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几何特征参数对四叶形花瓣螺旋燃料棒中子行为影响研究

车勋建 杜德平 王金成 李石磊 孟祥飞 孙建闯 蔡伟华

车勋建, 杜德平, 王金成, 李石磊, 孟祥飞, 孙建闯, 蔡伟华. 几何特征参数对四叶形花瓣螺旋燃料棒中子行为影响研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 10-17. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070068
引用本文: 车勋建, 杜德平, 王金成, 李石磊, 孟祥飞, 孙建闯, 蔡伟华. 几何特征参数对四叶形花瓣螺旋燃料棒中子行为影响研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 10-17. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070068
Che Xunjian, Du Deping, Wang Jincheng, Li Shilei, Meng Xiangfei, Sun Jianchuang, Cai Weihua. Study on the Influence of Geometric Characteristic Parameters on the Neutron Behavior in Four Petal-shaped Helical Fuel Rod[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 10-17. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070068
Citation: Che Xunjian, Du Deping, Wang Jincheng, Li Shilei, Meng Xiangfei, Sun Jianchuang, Cai Weihua. Study on the Influence of Geometric Characteristic Parameters on the Neutron Behavior in Four Petal-shaped Helical Fuel Rod[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 10-17. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070068

几何特征参数对四叶形花瓣螺旋燃料棒中子行为影响研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070068
基金项目: 国家自然科学基金(52306227);东北电力大学博士科研启动基金(BSJXM-2023206)
详细信息
    作者简介:

    车勋建(1985—),男,博士,现主要从事核科学与核技术相关研究,E-mail: chexunjian@neepu.edu.cn

    通讯作者:

    王金成,E-mail: wangjincheng@neepu.edu.cn

  • 中图分类号: TL329

Study on the Influence of Geometric Characteristic Parameters on the Neutron Behavior in Four Petal-shaped Helical Fuel Rod

  • 摘要: 为弥补四叶形花瓣螺旋燃料棒(FPHF)在中子学计算上的不足,进一步确定FPHF几何特征对其中子行为的影响,本文采用DAG-OpenMC构建了FPHF的精确中子学计算模型。从燃料棒直径、截面形状以及螺旋角三个方面研究了FPHF几何特征对中子行为的影响。燃料棒直径取值为3.5、6.3 mm以及9.5 mm;内凹弧与外凸弧比值的取值范围为[0.1, 3.0];螺旋角取值为[360°, 1080°]。结果表明,燃料棒直径从3.5 mm增大至9.5 mm时,FPHF的径向功率峰因子增大了5.15%,中子注量率分布的不均匀程度增加;内凹弧与外凸弧比值从0.1增大至3.0时,裂变反应速率Rf降低了0.19%,有效增殖系数keff下降了441.5pcm(1pcm=10–5);螺旋角对燃料棒的慢化效应以及径向注量率分布的影响可以忽略不计。因此,除燃料棒的螺旋角外,本文研究的燃料棒直径与截面形状对FPHF的中子学特征均有明显影响。

     

  • 图  1  FPHF的中子学计算模型

    Figure  1.  Neutronics Computational Model of FPHF

    图  2  不同D值下模型的中子能谱

    Figure  2.  Neutron Spectrum at Different D Values

    图  3  不同D值的径向快中子与热中子注量率

    Figure  3.  Radial Fast and Thermal Neutron Flux at Different D Values

    图  4  不同C值的燃料棒截面示意图

    Figure  4.  Schematic Diagram of Fuel Rod Section at Different C Values

    图  5  不同C值下模型的中子能谱

    Figure  5.  Neutron Spectrum at Different C Values

    图  6  不同C值的径向快中子与热中子注量率

    Figure  6.  Radial Fast and Thermal Neutron Flux at Different C Values

    图  7  不同C值下中子行为示意图

    Figure  7.  Schematic Diagram of Neutron Behavior at Different C Values

    图  8  不同C值下的裂变可回收能量κ

    Figure  8.  κ Values of Fission Recyclable Energy at Different C Values

    图  9  不同β的FPHF模型

    Figure  9.  FPHF Models at Different β

    表  1  不同D值下的keff以及六因子

    Table  1.   keff and Six Factors at Different D Values

    D/mm keff keff标准差 p ε f η PFNL PTNL
    3.5 1.55410 2.9×10−4 0.62827 1.28971 0.95932 1.99993 0.99999 0.99969
    6.3 1.55765 2.8×10−4 0.61841 1.31450 0.95967 1.99942 0.99990 0.99874
    9.5 1.56914 3.0×10−4 0.62479 1.31570 0.95736 1.99933 0.99965 0.99761
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    表  2  D从3.5 mm增加到9.5 mm后六因子对keff的贡献值

    Table  2.   Contribution Value of the Six Factors to keff for D Value Increasing from 3.5 mm to 9.5 mm

    贡献类型 ΔVp ΔVε ΔVf ΔVη $ \Delta V_{P_{\mathrm{FNL}}} $ $ \Delta V_{P_{\mathrm{TNL}}} $ Δkeff
    贡献价值 −868.0 +3116.0 −318.5 −46.9 −53.3 −325.4 +1503.7
    贡献水平/% −57.7 +207.2 −21.18 −3.1 −3.5 −21.6 +100.0
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    表  3  不同D值的径向功率峰因子Fq

    Table  3.   Radial Power Peak Factor at Different D Values

    D/mmFq
    3.51.0471
    9.51.1010
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    表  4  不同D值下的核反应速率

    Table  4.   Nuclear Reaction Rates at Different D Values

    D/mm Ra Rf Rs $ \alpha = {{R_{\text{γ }}^{{}^{235}{\text{U}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{R_{\text{γ }}^{{}^{235}{\text{U}}}} {R_{\text{f}}^{{}^{235}{\text{U}}}}}} \right. } {R_{\text{f}}^{{}^{235}{\text{U}}}}} $
    3.5 0.96850 0.63563 24.30486 0.23898
    9.5 0.96501 0.64126 24.73698 0.24193
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    表  5  不同C值下的keff以及六因子

    Table  5.   keff and Six Factors at Different C Values

    Ckeffkeff标准差pεfηPFNLPTNL
    0.11.574693.0×10−40.626071.313770.959081.999400.999850.99853
    0.31.573422.9×10−40.625471.314030.959061.999410.999850.99849
    0.61.571762.8×10−40.624461.314600.959191.999380.999840.998514
    0.91.570123.1×10−40.623651.314850.959221.999370.999850.99855
    2.01.566613.0×10−40.621781.315800.959311.999390.999840.99851
    3.01.563813.2×10−40.620691.315970.959231.999390.999830.99843
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    表  6  C值从0.1增加到3.0后六因子对keff的贡献值

    Table  6.   Contribution Value of Six Factors to keff for C Value Increasing from 0.1 to 3.0

    贡献类型 ΔVp ΔVε ΔVf ΔVη $ \Delta V_{P_{\mathrm{FNL}}} $ $ \Delta V_{P_{\mathrm{TNL}}} $ Δkeff
    贡献价值 −550.1 106.4 9.9 −0.4 −2.9 −6.1 −441.5
    贡献水平/% +124.6 −24.1 −2.2 +0.1 +0.6 +1.4 −100.0
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    表  7  不同C值的径向功率峰因子Fq

    Table  7.   Radial Power Peak Factor at Different C Values

    CFq
    0.11.0747
    3.01.0850
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    表  8  不同C值下的核反应速率

    Table  8.   Nuclear Reaction Rates at Different C Values

    CRaRfRs$ \alpha = {{R_{\text{γ }}^{{}^{235}{\text{U}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{R_{\text{γ }}^{{}^{235}{\text{U}}}} {R_{\text{f}}^{{}^{235}{\text{U}}}}}} \right. } {R_{\text{f}}^{{}^{235}{\text{U}}}}} $
    0.10.969120.6447824.538090.24183
    3.00.968220.6435124.501300.24186
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    表  9  不同β值的径向功率峰因子Fq

    Table  9.   Radial Power Peak Factor at Different β Values

    β/(°) Fq
    360 1.0841
    540 1.0915
    720 1.0830
    900 1.0835
    1080 1.0892
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    表  10  不同 β 值下的keff以及六因子

    Table  10.   keff and Six Factors at Different β Values

    β/(°) keff keff标准差 p ε f η PFNL PTNL
    360 1.55977 3.0×10−4 0.61845 1.31665 0.95959 1.99937 0.99985 0.99857
    540 1.55969 3.0×10−4 0.61842 1.31684 0.95951 1.99938 0.99985 0.99849
    720 1.55970 2.7×10−4 0.61844 1.31684 0.95948 1.99937 0.99985 0.99851
    900 1.55937 2.7×10−4 0.61804 1.31737 0.95950 1.99935 0.99984 0.99851
    1080 1.55935 3.0×10−4 0.61830 1.31697 0.95943 1.99937 0.99984 0.99846
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    表  11  不同β值下的核反应速率

    Table  11.   Nuclear Reaction Rates at Different β Values

    β/(°) Ra Rf Rs $ \mathit{\mathit{\alpha}}=R_{\text{γ }}^{^{235}\text{U}}\mathord{\left/\vphantom{R_{\text{γ }}^{^{235}\text{U}}R_{\text{f}}^{^{235}\text{U}}}\right.}R_{\text{f}}^{^{235}\text{U}} $
    360 0.96821 0.63735 24.34101 0.24283
    540 0.96897 0.63821 24.33805 0.24263
    720 0.96785 0.63758 24.37022 0.24256
    900 0.96806 0.63782 24.33916 0.24274
    1080 0.96945 0.63840 24.34675 0.24254
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-31
  • 修回日期:  2024-09-02
  • 刊出日期:  2025-08-15

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