高通量反应堆中控制棒价值与倍增时间的比较：基于 ENDF/B-VIII.0 和 JEFF-3.3 的 Serpent 2 静态与动态模拟

《Annals of Nuclear Energy》：Comparison of control rod worth and doubling time in the high flux reactor: Static and dynamic Serpent 2 simulations with ENDF/B-VIII.0 and JEFF-3.3

　　

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  使用 Serpent 2 的动态模式模拟控制棒价值测量。
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  计算的反应性与实验测量数据进行比较。
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  JEFF-3.3 和 ENDF/B-VIII.0 库之间模拟结果的比较。
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  使用倍增时间法计算的反应性。

引言

安全运行核反应堆的一个关键方面是使用控制棒来调节反应堆堆芯中的中子数量。控制棒的一个重要属性是其价值，它表征了控制裂变反应并抵消外部引入反应性的能力。目前，确定控制棒价值的主流方法涉及静态计算方法。这通过进行两次不同的稳态模拟来表征，分别代表控制棒的初始位置和最终位置（Lee 等人，2005）。不幸的是，先驱体和缓发中子的分布对反应堆控制起着重要作用，而这种方法并没有明确模拟控制棒移动过程中它们在堆芯中的分布。与另一种动态方法相比，这可能导致计算出的反应性差异高达 10%（Merljak 等人，2014）。与静态方法相比，动态方法模拟了瞬发中子和先驱体的演化，先驱体衰变释放缓发中子，从而考虑了由于控制棒移动导致的中子数量变化。因此，通过动态模拟计算控制棒价值的方法可以提高准确性并增强运行期间的反应堆安全性。这种动态模拟也可以用准静态方法建模。在这种方法中，用几次稳态模拟来模拟时间依赖模拟。已使用 TRIPOLI-4 代码对棒落瞬变过程进行了动态和准静态方法的比较研究（Ferney 等人，2022）。然而，这种方法现在已不再非常普遍，因此未在我们的研究中探讨。核数据在反应堆的精确建模中起着重要作用。这些库及其底层的核素表示是所有蒙特卡罗中子学研究的基本支柱。它们提供了控制广泛能量范围内中子与同位素之间所有相互作用的概率。有关核数据的更多信息可在 Humbert 等人（2004）中找到。在我们研究期间使用最广泛的两个核库是 ENDF/B-VIII.0（Brown 等人，2018-02）和 JEFF-3.3（Plompen 等人，2020）。这两个库都广泛应用于反应堆物理模拟，并已针对不同基准实验进行了验证（Brown 等人，2018-02）（Plompen 等人，2020）。除了截面值（发生某种反应的概率）之外，这些库之间的另一个主要区别是缓发中子的结构：ENDF/B-VIII.0 使用 6 组缓发组，而 JEFF-3.3 使用 8 组。鉴于第四代反应堆的开发努力，这些反应堆在更硬的中子谱下运行，评估缓发中子数据对计算准确性的影响很重要。这对于快堆尤其相关，因为快堆中的先驱体分数显著低于热堆（例如在钠冷却快堆中（核能机构，2016）），以及使用熔融燃料的设计，其中中子先驱体在内循环中移动（Pfahl 等人，2025）（Pfahl 等人，2026）。因此，在动态模拟中明确处理和建模先驱体和缓发中子，使它们更能胜任评估核数据库之间缓发中子结构效应的细微差别。

目前，关于比较核数据库之间缓发中子处理的研究有限，特别是在包含燃耗燃料组件的反应堆中进行控制棒价值评估的背景下。2019 年进行了一项关于缓发中子组和动力学参数的广泛研究（Krása 等人，2019）。然而，该研究专注于快中子系统和动力学参数的确定，并采用稳态计算进行。目前有一项由（Novak 等人，2024）进行的研究，使用静态和动态方法比较了 ENDF/B-VIII.0 和 JEFF-3.3 库的积分控制棒价值数值。该比较针对 VR-1 反应堆进行，结论是 JEFF-3.3 缓发中子参数在动态模拟中比 ENDF/B-VIII.0 库的参数更准确。然而，提到的研究使用 JEFF-3.3 和 ENDF/B-VVIII.0 缓发中子参数来辅助他们的测量，而不是使用原始探测器数据。然后，这些计算出的实验反应性与模拟的动态反应性进行比较，后者也使用相同的底层缓发中子数据。由于现有的研究有限，针对静态和动态模拟，将截面库与各种实验进行比较将提供额外的验证。

我们的研究分为两个方面。首先，我们开发并展示了在模拟反应堆瞬变过程中动态和静态情况的比较。其次，在此瞬变背景下，我们研究核数据库在缓发中子数据方面的性能。具体而言，我们评估了核数据库 ENDF/B-VIII.0 和 JEFF-3.3 在荷兰 Petten 高通量堆（HFR）进行的控制棒价值实验中复现倍增时间和反应性的能力。选择该特定反应堆是因为模型、真实世界的探测器数据和动力学测量数据均可用。

我们使用蒙特卡罗代码 Serpent 2（Lepp?nen 等人，2015）进行了动态控制棒抽出模拟，并在探测器区域统计了中子数量动力学。这些模拟结果使我们能够确定反应堆倍增时间和反应性。此外，这些显式模拟使我们能够以与真实实验中经历的类似方式捕捉瞬变过程的空间效应。然后，将动态和静态模拟结果与实验值进行比较，为不同核数据库在轻水堆中的性能提供更多见解。

章节摘要

动态模拟中的反应性估计

建模反应堆中子行为的主要方法之一是蒙特卡罗方法。这种随机方法基于对具有已知概率密度的大量中子进行采样，从而能够对反应堆几何形状和中子能量进行精确处理。然而，这种方法传统上受其高计算需求的限制。在对动态模拟建模时尤其如此。对于这些模拟，无论是瞬发中子和

荷兰 Petten 的高通量堆

对 ENDF/B-VIII.0 和 JEFF-3.3 之间缓发中子组以及动态模拟准确性的研究是在高通量堆（HFR）的背景下进行的。HFR 是一座轻水慢化、轻水冷却的 45 MW_th 反应堆，主要用于同位素生产和材料测试。图 1 显示了 HFR 的径向截面。有 33 个燃料元件，由富集 U₃Si₂ 燃料板组成，6 个燃料 - 跟随控制组件和 17 个实验

动力学参数 ${\beta }_{eff}$ 的位置依赖性

动力学参数 $\beta$ 对于使用公式 (2.3) 确定时间依赖反应性是必要的，因为对于小反应性插入，第一项可以被忽略。由于 Serpent 2 在动态模拟期间不准确计算这个重要量，我们决定使用初始源生成稳态模拟期间计算出的参数。为了证明这一做法的合理性，我们用 10 次稳态静态模拟对控制棒抽出进行了建模。在第一次运行中，反应堆处于

结论与局限性

本文介绍了一项研究，调查核库 ENDF/B-VIII.0 和 JEFF-3.3 对同时包含新鲜和部分燃耗燃料的热堆的影响，重点关注缓发中子的影响。使用 Serpent 2 的动态模式模拟了五次控制棒抽出瞬变过程，并显式地从模拟的反应堆倍增时间计算了反应性价值。此外，为了比较，我们使用传统静态

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

Alan Wichink Kruit|Benjaminas Marcinkevicius|Kornilios Routsonis