[发明专利]一种精确计算燃料组件棒功率分布的方法

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯设计和安全技术领域，具体涉及一种精确计算燃料组件棒功率分布的方法。

背景技术

在基于两步法的燃料管理计算过程中，组件计算需要给出组件内的单棒功率分布形状因子，以便于在堆芯计算中进行精细功率重构。所以需要精确地计算出燃料组件内的棒功率分布。

燃料组件的棒功率计算主要取决于反应堆中的能量释放，而反应堆中能量释放主要来自重核素的裂变反应，因此传统的燃料棒内能量释放计算采用下式进行：

式中:

P_m——燃料棒m的线功率；

V_m——单位长度燃料棒m的体积；

κ_i——重核素i平均每次裂变释放能量；

——重核素i的g群微观裂变截面；

φ_m,g——燃料棒m的g群通量；

N_m,i——燃料棒m内重核素i的核子密度。

由此，在求得核素微观裂变截面和燃料棒内的各群通量后很容易得到棒功率。公式(1)看似简单，但其中有一个不可忽视的关键——如何求得平均每次裂变释放能κ。在多群核数据库中κ是一个只与核素相关的常量，它的实际含义是因某核素的裂变而引起所有能量释放的平均值，其计算过程是比较复杂的。

质子数为Z，中子数为A-Z的核素i被一个能量为W_n的入射中子轰击后发生的裂变反应过程可以用式(2)表示：

其中L和H分别代表轻裂变碎片核和重裂变碎片核，n代表中子，ν_i代表裂变产生的所有瞬发和缓发中子数，γ、β、分别代表光子、电子和反中微子；方程中所有的W代表相应粒子携带的动能，其中W′_n表示出射中子动能，且所有能量都基于实验室坐标。反应堆中，只有反中微子的动能不能被堆芯束缚而泄漏出去，其他粒子的动能都会在堆芯内转换成热能被加以利用，所以每次裂变直接释放的能量中可利用的部分为：

W_fiss,i＝W_L+W_H+W′_n+W_γ+W_β (3)

该能量称之为直接裂变能，相应数据是粒子的物理性质，可以在评价核数据库中直接读取。

以上考虑的是重核素裂变带来的能量释放，而在反应堆中还存在着许多其他的能量产生方式，其中最主要的便是辐射俘获反应释能。与裂变反应只会发生在几种重核素身上不同，中子可能被堆内任何材料吸收(包括重核素)而发生辐射俘获反应，由于反应堆是临界的，那么总体来看堆内任意重核素i的每一次裂变都将伴随着大约ν_i-1次的辐射俘获反应。从这个意义上来讲，辐射俘获反应源于裂变反应，其产生的能量是由裂变间接造成的，那么ν_i-1次的辐射俘获反应释能就可以归结到重核素i的裂变能量释放之中。

除此之外，计算反应堆内可利用的能量时，还应该包括所有入射中子的动能W_n。由此我们得到了重核素“总裂变能”的概念——包含裂变直接释能和其裂变产生中子辐射俘获释能以及入射中子能量在内的总能量释放，也就是前文提到的κ。对于重核素i而言，κ_i计算公式如(4)式所示：

κ_i＝W_fiss,i+W_n,i+Q_c,i (4)

其中W_n,i表示核素i的平均入射中子能量，Q_c,i表示核素i每次裂变引起的辐射俘获反应总释放能量。

辐射俘获释能Q_c,i的计算表达式可以写成：

式中

ν_i——核素i平均裂变中子数；

——堆芯内平均每次辐射俘获释放能量；

N_j——核素j的核子密度；

σ_c,j——核素j的单群微观俘获截面；

Φ——堆芯内平均单群通量；

q_j——核素j的每次辐射俘获释放能量。

至此，燃料棒的宏观释热截面可以表示为：

式中：

κΣ_f,m,g——材料m第g能群的宏观中子产生截面；

N_i——核素i的核子密度；