[发明专利]基于QS/MC方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于QS/MC方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法。

背景技术

加速器驱动次临界系统(ADS,Accelerator Driven Sub-critical System)次临界中子学为反应堆物理学科的发展带来新的动力，各种分析方法在传统的反应堆物理框架中得到了全面的拓展和改进。与传统的临界堆相比，ADS次临界堆芯增加了反应性控制裕度，使其具有很好的固有安全性，但同时外中子源的引入极大地增加了堆芯功率分布的非均匀性和堆内中子学过程的复杂性。因此，针对散裂中子源与次临堆芯耦合所独有的中子时空动力学特性开展数值模拟和实验研究一直都是ADS技术领域的热点和挑战。

国际上对于ADS次临界堆中子时空动力学特性的模拟分析主要有解析法和数值法两大类。基于时空变量分离法的中子动力学模拟大多青睐于准静态方法，即将中子注量率分解为形状函数和幅度函数n(t)的乘积进行耦合交叉求解。采用确定论数值方法求解中子输运方程得到形状函数，计算效率高，SN或PN方法也较为成熟，但计算结果要依赖于带高能散裂外中子谱的次临界堆芯材料中子宏观反应截面的准确度。为规避确定论方法的问题，国内外相继开展了基于蒙特卡罗输运理论的中子时空动力学的研究工作。MCNPX(Monte Carlo N-Particle Transport Code System for Multi-particle and High Energy Applications)程序是MCNP4C与LAHET程序的有机结合，可对能量高达GeV量级的各种粒子进行模拟，适用于散裂外中子源驱动的ADS次临界堆内中子输运计算。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了基于准静态近似与MCNPX程序相结合(QS/MC)方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法。

本发明的技术方案是：

基于QS/MC方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法，将MCNPX程序嵌入到QS体系框架之中，实现对散裂中子外源驱动的次临界堆芯中子时空动力学过程的全息蒙特卡罗数值模拟计算；以工业尺度的ADS次临界嬗变系统为研究对象，对处于不同次临界水平下的ADS次临界堆芯中子动力学过程进行仿真研究，包括步骤：

(1)准静态(QS)方法求解中子时空动力学，根据QS方法的定义，对中子注量率进行时间和空间变量分离，得到动力学参数；

(2)利用MCNPX程序精确求解带散裂中子源的ADS次临界堆内稳态中子输运方程，可得到任意时刻的无约化形状函数基于MCNPX程序输出的原始统计数据，通过参数处理程序加工并给出每一步的动力学计算参数、外源Q(t)以及QS方法所需的全部中间变量；

(3)利用QS动力学程序实现幅度函数的精细步长计算得到n(t)，进而归并得到每一步的中子注量率设置适当的形状函数更新计算时间步长实现QS/MC动态耦合计算。

本发明提供了基于准静态近似与MCNPX程序相结合(QS/MC)方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法，为下一步建设和发展我国先进核裂变能体系ADS嬗变系统的实验集成装置和工业示范装置奠定时空动力学仿真研究基础。

附图说明

图1为本发明所述的基于QS/MC方法的中子时空动力学模拟计算流程图；

图2为本发明实施例所述的ADS次临界堆芯结构示意图；

图3为本发明实施例的QS/MC方法模型与点堆模型计算结果比较示意图。

具体实施方式

本发明所揭示的基于QS/MC方法的ADS次临界嬗变装置中子时空动力学研究方法，包括步骤：

①准静态(QS)方法求解中子时空动力学：

外源驱动的次临界堆中，描述中子时空动力学行为的Boltamann方程形式如下：

与之相应的时间相关的先驱核方程为：

其中：v－中子速度,φ－中子注量率,Σ_t－总截面,Σ_s－散射截面,Σ_f－裂变截面,S-外中子源,χ_p－瞬发中子能谱,χ_i－第i组缓发中子能谱,－总的缓发中子份额,ν－每次裂变的中子产额,λ_i－第i组缓发中子先驱核衰变常数,C_i－第i组缓发中子先驱核浓度,NDG－缓发中子先驱核总的组数。

根据QS方法的定义，对中子注量率进行时间和空间变量分离：