CN109741793B - 一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，包括：基于液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射率，开展核数据加工，获得其热中子散射截面库；调用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库，采用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆的组件均匀化，获得堆芯内部及反射层附近典型组件的均匀化群参数；调用熔盐堆典型组件的少群均匀参数，基于中子输运模型或中子扩散时空动力学模型，对于液体燃料碳化硅涂层熔盐堆，还需考虑液态熔盐流动影响，计算出熔盐堆的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。所述方法克服了传统的确定论方法难以完全适用熔盐堆复杂几何的缺陷，且获得的熔盐堆组件均匀化参数也更为精确。

Description

一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法

技术领域

本发明涉及核数据与反应堆物理领域，具体涉及一种新的碳化硅涂层熔盐堆，基于组件到堆芯的两步法开展热中子散射效应对碳化硅涂层熔盐堆关键中子学参数影响的计算方法。

背景技术

无论是固体燃料熔盐堆还是液体燃料熔盐堆，都采用流动的液态熔盐作为冷却剂，液态熔盐流过熔盐堆内部的石墨表面时，熔盐会向石墨内部渗透，有可能在石墨内部形成热点，从而使得石墨温度不可接受地升高，甚至可能导致石墨被破损。

另外，在热能区的热中子散射过程中，许多重要的中子慢化材料热中子散射效应不可忽略。由于熔盐堆组件几何较为复杂，传统的确定轮方法具有难以完全适应熔盐堆复杂几何的缺陷，因此，也需要提出几何适应性更强的组件均匀化方法，方能获得更为精确的熔盐堆组件均匀化参数，从而最终分析熔盐堆中的热中子散射效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，所述方法将碳化硅涂层涂抹至液体燃料熔盐堆内的石墨慢化剂表面，或者将碳化硅涂层涂抹至固体燃料熔盐堆内的石墨包裹着的燃料球表面，从而减小流动熔盐向石墨内部的渗透量，克服了熔盐向石墨内部渗透带来的石墨由于温度过高而破损的问题，另外，采用蒙特卡罗中子输运方法计算熔盐堆组件的均匀化参数，克服了传统的确定论方法难以完全适用熔盐堆复杂几何的缺陷，避免了基于确定论方法的组件均匀化过程中因为几何等效带来的精度损失，从而获得了更为精确的群截面，将该群截面提供给基于格林函数节块法的中子输运或中子扩散模型，最终可以精确地计算熔盐堆中子慢化材料热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，所述方法包括以下步骤：

基于液态熔盐热中子散射率、固态石墨热中子散射率、固态碳化硅热中子散射率，开展核数据加工，进而获得液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库；

调用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库，并采用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆的组件均匀化，包括堆芯内部典型组件及反射层附近典型组件的均匀化，获得堆芯内部及反射层附近典型组件的均匀化群参数；

调用熔盐堆典型组件的少群均匀参数，基于堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型，对于液体燃料碳化硅涂层熔盐堆，还需考虑液态熔盐流动带来的影响，从而计算出熔盐堆的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。

进一步地，所述碳化硅涂层熔盐堆包括碳化硅涂层液体燃料熔盐堆和碳化硅涂层固体燃料熔盐堆，碳化硅涂层液体燃料熔盐堆通过在液体燃料熔盐堆慢化剂石墨表面涂抹碳化硅涂层得到，碳化硅涂层固体燃料熔盐堆通过在固体燃料熔盐堆的燃料球外表面涂抹碳化硅涂层得到。

进一步地，开展碳化硅熔盐堆热中子散射截面库加工的具体过程为：根据热中子散射率与热中子散射双微分截面的一一对应关系，得到中子慢化材料的热中子散射双微分截面，对双微分截面进行积分，获得中子慢化材料的热中子散射截面；对这些热中子散射截面进行核数据加工，即获得连续能量或多群的截面库，连续能量的含液态熔盐的热中子散射截面库能够直接提供给连续能量蒙特卡罗中子输运程序开展稳态分析，中子慢化材料的热中子散射截面数据的多群截面库也能够提供给多群蒙特卡罗中子输运程序开展稳态分析。

进一步地，熔盐堆典型组件的均匀化参数计算具体过程为：首先利用蒙特卡罗中子输运程序对熔盐堆活性区内部典型组件及反射层附近组件进行精细几何建模，并调用中子慢化材料的热中子散射截面数据的连续能量截面库，考虑到后续堆芯计算的需求，开展相应的组件均匀化参数计算，获得不同燃耗深度、不同液态熔盐温度、不同石墨温度下的组件均匀化参数，为熔盐堆堆芯中子学计算做准备。

进一步地，所述调用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库，并采用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆的组件均匀化，具体过程为：熔盐堆中部的组件采用全反射边界条件开展组件均匀化参数计算，熔盐堆边缘即靠近反射层的部分则使用超组件模型考虑泄漏和反射层对该部分组件均匀化参数的影响，基于蒙特卡罗中子输运程序，即Serpent、MCNP或OpenMC开展组件均匀化参数的计算，在建模过程中不进行几何等效，真实地建立熔盐堆组件里面的熔盐通道及慢化石墨区，以避免几何等效过程带来的精度损失，由上述方法获得一系列离散工况点下的熔盐堆组件均匀化参数，之后对离散工况点与均匀化参数开展线性插值或函数拟合，最后在熔盐堆堆芯计算中，基于目前熔盐堆组件的实际工况代入到群参数与离散工况的函数关系中，以便获得实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数，进而利用这些实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数开展熔盐堆堆芯中子学计算。

进一步地，熔盐堆堆芯中子学计算过程如下：基于格林函数节块法，并考虑到由于液态熔盐的流动把缓发中子先驱核带出堆芯带来的缓发中子份额的减小，建立相应的堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型，编制相应的熔盐堆堆芯中子时空动力学计算程序，将不同燃耗深度、不同液态熔盐温度、不同石墨温度下的组件均匀化参数进行插值或拟合，提供给熔盐堆堆芯中子时空动力学计算程序，即能够计算液态熔盐的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。

进一步地，所述堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型的公式如下：

式中

为偏微分算符，g为能群号，G为最大能群编号，i为缓发中子组编号，I为最大缓发中子组编号，v_g表示第g能群的平均速度，χ_pg为进入第g能群的瞬发中子份额，χ_dgi为第i组缓发中子出现在第g能群的概率，λ_i表示第i组缓发中子先驱核的衰变常数，β_i为第i组缓发中子的份额，Φ_g为第g能群标通量，C_i为缓发中子先驱核浓度，u为熔盐流动的速度矢量，t为时间变量，r为空间变量，▽为梯度算子，D_g为第g能群的扩散系数，∑_t,g为第g能群总截面，β为总的缓发中子份额，υ∑_f为中子产生截面，∑_g'-g为群间散射截面；

因为上述熔盐堆时空中子扩散方程组具有刚性的特征，所以它求解时对时间变量的离散必须具有良好的离散格式，为了使得瞬态计算的时间步长较长，减少对熔盐堆堆芯的中子扩散计算次数，且避免形状函数的反复迭代，此处采用预估修正改进准静态方法离散时间变量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明提供的一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，首先是利用碳化硅涂层减少熔盐向石墨内部渗透，从而避免了石墨内部温升过高，进而减小石墨发生破损的可能。此外，由于使用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆组件均匀化参数计算，避免了传统确定论方法在均匀化过程中因几何等效造成的精度损失，又因为均匀化过程调用了所有中子慢化材料的热中子散射截面数据，因此本发明获得的熔盐堆组件均匀化参数也更为精确。

附图说明

图1为本发明实施例中液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库加工流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，无论是固体燃料熔盐堆还是液体燃料熔盐堆，都采用流动的液态熔盐作为冷却剂，液态熔盐流过熔盐堆内部的石墨表面时，熔盐会向石墨内部渗透，有可能在石墨内部形成热点，从而使得石墨温度不可接受地升高，甚至可能导致石墨被破损。而碳化硅材料则能够有效地减少熔盐的渗透，因为已有将碳化硅取代石墨基体的燃料元件设计方案。然而，考虑到碳化硅中子经济性不如石墨，如果将碳化硅取代石墨基体，可能导致大量中子被无益吸收，因此本实施例提出把不亲熔盐的碳化硅做成很薄的涂层来涂抹到石墨表面，这样既能避免熔盐大量地渗透入石墨内部，又能避免大量中子被碳化硅无益吸收。

在热能区的热中子散射过程中，许多重要的中子慢化材料热中子散射效应不可忽略。对于碳化硅涂层熔盐堆，需要考虑热中子散射效应的材料主要有固态石墨、固态碳化硅、液态熔盐，其中固态石墨、固态碳化硅、液态熔盐的热中子散射率已在或将在最新的国际评价核数据基础库中给出，因此可基于最新的热中子散射率计算出液态熔盐的热中子散射截面。

本实施例的思路为：首先提供一种在熔盐堆内部使用碳化硅涂层的方法，其次使用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射率加工出相应的热中子散射截面库，之后利用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库开展熔盐堆组件均匀参数计算，最后将获得的熔盐堆组件均匀参数提供给熔盐堆堆芯中子学计算程序，进而计算出熔盐堆中子慢化材料的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。具体过程为：

(一)、在熔盐堆内部使用碳化硅涂层，具体的涂抹方式为，将碳化硅材料做成50微米以上厚度的涂层并将涂层涂抹在石墨表面，可以涂抹在液体燃料熔盐堆内石墨慢化剂的表面，也可以涂抹在固态燃料熔盐堆燃料球的表面，形成一个熔盐与石墨间的隔层，从而阻止熔盐向石墨内部渗透。

(二)、采用核数据处理程序Atlas或者NJOY对液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射率文件(TSL文件)及相应的来自于ENDF/B-VIII基础评价库的数据，按照如图1所示的流程加工出ACE格式的液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库。

(三)对熔盐堆典型组件的均匀化参数进行计算，熔盐堆中部的组件采用全反射边界条件开展组件均匀化参数计算，熔盐堆边缘即靠近反射层的部分则使用超组件模型考虑泄漏和反射层对该部分组件均匀化参数的影响。基于蒙特卡罗中子输运程序如Serpent、MCNP、OpenMC等开展组件均匀化参数的计算，在建模过程中不进行几何等效，真实地建立熔盐堆组件里面的熔盐通道及慢化石墨区，以避免几何等效过程带来的精度损失。由上述方法获得一系列离散工况点下的熔盐堆组件均匀化参数，之后对离散工况点与均匀化参数开展线性插值或函数拟合，最后在熔盐堆堆芯计算中，基于目前熔盐堆组件的实际工况代入到群参数与离散工况的函数关系中，以便获得实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数，进而利用这些实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数开展熔盐堆堆芯中子学计算。

(四)基于“两步法”思想开展组件均匀化及堆芯中子学计算，因此熔盐堆堆芯中子学计算需要用到上述已产生的实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数。考虑到堆芯的延迟衰变行为，熔盐堆的三维中子时空动力学方程组可以表示为：

式中

为偏微分算符，g为能群号，G为最大能群编号，i为缓发中子组编号，I为最大缓发中子组编号，v_g表示第g能群的平均速度，χ_pg为进入第g能群的瞬发中子份额，χ_dgi为第i组缓发中子出现在第g能群的概率，λ_i表示第i组缓发中子先驱核的衰变常数，β_i为第i组缓发中子的份额，Φ_g为第g能群标通量，C_i为缓发中子先驱核浓度，u为熔盐流动的速度矢量，t为时间变量，r为空间变量，▽为梯度算子，D_g为第g能群的扩散系数，∑_t,g为第g能群总截面，β为总的缓发中子份额，υ∑_f为中子产生截面，∑_g'-g为群间散射截面。

因为上述熔盐堆时空中子扩散方程组具有刚性的特征，所以它求解时对时间变量的离散必须具有良好的离散格式。为了使得瞬态计算的时间步长较长，减少对熔盐堆堆芯的中子扩散计算次数，且避免形状函数的反复迭代，本实施例采用预估修正改进准静态方法离散时间变量。

而对于熔盐堆中子扩散方程的求解，本实施例采用格林函数节块法进行求解。格林函数节块法通过“横向积分”处理将求解熔盐堆三维方程的过程转化为求解多个以横向积分中子通量密度作为未知数的一维中子扩散方程。在求解一维中子扩散方程时引入格林函数，可获得以积分方程表达的横向积分中子注量率的解。然后用正交函数展开节块内横向积分中子注量率分布，把它代入所满足的积分方程，并使用剩余权重法来计算展开式的各阶系数，最终获得节块内的某一时刻中子注量率的空间分布。

最后，通过对比有无调用液态熔盐热中子对应的堆芯关键中子学参数如有效增殖系数、各群中子注量率、有效缓发中子份额的差异，即可获得中子慢化材料的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于液态熔盐热中子散射率、固态石墨热中子散射率、固态碳化硅热中子散射率，开展核数据加工，进而获得液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库；

调用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库，并采用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆的组件均匀化，包括堆芯内部典型组件及反射层附近典型组件的均匀化，获得堆芯内部及反射层附近典型组件的均匀化群参数；

调用熔盐堆典型组件的少群均匀参数，基于堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型，对于液体燃料碳化硅涂层熔盐堆，还需考虑液态熔盐流动带来的影响，从而计算出熔盐堆的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响；

所述调用液态熔盐、固态石墨、固态碳化硅的热中子散射截面库，并采用蒙特卡罗中子输运方法开展熔盐堆的组件均匀化，具体过程为：熔盐堆中部的组件采用全反射边界条件开展组件均匀化参数计算，熔盐堆边缘即靠近反射层的部分则使用超组件模型考虑泄漏和反射层对该部分组件均匀化参数的影响，基于蒙特卡罗中子输运程序，即Serpent、MCNP或OpenMC开展组件均匀化参数的计算，在建模过程中不进行几何等效，真实地建立熔盐堆组件里面的熔盐通道及慢化石墨区，以避免几何等效过程带来的精度损失，由上述方法获得一系列离散工况点下的熔盐堆组件均匀化参数，之后对离散工况点与均匀化参数开展线性插值或函数拟合，最后在熔盐堆堆芯计算中，基于目前熔盐堆组件的实际工况代入到群参数与离散工况的函数关系中，以便获得实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数，进而利用这些实际工况下的熔盐堆组件均匀化参数开展熔盐堆堆芯中子学计算。

2.根据权利要求1所述的碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于：所述碳化硅涂层熔盐堆包括碳化硅涂层液体燃料熔盐堆和碳化硅涂层固体燃料熔盐堆，碳化硅涂层液体燃料熔盐堆通过在液体燃料熔盐堆慢化剂石墨表面涂抹碳化硅涂层得到，碳化硅涂层固体燃料熔盐堆通过在固体燃料熔盐堆的燃料球外表面涂抹碳化硅涂层得到。

3.根据权利要求1所述的碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于，开展碳化硅熔盐堆热中子散射截面库加工的具体过程为：根据热中子散射率与热中子散射双微分截面的一一对应关系，得到中子慢化材料的热中子散射双微分截面，对双微分截面进行积分，获得中子慢化材料的热中子散射截面；对这些热中子散射截面进行核数据加工，即获得连续能量或多群的截面库，连续能量的含液态熔盐的热中子散射截面库能够直接提供给连续能量蒙特卡罗中子输运程序开展稳态分析，中子慢化材料的热中子散射截面数据的多群截面库也能够提供给多群蒙特卡罗中子输运程序开展稳态分析。

4.根据权利要求1所述的碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于，熔盐堆典型组件的均匀化参数计算具体过程为：首先利用蒙特卡罗中子输运程序对熔盐堆活性区内部典型组件及反射层附近组件进行精细几何建模，并调用中子慢化材料的热中子散射截面数据的连续能量截面库，考虑到后续堆芯计算的需求，开展相应的组件均匀化参数计算，获得不同燃耗深度、不同液态熔盐温度、不同石墨温度下的组件均匀化参数，为熔盐堆堆芯中子学计算做准备。

5.根据权利要求4所述的碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于，熔盐堆堆芯中子学计算过程如下：基于格林函数节块法，并考虑到由于液态熔盐的流动把缓发中子先驱核带出堆芯带来的缓发中子份额的减小，建立相应的堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型，编制相应的熔盐堆堆芯中子时空动力学计算程序，将不同燃耗深度、不同液态熔盐温度、不同石墨温度下的组件均匀化参数进行插值或拟合，提供给熔盐堆堆芯中子时空动力学计算程序，即能够计算液态熔盐的热中子散射效应对熔盐堆关键中子学参数的影响。

6.根据权利要求1或5所述的碳化硅涂层熔盐堆热中子散射效应的计算方法，其特征在于，所述堆芯中子输运或中子扩散时空动力学计算模型的公式如下：

式中

为偏微分算符，g为能群号，G为最大能群编号，i为缓发中子组编号，I为最大缓发中子组编号，v_g表示第g能群的平均速度，χ_pg为进入第g能群的瞬发中子份额，χ_dgi为第i组缓发中子出现在第g能群的概率，λ_i表示第i组缓发中子先驱核的衰变常数，β_i为第i组缓发中子的份额，Φ_g为第g能群标通量，C_i为缓发中子先驱核浓度，u为熔盐流动的速度矢量，t为时间变量，r为空间变量，

为梯度算子，D_g为第g能群的扩散系数，∑_t,g为第g能群总截面，β为总的缓发中子份额，υ∑_f为中子产生截面，∑_g'-g为群间散射截面；

因为上述熔盐堆时空中子扩散方程组具有刚性的特征，所以它求解时对时间变量的离散必须具有良好的离散格式，为了使得瞬态计算的时间步长较长，减少对熔盐堆堆芯的中子扩散计算次数，且避免形状函数的反复迭代，此处采用预估修正改进准静态方法离散时间变量。

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