海洋核動力平臺壓力容器快中子注量分析優化

李龍 吳曉春

摘 ? 要：反應堆壓力容器的快中子注量計算在反應堆壽命評估中具有非常關鍵的作用。針對海洋核動力平臺反應堆燃料管理相對簡單、控制棒排布及計算較為復雜等特點，采用全蒙卡方法對壓力容器快中子注量進行計算分析。對設計中壓力容器最大快中子注量的主要影響因素，如熱屏、反射層厚度和吊籃等進行了分析評估。在此基礎上確定了設計優化方案 ，并對壓力容器40年壽期快中子注量分布進行了詳細計算。

關鍵詞：海洋核動力平臺 ?壓力容器 ?快中子注量 ?蒙特卡羅方法

中圖分類號：TL32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0118-04

海洋核動力平臺可以為渤海灣海上石油鉆井平臺提供電力。壓力容器是海洋核動力平臺反應堆的不可更換部件，由快中子引起的輻照脆化是限制壓力容器壽命的最重要因素。壓力容器的壽命主要取決于能量高于0.1 MeV的快中子對其的輻照效應，而能量高于1 MeV的快中子對材料輻照損傷脆化起主導作用。在反應堆壓力容器脆化程度評估中，快中子注量計算發揮著重要作用，其計算的準確性一直是業內人士關注的焦點。

1 ?海洋核動力平臺反應堆堆芯概述

海洋核動力平臺反應堆堆芯是海洋核動力平臺的重要組成部分，是為系統提供裂變熱能的核心裝置。堆芯采用235U富集度為3%左右的UO2作為燃料，輕水作為冷卻劑和慢化劑。反應堆屬于熱中子壓水型反應堆。海洋核動力平臺反應堆堆芯活性區高徑比接近于1：1，為六角形柵格布置，如圖1所示。堆芯包括三類組件：含可燃毒物組件、含控制棒組件以及純燃料組件。

2 ?計算方法及程序

2.1 傳統計算方法概述

國際上目前用于反應堆壓力容器中子注量的計算方法包括離散坐標方法和蒙特卡羅方法。前者歷經了從ANISN、DOT 到DORT 的發展過程;后者隨著計算機技術的高速發展而逐漸得到廣泛的應用，MCNP 是蒙特卡羅方法中是其最具代表性的計算程序。而配套的核數據大多基于ENDF/B 系統，到目前為止，已發展到ENDF/B-Ⅶ。

根據NRC RG 1.190的規定，一般核電站壓力容器快中子注量的計算可分為源分布計算、固定源下的中子輸運計算及三維中子注量率的合成這3個主要環節。要核電站壓力容器的計算快中子注量，首先要了解堆芯發生裂變反應釋放出中子的數量和能譜，然后根據反應堆內部的結構和材料，計算出最終能輸運到壓力容器處快中子的數量。所以完成這一復雜的計算過程，需要同時應用燃料管理程序與中子輸運程序，前者根據核電廠的運行歷史，例如堆芯裝載方案、功率水平等參數，計算出單位時間反應堆各處發生裂變反應釋放出中子的數量和能量，將反應堆轉換為一個復雜的，但是已知的中子源模型，而后者根據這一個中子源模型，結合反應堆的結構、尺寸和材料，利用可靠的核截面數據庫，通過輸運計算得到壓力容器處快中子注量。

離散坐標方法在過去的40年中一直是該領域研究的主要方法。離散坐標方法的最大優點在于其計算效率高，且能較好地完成深穿透的粒子輸運計算。作為不同的研究方向，蒙特卡羅程序稍晚于離散坐標程序面世。但其廣泛應用得益于近年來計算機技術的高速發展。蒙特卡羅程序在復雜結構的精細描述上的優勢是離散坐標程序所無法比擬的，且其三維計算功能可以輸出任意位置的精確記錄值。但作為蒙特卡羅程序的固有屬性，其計算效率明顯偏低。國際上可用于進行中子輸運的蒙特卡羅程序有MCNP/MCNPX、MVP、KENO、MCBEND、MCU等等，其中能力最強，使用的最廣泛的是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發的MCNP程序。

2.2 計算程序及方案

計算采用日本原子能機構（JAEA）研發的蒙特卡羅輸運程序——MVP。程序采用體組合的方式描述幾何模型，具有精確描述復雜三維幾何結構的能力。另外，MVP通過與BURN模塊的耦合可計算時間相關的燃耗問題。

由于海洋核動力平臺（1）采用全堆換料的方式，燃料管理計算較為簡單重復;（2）堆芯內控制棒組件較多，控制棒的幾何運動模擬較為復雜;（3）堆型相對于一般的核電站壓水堆要小很多，因此本次計算嘗試采用全蒙卡模擬的方法進行計算。將源分布計算、固定源下的中子輸運計算及三維中子注量率的合成在包含燃耗計算功能的蒙卡程序內直接計算完成。

計算中的時間和空間因素分別按以下方式考慮。

時間：按全壽期500 EFPD進行計算，每30EFPD為一個時間步長，每個時間步長初期調節控制棒臨界棒位，計算每個步長初的快中子注量率作為該步長內的平均快中子注量率，最后累積計算全壽期內能量大于1MeV的快中子注量。

軸向H：軸向上將活性區部分壓力容器分為14段，每段10cm。

周向θ：周向上按全堆及控制棒對稱性，選取1/3堆芯，即120°角度范圍內壓力容器進行計算，每5°為一段。周向分段劃分模型見圖2。

3 ?計算結果及分析

3.1 反射層厚度和吊籃對壓力容器快中子注量的影響

首先對反射層厚度（通過壓力容器內半徑體現）及吊籃厚度的影響進行了比較分析，計算結果見表1。從計算結果可以看出，作為反射層的水的厚度對最大快中子注量的影響非常大，隨水層厚度增加，快中子注量迅速下降;吊籃厚度對快中子注量也有一定影響，相對較小，快中子注量隨吊籃厚度增加而降低;另外，從兩個同樣厚度不同位置方案結果可以看出，吊籃更靠近壓力容器時，快中子注量更大，但兩者差別很小。