秦山CANDU堆物理跟踪计算从基于PPV到WIMS-AECL程序的转换

王 军

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

秦山CANDU堆物理跟踪计算从基于PPV到WIMS-AECL程序的转换

王 军

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

秦山CANDU重水堆物理跟踪计算使用的基本栅元计算，使用的是PPV程序计算产生的1.5群栅元截面，随着对计算精度越来越高的要求，以及将来新燃料类型的使用，有必要更新为WIMS-AECL程序计算产生的2群栅元截面。本文重点研究基本栅元计算程序从PPV到WIMS-AECL的转换，以及基于转换后的程序，堆芯跟踪计算程序系统的更新方法，并对转换前后的计算结果进行了对比分析。

CANDU重水堆物理；跟踪计算；PPV；WIMS-AECL；转换

堆芯中子学计算因堆芯材料种类繁多、堆芯结构复杂，受方程的数值求解方法和计算机的计算能力限制，以及标准化和工业化要求，反应堆中子学计算方面普遍采用图1中的计算方法。

图1 反应堆中子学计算方法Fig.1 Reactor neutron calculation method

秦山CANDU重水堆运行采用不停堆换料方式，物理计算利用RFSP程序跟踪实际堆芯运行历史，进行堆芯跟踪计算和换料设计。其中，对于基本栅元计算，一直使用内置于物理计算程序RFSP中的POWDERPUFS-V(以下简称PPV)栅元程序，该程序栅元处理方法非常简单，没有采用严格的输运方法求解基本栅元截面参数。PPV程序只能用于天然铀计算，不适用于新燃料类型，比如回收铀燃料等，因此有必要对物理跟踪计算程序系统进行更新，使用基于严格输运理论的WIMS-AECL(以下简称WIMS)程序来进行基本栅元计算，由基于1.5群PPV更新为基于2群WIMS的物理计算程序系统。两套程序系统都是经过验证，都能满足工程应用。

1 程序系统的转换方法

1.1 转换前后的程序系统

重水堆物理计算程序RFSP(Reactor Fuelling Simulation Program)由CANDU6机组的设计者加拿大原子能公司(AECL)开发，用于反应堆物理设计、安全分析和换料设计等，它使用的方法是有限差分技术求解两群中子扩散方程。RFSP计算使用的基本栅元可以是由PPV程序计算的1.5群栅元截面，也可以是由WIMS程序计算的2群栅元截面。

PPV程序是在试验堆ZED-2测量数据基础上，建立起来的半经验栅元计算程序，使用Westcott核截面，采用简单的均匀化三区模型，仅适用于重水慢化和天然铀燃料。

WIMS程序是一个两维计算程序，核数据库采用89能群的ENDF/B-VI核数据库，它是基于基本物理原理的多群输运栅元程序，可对重水堆的燃料进行更为详细的基本栅元建模计算。为后续处理方便，WIMS程序将计算结果均放到二进制文件TAPE16中，用户可以控制具体的计算内容进行输出。

相比1.5群PPV程序栅元使用的8个截面参数，2群WIMS程序每个栅元有11个截面参数。RFSP程序求解2群扩散方程如下，对于1.5群PPV方法，方程中没有快裂变和向上散射项。

-·

(1)

-·

(2)

式中：1——快群；

2——热群。

RFSP程序从基于PPV到WIMS转换前后系统流程如图2所示，其中超栅元计算程序也有更新，在程序系统转换过程中同样需要对超栅元截面进行修改，另外需要建立2群的通量波模(FLX Modes)用于RFSP通量绘图计算，限于篇幅，本文对这两部分内容不作详细描述。

1.2 2群基本栅元SCM方法计算

对于PPV程序来说，其内置在RFSP程序中，计算过程直接调用，并在堆芯通量计算时进行总体迭代。

WIMS程序相比PPV计算，规模要大得多，计算所需时间较长，对于重水堆在线换料，并且三维堆芯计算来讲不太适合直接调用，另外它计算产生的数据需要用户自行进行处理。为保证工程上可行，采用一个简化的燃料模型来进行棒束截面跟踪，原先的二维复杂几何结构的燃料栅元被替换成了一个简单的一维等效圆柱几何结构。

SCM(Simple Cell Model)(见图3)方法就是上述这种简化的输运计算方法，用于替代PPV计算，其大量的基本参数从WIMS计算结果中产生，计算过程由WIMS UTITLITY程序统一处理，并生成标准的输出结果。

图2 重水堆物理计算程序系统更新前后对比Fig.2 The contrast before and after the update of CANDU reactor physical computing program system

图3 SCM简化栅元模型Fig.3 Simplified SCM lattice-cell

程序系统转换前要进行SCM计算，计算产生出该简化模型的两群均匀化截面数据库—“SCM tables”，它是一个7群3区(燃料+包壳+冷却剂，排管+环隙气体+压力管，慢化剂)的数据。

RFSP程序中内置了一个SCM模块，调用后SCM截面数据库会自动处理成2群1区数据用于堆芯计算，它们之间的关系和计算流程如图4所示。

图4 WIMS(SCM)程序与RFSP程序之间的关系Fig.4 Interface between WIMS(SCM)and RFSP

1.3 辐照数据转换

重水堆物理跟踪计算对堆内所有的棒束进行单独跟踪，在任何时间点上根据该棒束的燃耗和周围的环境计算下一个辐照时间点(一般间隔3～4满功率天)上的截面参数，直接用于堆芯通量计算。为保证跟踪计算的连续性，转换过程需要选择一个历史跟踪计算点，将该时间点的1.5群辐照数据(irradiation，单位n/kb)转换为2群辐照数据。

首先导出该时间点所有棒束基于PPV计算的辐照(PPV-irradiation)数据，根据转换前后所有棒束燃耗(burnup，单位MWh/kgU)不变的原则，利用PPV和WIMS程序分别计算得到的burnup与irradiation的相互关系，算出转换后所有棒束基于WIMS计算的辐照(WIMS-irradiation)数据(见图5)，完成该时间点堆芯状态从1.5群到2群的转换。

图5 堆芯跟踪计算程序系统的转换方法Fig.5 Method of core-tracking program system transition

1.4 堆芯跟踪计算程序系统转换

图6 堆芯跟踪计算转换流程Fig.6 Core-tracking calculation transition process

在基本栅元SCM计算和辐照数据转换都完成后，开始堆芯跟踪计算程序系统的转换。转换之前，首先需要进行2群的堆芯建模，相比1.5群堆芯建模，修改各反应性控制机构增量截面为2群截面，同时读入WIMS程序计算的2群基本栅元截面。

转换流程如图6所示，基于2群时均堆芯，加入*TAVEQUIV模块，转换为瞬时堆芯，读入1.3节计算得到的转换时间点基于WIMS计算的2群辐照数据，进行*SIMULATE计算，完成转换，之后基于转换结果继续进行2群的堆芯跟踪计算。

此外，RFSP计算输入文件卡要进行相应的修改，主要是用RFSP内置的SCM HI卡替换之前的PPV HI卡，相比RFSP程序其他输入卡需要固定位置输入，SCMHI卡参数可以自由格式输入。

为保证转换后跟踪计算的准确性，需要确保当前堆芯内所有棒束在入堆后都是基于转换后的2群程序进行的计算，因此转换需要选择至少2.5年前的时间点(确保每个通道进行了两次以上换料)，从这个点到当前时间点，所有历史计算都基于转换后的程序系统重新进行计算，完成程序系统的转换。之后即可以按照正常流程进行2群的堆芯跟踪计算。

2 转换前后数据对比分析

秦三厂1号机组选择2926.4满功率天(EFPD)为转换起点，进行1.5群PPV到2群WIMS的转换。转换后，从2926.4到3920.6满功率天，使用新的程序系统进行了重新计算，计算使用的换料设计方案基于原先的不变。下面通过重水堆安全相关的通道功率和棒束功率等进行对比分析，评估转换方法。

图7为2926.4～3920.6满功率天之间所有跟踪计算时间点的堆芯最大通道功率和最大棒束功率对比，对比结果显示，基于相同的换料设计，转换后相比转换前，每次计算最大通道功率相对偏差在-0.90%到+0.59%之间，最大棒束功率偏差在-1.60%到+0.50%之间，偏差较小，转换一段时间后，2群计算的最大棒束功率要小于1.5群计算。两套程序计算的所有通道功率和棒束功率均小于考虑不确定度后的功率限值。

比较2926.4～3920.6满功率天之间所有380个通道的通道功率，转换后相比转换前每个时间点偏差的均方根如图8所示。转换后相比转换前，2群计算的中心区域通道功率略高于1.5群计算的，除最外一圈，偏差都在±1%以内，偏差较大的都集中在最外圈，但由于最外圈功率本身较小，且裕量很大，对安全没有影响。

比较3920.6满功率天这一个时间点两套程序计算出的堆芯内各通道卸料燃耗，对比卸料燃耗在120MWd/kgU以上的通道，2群计算的燃耗相比1.5群的偏差在-2.5%到+0.4%之间，偏差很小，总体上2群计算的燃耗稍微偏低。

图7 转换后相比转换前的最大通道/棒束功率对比Fig.7 Comparison of the maximum channel/bundle power after and before transition

图8 通道功率对比(2926.4～3920.6 EFPD)Fig.8 Comparison of channel power(2926.4～3920.6EFPD)

3 总结

秦山CANDU重水堆物理基本栅元计算程序由1.5群的PPV转换为2群的WIMS程序后，基于新的程序体系进行堆芯跟踪计算，从计算结果看，两套程序系统计算的功率都在限值以下，各项参数偏差较小，转换方法满足现场使用要求。

程序系统转换后，将来使用新燃料，只需要针对新燃料使用WIMS程序计算新的截面数据库，RFSP程序读入即可实现新燃料的堆芯物理跟踪计算。

[1] W. Shen. RFSP-IST Version REL_3-04：Theory Manual[M]. CANDU Owners Group Inc.，2006：39-56.

[2] P. Schwanke. RFSP-IST Version REL_3-04：Users’ Manual[M]. CANDU Owners Group Inc.，2006：430-448.

[3] T. Liang. WIMS Utilities Version 2.0：User’s Manual[M]. CANDU Owners Group Inc.，2007：58-80.

TransitionFromPPVtoWIMS-AECLforQinshanCANDUReactorCoreTrackingCalculation

WANGJun

(CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Zhejiang Haiyan 314300)

The basic lattice calculation used in Qinshan CANDU reactor physics core tracking，currently use 1.5 group lattice sections which is calculated by PPV code. With the requirement of increasing calculation precision and the use of new fuel type in the future，it is necessary update to use 2 group lattice sections which is calculated by WIMS-AECL code. This paper focuses on the basic lattice code transition from PPV to WIMS-AECL，and the updating method of core tracking program system based on the transition code. The calculation results were compared and analyzed before and after transition.

CANDU reactor physics；Core tracking；PPV；WIMS-AECL；Transition

2017-09-08

王 军(1981—)，男，浙江遂昌人，高级工程师，硕士研究生，现从事反应堆物理工作

TL329

A

0258-0918(2017)05-0735-06