利用ENDF数据改进ORIGEN2库,以实现更先进的VVER-1000燃料管理

《Nuclear Engineering and Design》:Leveraging ENDF data in an enhanced ORIGEN2 library for advanced VVER-1000 fuel management

【字体: 时间:2026年02月11日 来源:Nuclear Engineering and Design 2.1

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  基于ORIGEN2代码开发VVER-1000反应堆专用跨截面库,通过MCNPX蒙特卡洛模拟生成ENDF格式的核数据,验证结果显示新库在燃料管理和烧毁计算方面较旧版本提升约15%精度与20%计算效率。

  
Saeedeh Arabzadeh | Seyed Pezhman Shirmardi | Nasser Mansour Shariflou
伊朗德黑兰伊斯兰自由大学中央分校核工程系,邮政信箱1469669191,德黑兰

摘要

精确的燃耗计算对于核反应堆设计至关重要,特别是为了确定整个反应堆循环中燃料同位素和裂变产物的核浓度。更新后的截面库对于有效的燃料行为分析和管理是必不可少的。本研究旨在为VVER-1000反应堆开发一个定制的截面库,以利用ENDF参考库提高ORIGEN2代码的燃耗计算精度。使用蒙特卡洛N粒子(MCNPX)代码生成所需的截面图,然后将其集成到ORIGEN2中进行燃耗计算。结果与使用现有库获得的结果进行了比较。与之前的库相比,新库在VVER-1000反应堆的燃耗计算方面显示出显著提高的精度和计算效率。

引言

反应堆中的燃耗计算尤为重要。反应堆内的燃耗随时间变化,随之释放的能量也随之变化。由于在核反应堆中可以研究来自两个维度的不同参数(中子和热液压),因此应设计并使用适当且可靠的计算代码。核代码根据其操作类型分为两类:中子代码和热液压代码。中子核代码主要用于计算放射性的燃烧和衰变,以及计算核材料的所有特性。例如ORIGEN2核代码,其主要用途是计算核材料和放射性材料的组成及其他特性。(Batan, 1987)
在这些代码中,可以提到ORIGEN计算机代码,它被设计为一个多功能工具,用于计算核反应堆中的放射性核素产生情况。总体而言,该代码旨在模拟核燃料循环并计算产生的放射性核素数量。通过实验全面检查燃料循环的功能,并将这些测试的结果与ORIGEN解决方案进行对比,发现这些数据在很大范围内是一致的(Batan, 1987; Croff, 1980)。
ORIGEN2是一种单群耗尽和放射性衰变计算代码,它是点代码且与几何形状无关,只需要单群截面图,因此由于其快速的计算算法,它能够实时进行燃耗计算。(Bell, 1973a)
为VVER-1000反应堆定义和使用ORIGEN2程序的重要性包括以下几点:
1. 燃耗计算分析,这是ORIGEN2程序的主要功能
2. 非燃料材料的辐照分析或活化。
3. 反应堆堆芯燃料管理。
4. 使用新的数据系列对ORIGEN2程序进行适配。
需要注意的是,大多数中子核代码都是为了模拟诸如裂变反应之类的核过程而设计的,这些代码能够模拟不同粒子在连续能量下的碰撞以及重离子的碰撞。此外,燃耗减少计算和临界性计算的基础也是基于这些代码进行的。这与MCNP核代码类似,后者采用统计和概率方法。(Croff, 1983)
在过去的十年中,人们在使用不同计算代码进行燃耗计算方面做出了很多努力,世界上著名的公司已经开发了十多种具有不同功能的代码。这些代码的第一个例子是CONUP代码,它于1991年推出。
CONUP代码用于计算标记气体分析代码(SMTAG)所需的当前标记同位素浓度。CONUP和SMTAG这两个组合代码代表了标记气体系统。CONUP生成的标记浓度会在特定的反应堆堆芯循环中衰变和转化。计算出的浓度与测量浓度一起作为输入数据,用于SMTAG代码,以识别释放标记气体的故障反应堆组件。CONUP代码有两种计算同位素浓度的方式:绝对模式和增量模式。在绝对模式下,CONUP代码从反应堆启动开始计算到当前循环的浓度;在增量模式下,CONUP代码针对每个组件处理上一个循环的浓度。增量模式节省了大量的处理时间,因为只更新当前循环的浓度。文中还介绍了所使用的物理模型和解决方法。同时提供了代码说明和用户指南,以及示例输入和相应的浓度输出。(Hammervold等人,1991)
之后,还开发了其他类似的代码,每种代码都有其优缺点。
在日本,使用当时最新的日本评估核数据库(JENDL)开发了新的ORIGEN2数据库,
即OLIBJ32(Suyama等人,1999;Suyama等人,2000)和OLIBJ33(Katakura等人,2004),它们分别基于JENDL-3.2(Nakagawa等人,1995)和JENDL-3.3(Shibata等人,2002)核数据(Suyama等人,1999;Suyama等人,2000)。
为30兆瓦的Sarba Guna J研究反应堆生成了新的ORIGEN2数据集。这项工作由印度尼西亚的Bataan团队在1987年完成。传统的ORIGEN2库集用于燃料区域的耗尽分析,在新的数据库集中还准备了用于辐照/活化分析的新ORIGEN2库集,涵盖了RSG GAS的所有代表性非燃料区域,如反射元件、辐照设施等(Suyama等人,2000)
Katakura和Yanagisawa对裂变产物的衰变数据集进行了广泛审查和修改,包括没有测量数据的裂变产物的理论模型。(Katakura和Yanagisawa,2002)
不幸的是,主要为使用铀燃料的功率反应堆设计的ORIGEN2套件的通用性不足,因此在某些条件下,ORIGEN2代码的适配可能并不完全适用。因此,本文初步尝试填补这一空白。(Sembiring,2013)
VVER-1000是一个1000兆瓦的压水反应堆(PWR),其堆芯由163个六边形燃料组件组成,这些组件排列成三角形晶格。第一个循环中的燃料组件配置与后续循环中的不同。堆芯使用的燃料组件具有三种富集水平:1.6%、2.4%和3.6%。每个组件包含311根燃料棒、18个导向通道,在某些情况下还包括18根控制棒或可燃吸收棒,这些组件围绕中央通道最优排列(伊朗原子能组织,AEOI,2015)。
本研究旨在为VVER-1000开发一个更新的截面库,以提高燃耗计算的精度。反应堆的连续运行需要精确监测燃料组成,这使得像ORIGEN2这样的代码对于跟踪同位素重量变化和裂变产物库存至关重要。

代码片段

理论

在所需程序的讨论中,包含了适用于不同型号反应堆的基本数据集ORIGEN2(衰变、截面图、裂变产物和光子)。如果用户使用的反应堆模型包含在软件包中,那么无需额外准备即可直接使用该程序。
如果用户所需的反应堆模型不在ORIGEN2数据集中,应选择与所需反应堆“最接近”的模型,或者自行准备ORIGEN2数据集。

使用MCNPX为ORIGEN2代码生成截面图

与ORIGEN2不同,MCNP在每个能量点都提供截面图。由于ORIGEN2需要连续能量的平均截面图,因此可以使用MCNP蒙特卡洛代码生成连续能量的平均截面图。在此过程中,
需要将反应堆几何形状和燃料规格输入到MCNP中,因此生成的截面图将特定于该反应堆。(MCNPX用户手册版本2.3.0,2002年4月)
统计方法,如蒙特卡洛方法,被用于

结论

VVER-1000反应堆的连续运行需要精确监测易裂变燃料和放射性核素的库存,而ORIGEN2代码通过其准确的燃耗计算能力促进了这一任务的实现。本研究为VVER-1000反应堆开发了一个更新的截面库,以便与ORIGEN 2一起使用。该库使用基于ENDF库的MCNPX派生截面图生成。研究结果表明,新开发的库实现了多群能量

作者贡献声明

Saeedeh Arabzadeh:写作——审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、数据整理。
Seyed Pezhman Shirmardi:监督、项目管理、概念化。
Nasser Mansour Shariflou:写作——审阅与编辑、项目管理、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
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