基于MCNP程序的海洋核动力平台堆芯核设计校核计算研究1

杨 文，姚世卫，邰 云，邱金荣，巢 飞，李 兴

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430046）

海洋核动力平台是小型核反应堆［1］与船舶工程技术的有机结合，是一种具有复杂系统工程特征的海上浮动核电站（Floating Nuclear Power Plant，FNPP），可对外持续提供电力、淡水等能源保障，具有机动性好、一次性装料运行周期长、功率密度大、运行成本低、节能环保等特点，不占用宝贵的陆地资源，在海洋资源开发、岛礁建设、未来深海探测等若干能源保障方案中具有明显优势，满足可持续发展的需求，具有广阔的应用前景。海洋核动力反应堆是海洋核动力平台的“心脏”，是产生用于对外电力或淡水输出或作为动力推进船舶航行的能量源泉。

核设计校核计算［2］在海洋核动力平台反应堆安全分析中一直发挥着重要作用，其计算的准确性和可靠性是安审始终关注的焦点。本文采用MCNP程序［3］，建立海洋核动力平台反应堆堆芯的精准MC模型，对首循环初始装料冷态、常压下的反应性分配和控制棒价值进行计算，为海洋核动力平台反应堆的安全分析提供指导。

1 研究对象

海洋核动力平台反应堆堆芯是为系统提供裂变热能的核心装置。作为海洋核动力平台的重要组成部分，海洋核动力平台反应堆堆芯［4］采用热中子压水型反应堆，采用轻水为冷却剂和慢化剂。燃料元件采用235U富集度为3%左右的UO2烧结芯块。反应堆堆芯由283盒燃料组件、77根固体可燃毒物棒和25束控制棒组成。堆芯径向反射层主要包括水、吊篮和压力容器，轴向反射层主要包括燃料棒气腔、端塞、管座、栅格板、水等。堆芯燃料组件为六角形栅格布置，如图1所示。每7根或6根控制棒组成一束，25束控制棒分为A、C1、C2、E1、E2、F1、F2、N共8组，每组控制棒联合动作实现反应性控制。白色为纯组件，P和S分别为一次中子源和二次中子源装配位置。

图1 堆芯布置示意图Fig.1 Schematic diagram of core layout

海洋核动力平台反应堆堆芯有三类燃料组件［5］，包括含纯组件、含控制棒组件以及可燃毒物组件。组件盒和中心导向管材料均为Zr-4合金，两者之间按角度均匀排布两圈燃料元件，内圈12根，外圈18根，共排布30根燃料元件。燃料元件由Zr-4合金包壳、氦气气隙和二氧化铀燃料芯块组成。可燃毒物棒结构采用环状芯块套管的形式，中间夹层为B4C-Zr-2吸收体。控制棒为环状铪吸收体，吸收体总长1300 mm。海洋核动力平台燃料组件主要参数如表1所示。

表1 海洋核动力平台燃料组件参数Table 1 Parameters of fuel assembly for marine nuclear power platform

2 研究方法

MCNP程序是美国阿拉莫斯实验室研制的大型多功能蒙特卡罗程序。与确定性数值方法不同，该程序采用非确定性数值方法，可用于计算中子输运问题和系统的本征值问题。MCNP程序凭借强大的三维描述能力，可处理较复杂的几何结构问题。由于MCNP是国际公认的中子和光子输运程序，在对堆芯进行建模时常选择这一软件进行参考对比。MCNP模拟在适当简化反应堆支撑构件的基础上，由内向外进行建模：从构建燃料棒到组件再到堆芯，最后是堆芯构件。采用MCNP建立全堆芯计算模型，如图2和图3所示。

图2 海洋核动力平台反应堆MCNP模型横剖面示意图Fig.2 Radial section of MCNP model for marine nuclear power platform

图3 海洋核动力平台反应堆MCNP模型纵剖面示意图Fig.3 Axial section of MCNP model for marine nuclear power platform

计算中忽略了组件轴向方向布置的定位格架，对组件轴向顶部和底部反射层采用均匀化处理。计算模型顶部和底部的反射层外表面采用真空边界条件，压力容器外侧也为真空。本研究对反应堆堆芯进行特征值计算，堆芯的中子注量率高，且分布比较均匀。因此，堆芯中各个栅元的中子重要性IMP均设为l；反应堆以外区域中子重要性设定为0，表示中子离开反应堆将自动湮灭。建立计算模型时，使用KCODE卡来定义临界源，每代20万个中子，计算500代，其中跳过100代。使用评价过的核数据库为ENDF/B-Ⅵ［6］。

3 数值结果

3.1 反应性计算

反应堆应留有足够的初始剩余反应性以补偿运行过程中温度效应、中毒、燃料消耗等引起的反应性损失，以保证预期的燃耗深度和堆芯寿期。反应堆在所有运行模式下，假设反应性价值最大的一束控制棒卡在堆芯外部（卡棒准则），要求keff小于0.99，以保证安全停堆且具有一定的停堆裕量［7］。当燃料组件已装入压力容器而容器顶盖开启时，所有控制棒投入堆芯，keff应小于0.95。堆芯初始冷态临界计算结果见表2。

表2 初始堆芯不同状态下keff和反应性值Table 2 keff and reactivity values in different states of the initial core

计算结果表明，反应堆具有足够的初始剩余反应性和停堆裕量，满足卡棒设计准则要求。同时，核设计值与MCNP校核计算结果之间的最大反应性偏差出现在控制棒全部插入时，这可能是由多束控制棒偏差叠加导致的。

3.2 控制棒价值计算

控制棒价值的计算即为计算堆芯插入某控制棒时和提出该控制棒时的反应性，两种情况下的反应性之差即为控制棒的价值。而往往控制棒价值与堆芯不断变化的状态有关，如堆芯中子能谱，慢化剂密度，控制棒所在位置的中子注量率等因素都会影响控制棒价值的大小。

表3给出了寿期初冷态各组控制棒的反应性价值计算结果。可以看出，各组控制棒单独插入的价值总和为14578 pcm，小于控制棒全部插入时的价值（24860 pcm），控制棒组间总的干涉效应为正。另外，在控制棒单独插入的情况下，核设计值与MCNP校核计算结果之间的偏差均小于100 pcm。

表3 各组控制棒单独插入控制棒价值计算结果Table 3 Calculation results of control rod worth

控制棒间有较强的干涉效应，因此堆内有其他控制棒时，提出某棒与其单独插入时价值有较大差别。由于净堆无控制棒时，中心中子注量率高，中心棒价值高；当控制棒全插入时，中子注量峰移至外围，外围控制棒价值相对会变大。按提棒程序依次提出各组控制棒时的价值，对反应堆运行更具有参考意义。表4和表5中分别给出了以E1和C1作为调节棒，其他棒组按相应提棒程序依次提出堆芯时的控制棒价值。可以看出，核设计值与MCNP校核计算结果之间的偏差均小于100 pcm。

表4 E1作为调节棒控制棒价值计算结果Table 4 Calculation results of control rod worth

表5 C1作为调节棒控制棒价值计算结果Table 5 Calculation results of control rod worth

表6为冷态调节棒E1积分价值曲线，计算时其他棒组棒位分别为：N、F1、F2、A/1400 mm，E2、C1、C2/100 mm。核设计值和校核计算的E1棒组总积分价值分别为3288 pcm和3313 pcm，偏差为25 pcm。核设计值和校核计算在棒位600 mm附近，E1棒组微分价值分别为4.6 pcm/mm和4.3 pcm/mm，偏差为-0.3 pcm/mm。总之，对于控制棒价值，核设计值与校核计算结果互相吻合良好。

表6 E1棒组控制棒积分价值计算结果Table 6 Calculation results of integral control rod worth for E1 bank

4 结论

本文基于MCNP程序建立海洋核动力平台反应堆堆芯校核计算模型，计算获取了冷态下的反应性分配和控制棒价值等数值结果。通过将校核计算结果与核设计值对比，可知基于MC方法的全堆芯计算结果与核设计值基本一致。