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OpenMC-PARCS快堆两步法临界和燃耗计算模型开发及初步验证

扈恒霖 张广春 肖鹏 夏榜样 王连杰

扈恒霖, 张广春, 肖鹏, 夏榜样, 王连杰. OpenMC-PARCS快堆两步法临界和燃耗计算模型开发及初步验证[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 250-259. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0250
引用本文: 扈恒霖, 张广春, 肖鹏, 夏榜样, 王连杰. OpenMC-PARCS快堆两步法临界和燃耗计算模型开发及初步验证[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 250-259. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0250
Hu Henglin, Zhang Guangchun, Xiao Peng, Xia Bangyang, Wang Lianjie. Development and Preliminary Verification of OpenMC-PARCS Two-step Criticality and Burnup Calculation Model for Fast Reactors[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 250-259. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0250
Citation: Hu Henglin, Zhang Guangchun, Xiao Peng, Xia Bangyang, Wang Lianjie. Development and Preliminary Verification of OpenMC-PARCS Two-step Criticality and Burnup Calculation Model for Fast Reactors[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 250-259. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0250

OpenMC-PARCS快堆两步法临界和燃耗计算模型开发及初步验证

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0250
基金项目: 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室项目(KFKT-05-FW-HT-20220003)
详细信息
    作者简介:

    扈恒霖(2001—),男,博士研究生,现主要从事核反应堆物理研究,E-mail: 24b902028@stu.hit.edu.cn

    通讯作者:

    张广春,E-mail: gczhang@hit.edu.cn

  • 中图分类号: TL323

Development and Preliminary Verification of OpenMC-PARCS Two-step Criticality and Burnup Calculation Model for Fast Reactors

  • 摘要: 快堆因具有能谱硬、共振现象复杂等特点而无法直接采用压水堆计算模型进行中子学分析。蒙特卡罗(MC)方法使用连续能量中子截面,能够准确模拟快堆中的共振干涉现象,得到精度较高的均匀化少群截面。本文研究了基于MC方法和三角形多项式展开节块(TPEN)方法的OpenMC-PARCS快堆两步法临界和燃耗计算模型,并且以OpenMC一步法计算结果为参考,利用钠冷快堆基准题MET-1000对假设微观截面不变的燃耗计算方案进行初步验证。初始稳态计算时,OpenMC-PARCS两步法堆芯有效增殖因子(keff)偏差约为−104pcm(1pcm=10−5),径向功率分布偏差不大于1%;燃耗计算时,堆芯keff与参考解的最大偏差为591.2pcm,大部分主要核素核子密度偏差不大于1%。初步验证结果表明,OpenMC-PARCS两步法模型有望用于大型金属快堆核设计和燃料管理。

     

  • 图  1  二维单组件模型和超组件模型

    Figure  1.  2D Single Assembly Model and Supercell Model

    图  2  径向反射层模型

    Figure  2.  Radial Reflector Model

    图  3  OpenMC-PARCS快堆两步法稳态计算过程

    Figure  3.  OpenMC-PARCS Fast Reactor Two-step Steady-state Calculation Process

    图  4  OpenMC-PARCS快堆稳态与燃耗计算流程图

    Figure  4.  OpenMC-PARCS Fast Reactor Steady-state and Burnup Calculation Flowchart

    图  5  MET-1000堆芯布置

    Figure  5.  Radial and Axial Arrangement of the MET-1000 Reactor Core

    图  6  MET-1000驱动组件

    Figure  6.  MET-1000 Driver Assembly

    图  7  非均匀两圈超组件模型(左)和等效均匀两圈超组件模型(右)

    Figure  7.  Non-uniform Two-ring Supercell Model (Left) and Equivalent Uniform Two-ring Supercell Model (Right)

    图  8  SPH因子迭代计算流程图

    Figure  8.  SPH Factor Iterative Calculation Flowchart

    图  9  OpenMC计算得到的MET-1000 1/6 堆芯径向功率分布

    Figure  9.  The Radial Power Distribution of MET-1000 1/6 Core Obtained from OpenMC Calculations

    图  10  OpenMC-PARCS计算得到的MET-1000 1/6 堆芯径向功率分布

    Figure  10.  The Radial Power Distribution of MET-1000 1/6 Core Obtained from OpenMC-PARCS Calculations

    图  11  MET-1000 1/6堆芯径向功率相对偏差

    Figure  11.  MET-1000 1/6 Core Radial Power Relative Deviation

    图  12  MET-1000堆芯轴向功率分布及相对偏差

    Figure  12.  Axial Power Distribution and Relative Deviation of the MET-1000 Reactor Core

    图  13  堆芯keff随时间的变化

    Figure  13.  Variation of the keff over Time

    图  14  OpenMC一步法和OpenMC-PARCS两步法之间主要核素核子密度的相对偏差

    Figure  14.  Relative Deviation of the Nuclear Density of Major Nuclides between OpenMC and OpenMC-PARCS

    表  1  MET-1000堆芯名义工作条件

    Table  1.   Nominal Operating Conditions of MET-1000 Reactor Core

    参数名参数值
    反应堆功率/MW1000.0
    冷却剂温度/℃432.5
    结构平均温度/℃432.5
    燃料平均温度/℃534.0
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    表  2  由ECCO-33群简化的24群能群结构

    Table  2.   24-group Energy Group Structure Simplified from ECCO-33

    能群序号 能量上界/MeV 能量下界/MeV 能群序号 能量上界/MeV 能量下界/MeV
    1 1.964033×101 1.000000×101 13 4.086771×10−2 2.478752×10−2
    2 1.000000×101 6.065307×100 14 2.478752×10−2 1.503439×10−2
    3 6.065307×100 3.678794×100 15 1.503439×10−2 9.118820×10−3
    4 3.678794×100 2.231302×100 16 9.118820×10−3 5.530844×10−3
    5 2.231302×100 1.353353×100 17 5.530844×10−3 3.354626×10−3
    6 1.353353×100 8.208500×10−1 18 3.354626×10−3 2.034684×10−3
    7 8.208500×10−1 4.978707×10−1 19 2.034684×10−3 1.234098×10−3
    8 4.978707×10−1 3.019738×10−1 20 1.234098×10−3 7.485183×10−4
    9 3.019738×10−1 1.831564×10−1 21 7.485183×10−4 4.539993×10−4
    10 1.831564×10−1 1.110900×10−1 22 4.539993×10−4 3.043248×10−4
    11 1.110900×10−1 6.737947×10−2 23 3.043248×10−4 1.486254×10−4
    12 6.737947×10−2 4.086771×10−2 24 1.486254×10−4 1.000010×10−11
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    表  3  堆芯反应性效应计算结果

    Table  3.   Core Reactivity Calculation Results

    堆芯参数 OpenMC OpenMC-PARCS 偏差/pcm
    ${k_{{\text{eff}}}}$(提棒工况) 1.030524±0.00003 1.029484 −104±3
    ${k_{{\text{eff}}}}$(插棒工况) 0.867201±0.00003 0.866372 −82.9±3
    $\Delta {\rho _{{\mathrm{CR}}}}$/pcm 16332.3±6 16311.2 −21.1±6
    $\Delta {\rho _{{\mathrm{Doppler}}}}$/pcm −354.9±9 −401.9 −47±9
    $\Delta {\rho _{{\mathrm{Na}}}}$/pcm 2308.4±6 1553.1 −755.3±6
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    表  4  不同燃耗计算模型花费的计算时间

    Table  4.   Computational Time Spent by Different Burnup Calculation Models

    计算模型 组件阶段计算时间/核时 堆芯阶段计算时间/核时 总计算时间/核时
    OpenMC随机
    体积计算
    OpenMC生成
    均匀化群常数
    OpenMC生成微观
    燃耗计算参数库
    接口程序+PARCS堆芯
    扩散计算+组件燃耗计算
    OpenMC一步法 7464.4
    OpenMC-PARCS两步法 0.028 221.573 559.028 0.614 781.24
      注:①OpenMC一步法执行MC全堆输运计算,直接统计总计算时间;②OpenMC-PARCS两步法分阶段统计计算时间。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-15
  • 修回日期:  2025-04-12
  • 刊出日期:  2025-06-15

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