為保證計(jì)算精度,臨界計(jì)算中投入的每代粒子數(shù)為105,有效循環(huán)次數(shù)為103,單次臨界計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差約0.00007。
1) 體積等效規(guī)則填充
首先完成包覆顆粒的建模,隨后將其放入簡(jiǎn)單立方體內(nèi),把這一結(jié)構(gòu)設(shè)置為無(wú)限重復(fù)柵元,在保持無(wú)限柵格的前提下,移動(dòng)燃料球的位置,變化邊界條件,達(dá)到不同的切割效應(yīng)。根據(jù)體積等效原則,50次燃料球隨機(jī)定位的情況中最少裝載約11637個(gè)包覆顆粒(?2.79‰),最多裝載約11684個(gè)包覆顆粒燃料(+1.30‰),平均少裝載3.5個(gè)包覆顆粒燃料(?0.29‰)。
2) 擾動(dòng)的規(guī)則填充
50次擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:包覆顆粒距離燃料球心的平均距離(o)為1.8358 cm。
3) 隨機(jī)的規(guī)則填充
50次不同的填充統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:包覆顆粒距離燃料球心的o為1.8408 cm。
4) 完全隨機(jī)填充
經(jīng)統(tǒng)計(jì),50次不同的填充情況中,包覆顆粒距離燃料球心的o為1.8454 cm。
4種填充方式的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。4種不同的填充方式,共200次的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,平均無(wú)限增殖因數(shù)∞平均值為1.54738,最大和最小平均無(wú)限介質(zhì)增殖因數(shù)∞之間相差(Δ)為7.37×10?3,平均燃料溫度系數(shù)F為?2.616×10?5K?1。
表2 4種填充方式結(jié)果統(tǒng)計(jì)
對(duì)于以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步采用MATLAB中的箱線圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)圖3。圖3(a)?(d)中的橫坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)于圖2中的填充方式。箱線圖中從下往上的4個(gè)橫線顯示了數(shù)據(jù)的5個(gè)特征值,下內(nèi)限值、下四分位數(shù)(1)、中值(Medium)、上四分位數(shù)(3)和上內(nèi)限值。箱內(nèi)含有50%的值。下內(nèi)限值的定義為下四分位數(shù)(1)減1.5倍的上下四分位數(shù)的差值(R=3?1)。上內(nèi)限值的定義為3加1.5倍的R。上下內(nèi)限之外的值以“+”表示,稱之為異常值。內(nèi)箱線圖可以粗略估計(jì)數(shù)據(jù)是否具有對(duì)稱性,粗略觀察數(shù)據(jù)的分散程度。由圖3(a)可見(jiàn),∞數(shù)據(jù)R為0.0005,中值在箱的下端,可見(jiàn)數(shù)據(jù)對(duì)稱性較差,并且數(shù)據(jù)分布較為分散;圖3(b)中∞數(shù)據(jù)R為0.0001,中值在箱的中端,可見(jiàn)數(shù)據(jù)分布較為集中且對(duì)稱性較好;圖3(c)中∞數(shù)據(jù)R為0.0002,中值在箱的下端,數(shù)據(jù)的對(duì)稱性較差,數(shù)據(jù)分布較為集中,但數(shù)據(jù)中存在少量的異常值;圖3(d)中∞數(shù)據(jù)R為0.0002,中值在箱的中間,數(shù)據(jù)有較好的對(duì)稱性,數(shù)據(jù)分布也較為集中。
2.2.1 集中于球殼
在集中于球殼規(guī)則填充的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變立方體柵元的長(zhǎng)度,改變包覆顆粒之間的平均距離,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中:為簡(jiǎn)立方體長(zhǎng)度;o為包覆顆粒到燃料球心的平均距離;2為包覆顆粒間的平均距離;G為石墨溫度系數(shù)。隨著填充柵元的逐步變大,∞逐漸從1.56261增加至1.54595,相差1.666×10?2,燃料溫度系數(shù)逐漸從?2.459×10?5K?1增加至?2.634×10?5K?1,變化了8%。
為分析這一變化原因,根據(jù)定義分別計(jì)算了4因子:快中子增殖因數(shù)、逃脫俘獲共振因數(shù)、熱中子利用系數(shù)和有效裂變中子數(shù)。隨著包覆顆粒之間平均距離的接近,空間自屏效應(yīng)發(fā)生了變化,燃料核吸收共振中子的能力減弱,增加約1.4%,而降低約1.3‰,降低約0.04‰,降低約0.01‰。
圖3 不同隨機(jī)填充計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì) (a) 體積等效規(guī)則填充,(b) 擾動(dòng)的規(guī)則填充,(c) 隨機(jī)的規(guī)則填充,(d) 完全隨機(jī)填充
2.2.2 集中球心
在集中于球心規(guī)則填充的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變立方體柵元的長(zhǎng)度,改變包覆顆粒之間的平均距離,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。隨著填充柵元的逐步變大,包覆顆粒之間的平均距離逐漸從1.3461 cm增加至2.5040cm,所有包覆顆粒到燃料球心的平均距離也相應(yīng)地從0.981 4 cm增加至1.825 7 cm,無(wú)限增殖因數(shù)∞逐漸從1.664 14減小至1.547 34,相差0.1168,燃料溫度系數(shù)逐漸從?1.434×10?5K?1增加至?2.604×10?5K?1,增加了80%。
圖4 燃料區(qū)域歸一化中子能譜分布
為分析這一變化原因,提取出燃料中的能譜,見(jiàn)圖4。圖4中的曲線編號(hào)與表3中序號(hào)一致,包覆顆粒的集中導(dǎo)致燃料區(qū)內(nèi)慢化減弱,能譜變硬。根據(jù)定義分別計(jì)算了4因子:、、和,見(jiàn)圖5。圖5中的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于表3中的序號(hào)。
圖5 4因子變化曲線
4因子中,逃脫俘獲共振因數(shù)的變化最為劇烈。降低約9.2%,增加約9.3‰,增加約3.7‰,增加約1.7‰。隨著包覆顆粒的密集,丹可夫效應(yīng)增強(qiáng),燃料核吸收共振中子的能力顯著降低,導(dǎo)致無(wú)限增殖因數(shù)增加,燃料溫度負(fù)反饋減弱。
表3 規(guī)律填充的計(jì)算結(jié)果
本文通過(guò)MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)了球形燃料元件中包覆顆粒燃料的特定分布形式,并以TMSR-SF1設(shè)計(jì)中選用的包覆顆粒燃料為分析基準(zhǔn),結(jié)合MCNP程序計(jì)算分析了燃料中包覆顆粒分布對(duì)中子物理特性的影響,通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析形成以下結(jié)論:
1) 燃料中包覆顆粒的分布對(duì)無(wú)限增殖因數(shù)和燃料溫度系數(shù)有較大影響,對(duì)石墨慢化劑溫度系數(shù)的影響則較小。兩種指定規(guī)律填充的計(jì)算結(jié)果均表明,包覆顆粒的集中會(huì)導(dǎo)致逃脫共振吸收能力增強(qiáng)與燃料填充區(qū)內(nèi)石墨基體慢化能力的下降,無(wú)限增殖因數(shù)會(huì)隨之增大,燃料的溫度反應(yīng)性系數(shù)會(huì)隨著減小。
2) 完全隨機(jī)填充模式和實(shí)際情況更接近,建模和計(jì)算所需的時(shí)間更長(zhǎng)。相對(duì)隨機(jī)填充而言,隨機(jī)的規(guī)則填充的包覆顆粒相對(duì)較為集中,因此無(wú)限增殖因數(shù)會(huì)被高估約1.16×10?3,燃料的溫度反應(yīng)性系數(shù)會(huì)被低估 1.5%。
3) 體積等效規(guī)則填充方式是在全堆芯蒙特卡羅計(jì)算中使用的方式,建模和計(jì)算所需的時(shí)間最短,但會(huì)造成不同位置燃料球內(nèi)包覆顆粒的切割,包覆顆粒的分布也更為分散,因此無(wú)限增殖因數(shù)被低估約5×10?3,燃料的溫度反應(yīng)性系數(shù)被高估2%。
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LIU Malin, LIU Rongzheng, LI Ziqiang,.Application of particuology in high temperature gas cooled nuclear reactor engineering[J].China Powder Science and Technology, 2014,20(4): 1?7. DOI: 10. 13732/j.issn.1008-5548.2014.04.001.
Effect of TRISO-particles distributions in pebble fuel
JI Ruimin1,2YAN Rui1LI Xiaoxiao1DAI Ye1LIU Guimin1ZOU Yang1
1(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China) 2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Packing fraction of tristructural-isotropic (TRISO) particles in pebble fuel is lower than 10% in general, which leads to great randomness in distribution, resulting in various challenges in neutronics modeling, such as double heterogeneity effect, preserving exact number of particles, and their random distributions in pebble.This study aims to verify the calculations, the infinite pebble fuel with refectory boundary conditions based on the thorium-based molten salt reactor with solid fuel (TMSR-SF1) pebble design using Monte-Carlo code MCNP6 ver1.0 and ENDF/B VII.0.Four types of models of TRISO particles have been performed based on MATLAB, the equivalently filled regular model, the disturbed regular model, the randomly filled regular model, and the fully random model.The neutronic effect of various modeling approaches was quantitatively evaluated.The results show that the four kinds of modeling methods form different randomness. The clustering of the coated particles enhances the Dancof effect which raises the neutron absorption probability in the fuel. As a result, the infinite multiplication factor is increased while the fuel temperature coefficient is decreased.
Coated particle fuel, Infinite multiplication factor, Temperature coefficient
JI Ruimin, female, born in 1984, graduated from Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences with a master’s degree in 2008, focusing on the study of reactor physics
LIU Guimin, E-mail: liuguimin@sinap.ac.cn; YAN Rui,E-mail: yanrui@sinap.ac.cn
2017-03-24, accepted date: 2017-04-20
TL99
10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.100604
冀銳敏,女,1984年出生,2008年于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所獲碩士學(xué)位,主要從事反應(yīng)堆物理研究
劉桂民,E-mail: liuguimin@sinap.ac.cn;嚴(yán)睿,E-mail: yanrui@sinap.ac.cn
2017-03-24,
2017-04-20
Supported by Strategic PriorityResearch Programof Chinese Academy of Sciences (No.XDA02010000)
中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA02010000)資助