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中国实验快堆基准题建模计算
2020-02-11   审核人:

需求背景

中国实验快堆(CEFR-China Experimental Fast Reactor)是中国第一座实验快堆,以PuO2-UO2为燃料,初始循环装料UO2,液态金属Na为冷却剂。其设计热功率65 MW,发电功率为20 MW。2010-2011年,CEFR进行了启动物理试验并发布了针对临界、控制棒价值、反应性系数评估的基准题。

CEFR具有体积小、结构紧凑、不均匀性强的特点。由于模型基于真实实验堆,结构上相对复杂,在建模上有一定难度。堆芯结构如图1所示,由于组件排布不对称,需要对整个堆芯计算。此外,在试验的过程中,控制棒的棒位频繁调整,使堆芯计算的建模工作量较大。

CEFR启动物理试验包含临界、控制棒价值、钠空泡反应性、温度反应性、替换反应性一系列实验。其中,临界试验相对独立,而三个反应性试验的数据处理都需要使用到控制棒的价值,控制棒价值的计算或测量是贯穿整个试验的重要环节。

图1 CEFR 堆芯示意图

解决方案

SARAX基于中子输运方程的求解,增加SN的阶数使离散误差减小,克服该堆型的强非均匀性带来的问题。采用CMFD加速和小规模并行,以及程序结构优化,在保证精度的同时将计算时间控制在可接受范围。组件建模采用等效面积原则,将复杂的组件结构转化成同心圆结构,既保留了组件特征也简化了模型。堆芯建模则还原完整堆芯的布置,对712个组件分38层,生成712*38个节块。对于控制棒频繁动作的问题,SARAX在堆芯建模时,分别构造固定结构和运动结构,通过步距、步数、初始位置参数确定棒位,简化改变棒位的操作。

在组件计算中,SARAX-TULIP可以计算均匀材料和一维非均匀材料。在计算均匀模型时,将各种材料按照体积份额均匀到整个组件中。在计算非均匀模型时,按照面积等效的原则,把燃料棒、包壳、钠冷却剂转换成同心圆环。对于均匀和非均匀模型,都要对组件在轴向上分层。以燃料组件为例,如图1所示,对一些微小结构进行简化使计算具有可行性。

图2 组件建模简化

应用结果

CEFR基准题第一部分的临界计算基于燃料的装载过程。堆芯可以容纳燃料组件79组,在装料之前,燃料组件位置由不含燃料的mock-up组件占位,装料过程中按照既定顺序依次替换,在装入第72组时达到并超过临界,需要用控制棒调节至临界。SARAX程序对装料过程进行了全程模拟。其中,超临界后通过调节棒调整临界的计算结果与实测值对比结果如图2所示。通过与实测值的对比可见,SARAX在临界计算中不仅结果准确,而且误差稳定,控制在150pcm左右。

基准的第二部分是对组件出现空泡带来的反应性变化的预测。具体为,在活性区选取若干燃料组件,分别替换成不含钠的组件,将替换前后的有效增殖因子做差获得空泡反应性。计算值与测量值对比结果见图3。空泡组件位置在图中由左至右对应堆芯中由中心至边缘的五个位置,空泡反应性为负值,绝对值由左至右呈减小趋势。对比可见,SARAX在预测空泡反应性系数中具有结果可靠、系统误差稳定的特点,最大误差处的偏差也控制在8.2pcm以内。

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对控制棒价值的测定是贯穿CEFR启动物理试验的重要部分。堆芯中有8个控制棒,分别为2个调节棒(RE)、3个补偿棒(SH)、3个安全棒(SA),按照功能和落棒规律进行分组,分别试验。计算结果与实测值的对比如图4所示。计算值落在测量值的误差范围内。

除基准题要求的控制棒价值预测以外,还需要对控制棒在不同高度处的微分价值、积分价值进行测定,拟合出价值曲线,如图5所示,以用于后续各种反应性的测定。为使拟合更加准确,需要选取尽量多的测量点。SARAX在堆芯计算中将固定结构和移动结构分别定义的特点使此过程的工作量降低,从而可以采取较小的步长,得到更准确的价值曲线。利用已有的控制棒价值,对基准题中提出的其它反应性试验进行预测,如温度反应性系数。计算值得出升温过程温度反应性系数与实测值偏差为0.5 pcm/K,小于实测值的不确定度±0.6pcm/K,吻合较好。

通过使用SARAX对CEFR启动物理试验基准题的计算,验证了SARAX在解决此类小体积、非均匀性强的快中子反应堆的临界计算问题上具有先进性。SARAX的建模方式可以适应此类控制棒频繁动作的需求,一定程度上降低使用者的工作量。从计算结果与参考值的对比分析中可以得出,SARAX具有计算结果准确、系统误差稳定的优势,在指导工程实践中具有良好的应用前景。


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