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        用于乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)分析的截面庫研究

        2022-08-11 13:43:40張麗瑩曹良志王曉霞高桂玲
        輻射防護(hù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:中子通量熱中子核素

        張麗瑩,曹良志,王曉霞,高桂玲

        (1.西安交通大學(xué),西安 710049;2.中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

        乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)是乏燃料組件貯存、運(yùn)輸及后處理等環(huán)節(jié)的重要設(shè)計(jì)輸入源項(xiàng)。乏燃料組件剪切前,端部活化源項(xiàng)是核電廠及后處理設(shè)施中乏燃料貯存水池、轉(zhuǎn)運(yùn)水池輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的輸入源項(xiàng);乏燃料組件剪切后,端部活化源項(xiàng)是后處理設(shè)施中垂直雙蓋密封轉(zhuǎn)運(yùn)容器、α廢物和高放廢物整備熱室、廢物貯存設(shè)施輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的輸入源項(xiàng);乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)所用的運(yùn)輸容器,其耳軸處為輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),也是容器裝載能力的決定性短板,而此處主要受乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)影響。

        國(guó)內(nèi)外關(guān)于乏燃料組件源項(xiàng)研究工作,主要集中于對(duì)乏燃料組件中裂變產(chǎn)物、錒系核素的精確分析研究,對(duì)于乏燃料組件上下端部的活化源項(xiàng)分析研究較少。目前,國(guó)內(nèi)外廣泛采用的乏燃料組件活化源項(xiàng)分析方法主要基于點(diǎn)燃耗程序。決定活化產(chǎn)物含量的因素有被輻照材料的核素組成及含量、中子通量、反應(yīng)截面等。被輻照材料的核素組成及含量可以準(zhǔn)確地獲取,中子通量一般由反應(yīng)堆物理程序計(jì)算給出,此時(shí)截面庫的精度成為影響活化源項(xiàng)計(jì)算精度的主要原因。受限于分析工具,前期主要采用較為粗糙的現(xiàn)成截面庫,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過于保守,后端經(jīng)濟(jì)性有待提高。為進(jìn)一步提高計(jì)算精度,亟需開展乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)的精細(xì)化分析研究工作,提高源項(xiàng)輸入的精度,挖掘容器裝載能力、提升容器運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

        1 乏燃料組件活化源項(xiàng)計(jì)算截面庫

        點(diǎn)燃耗程序可用于乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)分析的截面庫主要有四類:活性區(qū)截面庫、熱中子截面庫、組合截面庫和問題相關(guān)截面庫,部分為程序自帶,部分需要使用者自制。

        1.1 活性區(qū)截面庫

        基于典型熱中子反應(yīng)堆堆芯活性區(qū)燃料組件及運(yùn)行信息計(jì)算出來的活性區(qū)點(diǎn)通量數(shù)據(jù)(如圖1所示,其中歸一化中子通量為相應(yīng)能量區(qū)間的中子通量數(shù)據(jù)與總中子通量數(shù)據(jù)的比值),將連續(xù)能量核評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫中的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行并群,產(chǎn)生單群中子活化反應(yīng)截面庫。目前點(diǎn)燃耗計(jì)算程序ORIGEN-2[1-2]的219、220、221庫即為基于此種計(jì)算方法生成的。

        圖1 用于并群處理的活性區(qū)中子權(quán)重譜[3]

        1.2 熱中子截面庫

        上下端部主要的劑量率貢獻(xiàn)核素均為(n,γ)反應(yīng)產(chǎn)生,對(duì)其影響較大的為熱群中子截面。因此考慮熱中子截面庫,能量為0.025 3 eV的中子對(duì)應(yīng)的截面值。目前點(diǎn)燃耗計(jì)算程序ORIGEN-2的201、202、203庫即為基于此種方法生成。

        1.3 組合截面庫

        將上述兩種截面庫相結(jié)合,生成三群截面庫,即0.625 eV以下的熱中子群、0.625 eV到1 MeV的共振群和1 MeV以上的快群。熱中子截面庫存儲(chǔ)的是中子能量為0.025 3 eV時(shí)對(duì)應(yīng)的各核素截面值;共振能群和快群的截面是基于典型輕水堆燃料計(jì)算出來的點(diǎn)通量數(shù)據(jù)(圖1),將連續(xù)能量核評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫中的截面數(shù)據(jù)并群為共振群和快群截面??赏ㄟ^截面權(quán)重因子THERM、RES和FAST對(duì)截面進(jìn)行調(diào)整。RES為共振群中子通量與熱群中子通量的比值,F(xiàn)AST為快群中子通量與熱群中子通量的比值。THERM因子可調(diào)整熱群中子截面進(jìn)而給出熱群(0~0.625 eV)的平均中子截面。THERM完全取決于計(jì)算所考慮問題的熱中子權(quán)重譜。THERM定義為按照1/v律變化的熱群中子截面的平均值,當(dāng)中子能量為0.025 3 eV時(shí)的截面值設(shè)為1靶:

        (1)

        式中,φE為E能量點(diǎn)處的通量;σ(1/v)E為E能量點(diǎn)處的中子微觀截面;φth為總的熱中子通量。

        對(duì)于熱群中子能譜未知的問題,可以通過Westcott模型用慢化劑溫度估算能譜的近似方法,定義THERM:

        (2)

        式中,T為燃料組件運(yùn)行溫度。THERM、RES和FAST三個(gè)值確定后,把三個(gè)群截面加權(quán)后加起來,得到單群有效截面σeff,這個(gè)截面即可用于基于熱中子通量的反應(yīng)率的計(jì)算:

        σeff=THERM×σ0.0253+RES×σres+

        FAST×σfast

        (3)

        式中,σ0.0253= 0.025 3 eV處的中子微觀截面;σres= 0.625 eV~1 MeV的共振群平均截面;σfast= 1 MeV以上的快群平均截面。

        1.4 問題相關(guān)截面庫

        采用組件參數(shù)計(jì)算程序APOLLO-II[4](APOLLO-II軟件通過對(duì)燃料組件進(jìn)行建模,可完成燃料燃耗計(jì)算,得到不同燃耗深度下各種同位素的核素密度和微觀截面數(shù)據(jù)庫)、堆芯模型化和分析程序SCIENCE-SMART[5](SCIENCE是一款源自法國(guó)的壓水堆堆芯物理計(jì)算程序系統(tǒng),SMART為其系統(tǒng)內(nèi)用于計(jì)算三維堆芯運(yùn)行的子程序)和蒙特卡羅方法,基于平衡循環(huán)堆芯平均的上下端部及包殼活性區(qū)中子通量數(shù)據(jù)[6],計(jì)算單個(gè)燃料組件上下端部的多群中子通量(本次研究采用238群)。利用238群中子通量對(duì)基于JEFF-3.0/A核評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫加工得到的238群的中子活化截面數(shù)據(jù)庫進(jìn)行進(jìn)一步的并群處理,自制精細(xì)化的問題相關(guān)截面庫[7],供點(diǎn)燃耗計(jì)算程序使用,制作流程如圖2所示。

        圖2 問題相關(guān)截面庫制作及分析方法

        2 用于同一問題計(jì)算

        本節(jié)針對(duì)235U初始富集度為4.45 wt%,最大燃耗深度為55 000 MWd/tU的AFA-3G組件,基于點(diǎn)燃耗程序,分別采用上述4種截面庫進(jìn)行上端頭活化源項(xiàng)分析。其中上端頭材料組分、中子能譜/通量數(shù)據(jù)等均采用相同的輸入條件,中子通量采用基于物理程序計(jì)算的238群中子通量,各群中子通量參數(shù)列于表1。4個(gè)算例主要輸入?yún)?shù)列于表2。

        表1 各群中子通量數(shù)據(jù)

        表2 各算例中子通量及截面庫輸入

        3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        選擇上端頭冷卻5年后主要放射性核素活度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,列于表3。

        表3 上端頭活化源項(xiàng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比(Bq/t)

        從表3可知,在材料組成、中子通量等輸入?yún)?shù)相通的情況下,三種核素的源項(xiàng)比活度計(jì)算結(jié)果有如下規(guī)律:熱中子截面庫>組合截面庫>問題相關(guān)截面庫>活性區(qū)截面庫。

        3.1 相對(duì)于總中子通量的有效截面

        表4 相對(duì)于總中子通量的有效截面(b)

        由表4可知,三種核素的主要產(chǎn)生有效截面也有相同規(guī)律,熱中子截面庫>組合截面庫>問題相關(guān)截面庫>活性區(qū)截面庫,即在采用同一套中子通量數(shù)據(jù)的前提下,總有效截面的差異直接導(dǎo)致三種核素產(chǎn)生量的計(jì)算差異。

        3.2 有效截面與NJOY程序計(jì)算截面的相對(duì)偏差

        基于ENDF B-VII評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫,采用NJOY[8]核數(shù)據(jù)處理程序并群為238群反應(yīng)截面,再由基于堆芯物理程序計(jì)算的238群中子通量進(jìn)行二次并群處理得到單群截面,此種精細(xì)化截面制作方法制作的截面庫相對(duì)更為準(zhǔn)確。得到表4中三種主要核素的反應(yīng)截面后,將其作為基準(zhǔn),上述四種有效截面與之進(jìn)行對(duì)比,有效截面與NJOY程序截面的相對(duì)偏差列于表5。相對(duì)偏差計(jì)算方法為:

        表5 四種截面相對(duì)于NJOY計(jì)算截面的相對(duì)偏差

        (4)

        式中,σcal-n為各算例相對(duì)于總中子通量的有效截面;σnjoy為NJOY程序計(jì)算的單群截面值。

        由表5可知,問題相關(guān)截面庫與NJOY程序計(jì)算截面偏差最小,活性區(qū)截面庫和熱中子截面庫偏差均較大。

        3.2.1活性區(qū)截面庫

        活性區(qū)截面庫為基于相應(yīng)堆型的典型燃料組件及運(yùn)行信息計(jì)算出來的活性區(qū)點(diǎn)通量數(shù)據(jù)將連續(xù)能量核評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫中的截面數(shù)據(jù)并群產(chǎn)生單群截面。上下端頭與活性區(qū)中子通量的分布對(duì)比如圖3所示,由圖可知,活性區(qū)快中子通量明顯高于上下端頭區(qū)域,具體對(duì)比數(shù)值列于表6。由于活性區(qū)截面庫考慮的是活性區(qū)的中子譜,而堆芯活性區(qū)、上端頭、下端頭的中子能譜分布相差很大,因此采用活性區(qū)截面庫將會(huì)引入較大的計(jì)算誤差。且由于活性區(qū)的熱中子通量占比較少,如圖3及表6所示,當(dāng)采用活性區(qū)中子能譜進(jìn)行并群處理時(shí),與上下端頭的實(shí)際情況相比,弱化了熱中子的貢獻(xiàn),對(duì)于以(n,γ)反應(yīng)為主要放射性核素來源且熱中子通量實(shí)際占比較高的上下端頭來說,是不準(zhǔn)確的且會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小。因此,進(jìn)行上下端頭活化計(jì)算選擇活性區(qū)截面庫將會(huì)帶來較大的計(jì)算誤差。

        圖3 上下端頭與活性區(qū)中子通量的分布對(duì)比

        表6 上下端部與活性區(qū)中子通量的對(duì)比

        3.2.2熱中子截面庫

        熱中子截面庫,中子通量采用熱中子通量(能群邊界為0.625 eV),不考慮共振群和快群中子通量的貢獻(xiàn)。但經(jīng)分析可知,該種計(jì)算方法相對(duì)于總中子通量的有效截面大很多,導(dǎo)致以(n,γ)反應(yīng)為主的核素活度計(jì)算結(jié)果整體偏大。對(duì)于主要貢獻(xiàn)放射性核素,選擇較大的截面能彌補(bǔ)沒有考慮共振群和快群中子帶來的誤差,但終究截面與通量對(duì)應(yīng)關(guān)系太差,依然存在較大的計(jì)算誤差。

        3.2.3組合截面庫

        組合截面庫對(duì)熱中子通量進(jìn)行THERM因子修正,得到熱群的平均截面,因此相對(duì)于熱中子截面庫來說中子截面更小,同時(shí)也更真實(shí)。而通過分析初始富集度4.45 wt%、卸料燃耗55 000 MWd/tU燃料組件上下端頭及活性段中子通量分布(如圖3所示),活性區(qū)的共振群及快群中子占比明顯高于上下端頭區(qū)域,熱群中子占比則低于上下端頭區(qū)域。采用活性區(qū)的中子能譜對(duì)基礎(chǔ)連續(xù)能量核數(shù)據(jù)庫進(jìn)行并群處理得到的共振群截面和快群截面,顯然會(huì)大于采用上下端頭區(qū)域的中子能譜進(jìn)行并群處理得到的共振群截面和快群截面結(jié)果。也即,采用組合截面庫計(jì)算上下端頭活化源項(xiàng),相對(duì)于問題相關(guān)的截面數(shù)據(jù),結(jié)果是偏保守的。

        3.2.4問題相關(guān)截面庫

        問題相關(guān)截面庫為采用問題相關(guān)的238群中子能譜,對(duì)基于JEFF-3.0/A核評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫加工得到的238群的中子活化截面數(shù)據(jù)庫進(jìn)行進(jìn)一步的并群處理,得到的單群截面。計(jì)算條件更具有針對(duì)性,有效截面與NJOY程序計(jì)算截面的相對(duì)偏差很小,因此計(jì)算結(jié)果也更為準(zhǔn)確。

        3.3 推薦分析方法

        基于上述分析可知,采用問題相關(guān)中子能譜對(duì)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)截面進(jìn)行并群處理的精細(xì)化分析,得到的反應(yīng)截面更加真實(shí),因此計(jì)算結(jié)果最接近真實(shí)情況,因此推薦采用精細(xì)化分析進(jìn)行乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)分析。首先使用組件參數(shù)計(jì)算程序、堆芯模型化分析程序、蒙特卡羅計(jì)算程序等,計(jì)算燃料組件上下端部的多群中子通量,之后采用預(yù)制多群截面數(shù)據(jù)庫及上述多群中子通量,生成問題相關(guān)的截面庫,進(jìn)行活化計(jì)算,并給出上下端部及包殼部位的活化源項(xiàng)。

        4 結(jié)論與建議

        本文針對(duì)乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)分析較為粗糙導(dǎo)致結(jié)果偏保守的問題,開展了乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)的精細(xì)化分析研究工作,基于本文的分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

        (1) 在材料組成、中子通量等輸入相同的情況下,截面庫是導(dǎo)致不同軟件計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的主要原因;

        (2) 基于組件及堆芯計(jì)算程序得到的多群中子通量數(shù)據(jù),制作了精細(xì)化的問題相關(guān)截面庫,該截面庫用于上下端部活化源項(xiàng)計(jì)算的準(zhǔn)確性相對(duì)于原有的活性區(qū)截面庫和熱中子截面庫均有了較大提高;

        (3) 采用熱中子截面庫得到的計(jì)算結(jié)果最為保守,但導(dǎo)致的后端防護(hù)設(shè)計(jì)壓力較大;基于精細(xì)化分析得到的問題相關(guān)截面庫,計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確;

        (4) 截面庫的使用推薦優(yōu)先級(jí):?jiǎn)栴}相關(guān)截面庫>組合截面庫>熱中子截面庫和活性區(qū)截面庫。

        此外,目前我國(guó)核電廠及后處理廠已經(jīng)積累了較多的乏燃料組件貯存、運(yùn)輸及處理經(jīng)驗(yàn),建議設(shè)計(jì)單位、核電廠運(yùn)行業(yè)主、后處理廠運(yùn)行業(yè)主等聯(lián)合開展相關(guān)研究,進(jìn)行乏燃料組件上下端部活化源項(xiàng)測(cè)量及相關(guān)參數(shù)的收集工作,以對(duì)軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證分析。

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