基于MCNP和ORIGEN2耦合程序的IHNI－1型堆裂变产物中毒及燃耗分析

张信一，赵柱民，江新标，郭和伟，陈立新，周永茂

(1.西北核技术研究所，西安 710024;2.中国核工业集团中原对外工程有限公司，北京 100191)

1 前言

由于裂变产物135Xe具有很大的吸收截面和短的半衰期(T1/2=9.083 h)，在反应堆启动后，135Xe浓度会很快增加并趋近饱和，而停堆后又会很快地衰变，这将使反应性在较短时内发生较大变化，给反应堆运行带来很多问题;堆芯燃耗对反应性、核燃料装载量和堆芯寿期有重要影响，因此研究裂变产物中毒和燃耗对反应堆安全运行有重要的理论意义和应用价值。

MCNP程序可求解任意三维复杂几何系统内的粒子输运问题，具有真实模拟粒子轨迹的特点，具有非常强大的几何处理能力，但其不能直接进行燃耗计算。为此，文章利用MCNP和ORIGEN2程序耦合，实现燃耗计算。

2 MCNP－ORIGEN2耦合算法

MCNP通过模拟大量粒子行为并记录它们平均行为的某些特征来得到输运方程的解。在反应堆内，中子通量密度沿燃料元件轴向按余弦分布。故沿轴向将燃料元件分为10层，对每层分别记数，以能更精确地模拟堆芯中子通量密度分布。

ORIGEN2程序包括较完整的衰变链、裂变产额、各种核反应截面及其释放能等数据。广泛用于计算点燃耗及放射性衰变的计算机程序，分别输入活化构件位置处的中子通量密度、构件材料成分、辐照时间，程序就可输出各种放射性活化核素在每个构件中的活度。核素 i的总量随时间变化率(dXi/dt)可由如下的非齐次一阶常微分方程描述:

同其他燃耗耦合程序类似，利用MCNP计算堆芯中子通量密度分布，修正ORIGEN2中相关核素的反应截面，ORIGEN2使用计算出的中子通量密度进行燃耗计算，输出各燃耗步长后的核素成分，传递给MCNP进行下一步的计算。图1为耦合程序的简化流程图[1]。

3 医院中子照射器I型堆裂变产物中毒和燃耗计算

3.1 概述

文章应用MCNP－ORIGEN2燃耗耦合程序，计算了医院中子照射器I型堆[2]30 kW功率运行，不换料情况下连续运行10年(运行模式:8 h/d、5 d/周、52周/年、堆芯功率30 kW)燃料的燃耗情况，10年等效运行866.7(等效天)。

3.2 裂变产物中毒计算

由于裂变产物中毒达到平衡的时间较短，一般为几十个小时，所以在计算裂变产物中毒时，不考虑燃料燃耗，裂变产物中只考虑135Xe、149Sm。采用上述方法计算IHNI－1堆运行60 h时的氙毒(钐毒)效应引起的负反应性，以6 h为一个时间步长，计算结果见表1。

表1 堆芯氙毒(钐毒)负反应性积累随反应堆运行时间的变化趋势Table 1 Varying trends of Xe(Sm)poisoning minus reactivity accumulate in the core versus time

续表

由表1可知，随着运行时间增加，堆芯氙(钐)浓度增加，堆芯总负反应性增加，当反应堆运行50 h左右，裂变产物中毒达到平衡，平衡裂变产物中毒为4 mk左右。

3.3 计算结果

采用上述方法，模拟医院中子照射器I型堆满功率运行867 d时的燃耗，考虑41种重要裂变产物核素，其他裂变核素用氧－16代替。部分计算结果见表2、表3。

表2 第2圈燃料元件燃耗计算结果Table 2 Burnup result of 2nd circle fuel element

表3 第8圈燃料元件燃耗计算结果Table 3 Burnup result of 8th circle fuel element

由表2、表3可知，随着反应堆的运行，核燃料会不断减少，燃耗的深浅与中子通量密度相关，内圈燃料元件的燃耗深于外圈燃料元件。

3.4 误差分析

产生误差的因素主要有以下3个方面:a.MCNP材料截面数据有限，不同温度点之间跨度较大，其中存在近似;b.计算中考虑的核素种类有限，很多产额小、截面小的核素用氧代替;c.ORIGEN2在计算核素浓度过程中也会产生误差。

4 结语

文章建立了基于MCNP和ORIGEN2的裂变产物中毒和燃耗耦合计算方法，应用此耦合程序计算了医院中子照射器I型堆堆芯燃料的燃耗情况，并与WIMS和MCNP耦合程序计算结果进行了对比分析，其结果存在一定偏差，但总体趋势是一致的，可以作为燃耗分析的一种依据。

[1] 蒋校丰，谢仲生.蒙卡－燃耗程序系统及ADS基准题的计算[J] .核科学与工程，2003，23(4):325 －331.

[2] 江新标，张文首，周永茂，等.低浓化医院中子照射器(IHNI－1)堆芯的物理方案设计[J] .中国工程科学，2009，11(11):17－ 21.