应用颗粒可燃毒物的微封装弥散燃料反应堆中子输运多尺度计算方法及中子学特性研究

The Fully Ceramic Microencapsulated (FCM) fuel is an important research direction to enhance the safety characteristic of Pressurized Water Reactor (PWR). Because depletion speed of particle-type burnable poison (diameter is around 100μm) can be adjusted according to the diameters of particle, particle-type burnable poison becomes one of best candidate of burnable poison structure. In order to simulate.the process of depletion of particle-type burnable poison, that the absorption nuclides on the periphery of particle are burned first, then the center, this proposal will develop multi-scale neutron transport method. In this method, the fine meshes are used to solve the neutron transport equation for burnable poison particle, and the coarse meshes are used to solve the neutron transport equation for the 3D core. The whole core with particle-type burnable poison will be calculated through coupling of two parts. This method can treat the key science problem that the computing amount of solving 3D neutron transport equation for the whole core with particle-type burnable poison is incredible huge. Adopting the parallel multi-scale neutron transport code, the neutronics characteristic of particle-type burnable poison will be analyzed and concluded. Through the research in this proposal, the neutronics numerical simulation method and code will be developed to support the nuclear design for FCM fuel reactor, and neutronics characteristic of particle-type burnable poison will be formed to support the usage of particle-type burnable poison in FCM fuel reactor.

发展耐事故的微封装弥散燃料是提高压水堆安全性的重要发展方向之一，颗粒可燃毒物（直径100μm量级）燃耗速度可以通过颗粒尺寸调整，增加了可燃毒物选择自由度，成为微封装弥散燃料优选的可燃毒物类型。针对颗粒可燃毒物在燃耗过程中存在颗粒外层先燃耗、内层后燃耗的“剥洋葱”式的特殊过程，本课题拟研究形成多尺度中子输运耦合计算方法，采用精细网格求解可燃毒物颗粒微观中子输运问题，采用传统网格求解三维全堆芯宏观中子输运问题，通过耦合实现含颗粒可燃毒物的全堆芯三维输运求解，解决颗粒可燃毒物分层燃耗计算带来的全堆芯中子输运计算量巨大的科学问题。基于开发的多尺度并行中子输运程序，定量研究颗粒可燃毒物的中子学特性，揭示微封装弥散燃料压水反应堆中可燃毒物中子学特性规律。通过本课题的研究，将为微封装弥散燃料反应堆的核设计提供高精度数值模拟手段，为颗粒可燃毒物在微封装弥散燃料中的应用提供中子学规律支持。

弥散颗粒燃料及可燃毒物由于存在弥散颗粒与基体的非均匀性，加上原有的芯体、包壳和慢化剂的非均匀性，造成双重非均匀性，传统中子学计算程序无法直接描述，体积均匀化方法会低估颗粒自屏而带来反应性计算偏差。为了满足弥散颗粒材料的计算需求，有必要研究弥散颗粒的自屏效应和确定论双重非均匀性计算方法，开发针对压水堆的弥散颗粒工程化数值模拟程序。本课题的主要成果如下：.1）弥散颗粒燃料及可燃毒物中子学燃耗特性研究。通过研究弥散颗粒采用体积均匀化方法处理的反应性计算偏差提出将弥散颗粒燃料及可燃毒物的影响因素整合为修正光学长度，当修正光学长度大于10-4时，在压水堆典型能谱下，体积均匀化方法反应性计算偏差将大于100pcm，需采用双重非均匀计算方法和程序进行处理。.2）基于反应性等效物理转换方法的弥散颗粒材料工程化数值模拟方法研究。提出将弥散颗粒转换为环形的反应性等效转换概念，针对圆柱几何，提出RRPT方法代替RPT方法处理单类颗粒双重非均匀系统，同时提出HRPT方法代替IRPT方法处理双颗粒类型双重非均匀系统，并将RRPT方法和HRPT方法对球形几何和板形几何进行了扩展研究，统一解决了弥散颗粒燃料及可燃毒物多种几何形式的双重非均匀计算问题。.3）基于特征线颗粒建模方法的弥散颗粒材料工程化数值模拟方法研究。对基于特征线颗粒建模方法的输运计算、子群共振计算和弥散颗粒燃耗计算进行了深入研究和推导。.4）弥散颗粒堆芯工程化数值模拟计算程序的开发及系统验证。将反应性物理转换方法和基于特征线颗粒建模方法植入自主研发的组件参数计算程序形成KYLIN-II-RRPT和KYLIN-II-DH，对接自主研发的接口截面拟合程序PACFAC和堆芯程序CORCA-3D，打通栅元、组件到堆芯的整体计算流程，形成两套弥散颗粒堆芯工程化数值模拟计算程序。构建栅元、组件和堆芯三个级别的验证例题，通过与蒙卡程序颗粒模型燃耗计算基准解对比发现，本课题提出和研究的两种双重非均匀确定论计算方法具有相对较高的计算精度，可用于弥散颗粒燃料及可燃毒物的设计计算。.