Acceleration Method and Verification of Theoretical Calculation of Irradiation Supervision for Pressurized Water Reactor
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摘要: 为了改善传统压水堆辐照监督理论计算方法中需要多次物理建模和粒子输运计算及计算效率低的问题，本文基于蒙特卡罗（MC）方法和离散纵标（SN）方法耦合的正向权重一致共轭驱动重要性抽样（FW-CADIS）方法，建立了针对压力容器辐照监督管中子注量计算的加速方法。在某CPR1000机组中开展了计算精度和计算速度的影响因素研究，验证了该方法在不同堆芯参数下的适用性，给出了SN输运模拟参数的建议值；在某CPR1000机组中开展了验证与确认，结果表明，该方法与直接MC方法相比，中子注量率计算的品质因子（FOM）提高约95~181倍；中子注量计算结果与实测测量值的相对偏差不超过8%。因此，本文研究的辐照监督理论计算方法可以较好地提高该问题的计算效率，同时满足工程应用中的计算精度要求。
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关键词:
- 中子注量 /
- 辐照监督 /
- 压水堆 /
- 正向权重一致共轭驱动重要性抽样（FW-CADIS） /
- 蒙特卡罗（MC）
Abstract: To address the inefficiency inherent in traditional pressurized water reactor irradiation surveillance theoretical calculation methods, which require multiple physical modeling and particle transport calculations, this study introduces an accelerated approach of neutron fluence calculation for pressure vessel irradiation surveillance capsules. The method is based on the Forward-Weighted Consistent Adjoint-Driven Importance Sampling (FW-CADIS) technique, coupling the Monte Carlo (MC) method with the Discrete Ordinates (SN) method. A comprehensive investigation into the influencing factors of computational accuracy and speed was conducted for a CPR1000 pressurized water reactor, validating the applicability of the proposed method under various core parameters and providing recommended values for SN transport simulation parameters. Verification and validation of the proposed method were performed on a CPR1000 pressurized water reactor. The results show that the Figure of Merit (FOM) of neutron fluence rate calculations is improved by approximately 95 to 181 times compared with the direct MC method, with a relative deviation between the calculated neutron fluence and measured values not exceeding 8%. Consequently, the irradiation surveillance theoretical calculation method presented in this study effectively enhances computational efficiency while meeting the precision requirements for engineering applications.-
Key words:
- Neutron fluence /
- Irradiation surveillance /
- Pressurized water reactor /
- FW-CADIS /
- Monte Carlo (MC)
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图 1 辐照监督加速计算的实现过程
Figure 1. Flow Chart of the Acceleration of Irradiation Surveillance Calculation
图 3 不同角度离散数对收敛速度的影响
Figure 3. Influence of Different Angular Segmentation on Convergence Speed
图 4 不同空间离散尺寸对收敛速度的影响
Figure 4. Influence of Different Spatial Segmentation on Convergence Speed
图 5 直接MC方法与加速方法的收敛速度对比
Figure 5. Convergence Speed Comparison between Direct MC and Acceleration Method
表 1 堆芯参数敏感性分析
Table 1. Sensitivity Analysis of Reactor Core Parameters
参数类型 变化类型 统计误差/% 计算偏差/% 加速方法 直接MC方法 水密度变化 −0.2 g/cm3 0.52 1.04 0.53 −0.1 g/cm3 0.57 1.16 −0.56 0 g/cm3 0.62 1.30 −0.87 0.1 g/cm3 0.69 1.43 0.01 0.2 g/cm3 0.74 1.56 1.05 燃耗分布 第1循环 0.63 1.35 1.18 第2循环 0.63 1.36 1.90 第3循环 0.62 1.35 2.33 第4循环 0.62 1.35 2.54 功率分布 第1循环 0.62 1.30 −0.87 第2循环 0.64 1.33 −1.95 第3循环 0.63 1.29 0.32 第4循环 0.63 1.30 −0.48 能谱 第1循环 0.62 1.30 −0.87 第2循环 0.62 1.31 0.19 第3循环 0.62 1.29 −1.23 第4循环 0.62 1.28 −1.46 瓦特谱 0.63 1.31 −0.60 硼浓度变化 −200ppm 0.62 1.30 1.80 −100ppm 0.62 1.30 0.10 0ppm 0.62 1.30 −0.72 100ppm 0.62 1.29 0.21 200ppm 0.62 1.30 0.83 1ppm=10−6 
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表 2 不同角度离散数对计算结果的影响
Table 2. Influence of Different Angular Segmentation on Calculation Results
角度
离散数SN计算时间/s 模拟粒子数为105 模拟粒子数为107 统计误
差/%中子注量率
偏差/%统计误
差/%中子注量率
偏差/%S2 148 4.76 0.08 0.68 0.49 S4 279 4.49 0.51 0.64 −0.11 S8 718 4.14 −5.56 0.62 0.06 S16 2378 4.23 −3.89 0.63 −0.84
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表 3 不同空间离散尺寸对计算结果的影响
Table 3. Influence of Different Spatial Segmentation on Calculation Results
空间离散
尺寸/cm总网格数 SN计算时间/s 统计误差/% 中子注量率偏差/% 2 4.0×106 19789 0.60 0.38 3 1.2×106 7894 0.62 −0.34 5 2.2×105 2378 0.63 −0.84 10 2.8×104 2407 0.81 0.04 15 1.2×104 2388 1.17 −2.21 20 3.5×103 2841 3.87 −3.09
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表 4 2种方法快中子注量理论计算值的对比
Table 4. Comparison of Theoretical Calculation Values of Fast Neutron Fluence using Two Methods
燃料循环 模拟方法 统计误
差/%计算时
间/hFOM 计算偏
差/%FOM比值 第1循环 直接MC方法 0.47 94.16 6.06 0.63 150 加速方法 0.60 0.38 907.68 第2循环 直接MC方法 0.34 133.86 8.27 1.28 113 加速方法 0.60 0.37 935.59 第3循环 直接MC方法 0.33 229.45 5.16 0.30 181 加速方法 0.60 0.37 932.42 第4循环 直接MC方法 0.46 67.20 8.72 0.90 95 加速方法 0.60 0.43 826.38
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表 5 累积中子注量理论计算值与实测值的对比
Table 5. Comparison between Theoretical Calculated Values and Measured Values of Cumulative Neutron Fluence
探测器位置 能量范围 计算值与实测值偏差/% 直接MC方法 加速方法 上 E>1.0 MeV 6 5 E>0.1 MeV 2 1 中 E>1.0 MeV 6 8 E>0.1 MeV 3 4 下 E>1.0 MeV 8 6 E>0.1 MeV 7 7
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