基于OpenMC的瞬发α本征值问题计算方法研究及应用

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中子动力学参数是建立反应性实验测量值(以“$”为单位)与理论计算的绝对反应性值(1-1/keff)的桥梁。面向纯棒控长寿期核动力堆、加速器驱动次临界系统(ADS)等具有较深次临界度工况的反应堆,采用实验方法获得绝对反应性并用于设计校核是研发、运行中必不可少的。对于次临界特别是深次临界,基于瞬发中子衰减常数α的次临界反应性测量方法是一类经典方法,理论分析表明,采用该类方法获得精确的绝对反应性,准确而合理的中子动力学参数计算需要瞬发α模式的中子注量率。针对基于α的次临界绝对反应性测量需求,本文首先分别对α本征值问题的主流方法如间接求解法(包括k-α回归迭代法、γ做参数的尝试插值法等)、直接法与改进的直接法、期望估计法(包括碰撞期望估计法、径迹期望估计法以及逃逸期望估计法等)、幂迭代法的优劣进行分析,择优选取既易于实现又便于计算的k-α回归迭代法作为本文实现基于蒙特卡罗算法的α本征值求解方法。其次以开源蒙特卡罗输运程序Open MC为基础,基于k-α迭代方法,以中子径迹长度上的平均时间吸收权重修正作为k-α迭代参数因子,在输运过程中对瞬发、缓发中子分别考虑,开发了兼具缓发、瞬发α本征值问题计算功能的Open MC-PA程序。最后以Godiva及其衍生基准题和MUSE-4次临界实验装置为计算对象,对程序计算瞬发α本征值问题能力进行验证。结果表明,对于Godiva超临界衍生基准题,本文二次开发的Open MC-PA程序计算的α本征值与参考值的相对误差小于500×10-5;对于Godiva及其次临界衍生基准题,Open MC-PA可计算的α范围与计算速度均优于MCNP4C;对于几何、材料较复杂的MUSE-4次临界实验装置,Open MC-PA依旧具有较高的计算精度,且由计算得到的α获得的keff与实验值相对误差小于20×10-5。本文基于开源蒙特卡罗程序Open MC进行二次开发的Open MC-PA程序可用于瞬发α本征值及中子动力学相关问题计算,可为基于α的次临界绝对反应性测量提供有力的支撑。
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