标准压水反应堆（PWR）和WWER-1000堆芯燃料组件中主要中子参数的敏感性分析，针对共振自屏蔽处理方法以及截面库的影响

《Nuclear Engineering and Design》：Sensitivity analysis of main neutronic parameters of standard PWR and WWER-1000 pin cells to resonance self-shielding treatment methods and cross section libraries

本文通过DRAGON确定性核代码评估PWR和WWER燃料pin cell在不同 burnup 下的中子行为，比较了等效稀释与多带方法处理共振自屏蔽效应的差异，并测试了WLUP-69、WLUP-172和DRAGLIB-172三种中子数据库名称。结果表明DRAGON能准确处理自屏蔽效应，且方法效率受几何形状、数据库类型和分组数量影响。

　　

法罗克·科沙瓦尔（Farrokh Khoshahval）

伊朗德黑兰核科学技术研究所（NSTRI）反应堆与核安全研究学院

摘要

为了评估燃料颗粒的中子行为与燃耗之间的关系，需要选择合适的晶格代码。在计算速度方面，确定性核代码优于概率性代码。诸如WIMS-D5和DRAGON这样的确定性代码依赖于用于处理共振自屏蔽截面的方法以及截面库。本文重点研究了两种标准的压水反应堆（PWR）和沸水反应堆（WWER）燃料棒单元，并评估了它们在稀释等效性和多带方法用于共振自屏蔽计算方面的表现。此外，还评估了三种不同的中子库截面（WLUP-69、WLUP-172、DRAGLIB-172）。研究结果表明，确定性晶格代码DRAGON能够准确处理PWR和WWER燃料棒单元中的自屏蔽行为，因此可以信赖其生成的主要中子参数和多组均质化截面，以及用于整个堆芯的计算结果。此外，还证明了广义Stamm'ler方法（SHI：Dragon的自屏蔽模块）取决于几何形状类型。对于方形几何形状，使用GSM-NOLJ库可以获得最佳的结果，而使用GSM-LJ库则得到最差的结果。为了更好地评估所采用的自屏蔽方法及其准确性，还计算了不同库和自屏蔽处理方式下的主要同位素浓度变化及燃料温度系数与燃耗的关系。

引言

在使用燃料棒计算代码时，一个常见的问题是哪个核数据库能在最低的计算成本下提供最准确的结果，或者自屏蔽计算方法对结果的影响程度如何。换句话说，找到一个能够在可接受的计算时间内提供精确结果的合适库和自屏蔽方法至关重要。首先需要指出的是，在“两步”计算方案中，正确多组截面的估计和无限乘法因子的确定非常重要。第一步需要准确计算燃料棒单元，而这又依赖于对共振自屏蔽截面的正确处理。此外，计算软件的精确性和结果的准确性对核反应堆的设计和计算至关重要。

在这方面，许多研究机构已经发表了相关论文。Karthikeyan等人（2005年）研究了自屏蔽方法对CANDU-6单元燃料棒温度系数的影响；Karthikeyan和Hébert（2008年）研究了自屏蔽方法对高转化率轻水反应堆（HCLWR）晶格的影响，他们比较了基于物理概率表的统计自屏蔽方法和基于数学概率表的Ribon扩展方法。他们的重点是通过所有模型估计K-infinity值，并将HCLWR的结果与使用MCNP5蒙特卡洛代码（X-5蒙特卡洛团队，2003年）得到的结果进行了对比，但他们的计算是在零燃耗状态下进行的。Foad和Repeat（2018年）评估了用于处理三种不同燃料类型（UO₂、PuO₂-UO₂和ThO₂-UO₂）的裂变率和俘获率径向分布的自屏蔽方法的准确性。Mira等人（2022年）研究了选定的自屏蔽方法对熔盐快堆（MSFR）基准测试的影响，但他们也没有考虑燃耗因素，而是在循环开始时（BOC）评估了结果。然而，在燃耗过程中会产生共振同位素，其中一些同位素的共振特性较强，从而改变中子谱和有效截面。

因此，评估中子参数及其与共振处理类型的关系同时考虑燃耗因素是非常重要的。因此，大多数以往的研究都没有针对特定问题进行深入探讨。在本研究中，从感兴趣的方面对两种标准燃料棒进行了研究。已知所采用的自屏蔽方法的准确性和稳定性取决于许多因素，如中子谱类型、燃料材料和截面库（Mira等人，2022年）。本文评估了不同库组和自屏蔽处理方法（等效自屏蔽方法和子组方法）在燃耗过程中的性能。评估并比较了不同的中子和安全参数（无限乘法因子、同位素浓度和燃料温度系数）。计算使用的是开源的燃料棒计算代码（DRAGON代码）。第2节描述了作为测试案例的两种不同类型的燃料棒。第2节还包含了本文中使用的计算代码和方法。第3节评估了自屏蔽模型对乘法因子、同位素浓度以及由于堆芯温度变化引起的反应性变化的影响。第4节得出了结论。

节选内容

压水反应堆（PWR）燃料棒单元

为了分析自屏蔽方法的性能，最好使用在共振区域发生大量裂变的紧密几何形状。因此，选择了TMI-1 PWR标准燃料棒（或单元格）配置，并在图1中展示了方形几何形状的情况（Ivanov，2013年附录VIII；Bratton等人，2014年）。建议将热能截止值设为0.625 eV。在本研究中，仅考虑了HFP条件，平均功率密度为...

自屏蔽模型对乘法因子的影响

表6和表7展示了使用DRAGON代码和不同自屏蔽模型以及三种不同库分别对PWR和WWER-1000燃料棒单元计算的无限乘法因子结果。这些结果与使用MCNP代码得到的结果进行了比较。表6表明，各种方法得到的无限乘法因子与参考蒙特卡洛代码Scale、WIMSD5、MCNP/PERT和TSUNAMI的结果吻合良好。可以看出，使用WLUP-69库得到的结果...

结论

在晶格计算中选择共振计算方法时必须谨慎操作，以获得合适的结果。本研究表明，在预测无限乘法因子方面，稀释等效性模型的表现优于USS方法（概率表）。自屏蔽方法的效率取决于所使用的库、几何形状和中子组数量。此外，对于PWR燃料棒单元，使用Draglib-172...

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