栅格非均匀效应与均匀化群常数计算

《栅格非均匀效应与均匀化群常数计算》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第6章栅格非均匀效应与均匀化群常数计算临界计算的前提是精确地确定多群扩散方程的系数,计算结果的精确度在很大程度上依赖于这些所采用群常数的精确度。常见动力堆基本上全是非均匀反应堆，世界上第一座反应堆是非均匀反应堆。对于非均匀栅格，由于空间的非均匀性，给群常数计算带来更大困难。本章将讨论栅格的非均匀效应以及非均匀栅格均匀化群常数计算。6.1栅格非均匀效应按照堆芯内燃料和慢化剂的分布形式，反应堆可以分为均匀和非均匀两类：均匀堆中，燃料和慢化剂均匀混合在一起，如：把铀和慢化剂制成铀盐溶液。非均匀堆中，把燃料集中制成块状，如圆柱体、环形、球形、片状等，

2、按一定的几何形式放入慢化剂中，构成栅格结构的堆芯。常见的栅格结构有正方形和六角形栅格：正方形栅格（a）、六角形栅格（b）和平板栅格（c）的示意图非均匀栅格内的中子通量密度分布是不均匀的：热中子分布热中子主要在慢化剂中产生热中子主要被燃料核吸收，形成从慢化剂向燃料块热中子流。空间自屏效应：外层燃料核对内层燃料核的屏蔽作用。使热中子利用系数减小，燃料得不到充分利用，非均匀堆缺点。共振中子分布共振中子主要在慢化剂中产生。由于燃料核共振吸收截面大（7000靶），共振中子平均自由程短（0.003cm），共振中子会发生强烈空间自屏效应。栅格内裂变中子（1

3、）、共振中子（2）和热中子（3）的空间分布共振中子分布共振中子基本上在燃料表面就完全被吸收，所以燃料内共振中子通量密度分布下降非常急剧（自屏效应）。对于非均匀堆，由于燃料之间距离大，使得裂变中子有更大的机会在慢化剂中直接慢化成热中子而不发生共振吸收。由于这两原因，非均匀堆中燃料核共振中子吸收能力减小,逃脱共振俘获概率p增大，非均匀堆优点。裂变中子分布使用非均匀燃料分布，增加了高能中子与燃料快碰撞的几率而引起U238的裂变，使得燃料中快中子增殖效应增大。非均匀堆优点。栅格内裂变中子（1）、共振中子（2）和热中子（3）的空间分布非均匀栅格内的中子

4、通量密度分布是不均匀的。空间自屏效应对热中子吸收不利，但却对逃脱共振吸收有利。使用非均匀燃料分布，增加了高能中子与燃料快碰撞的几率而引起U238的裂变，使得燃料中快中子增殖效应增大。合理选择燃料快的直径或厚度、栅距等，可以增加无限介质增殖因子。因栅格的块结构所引起的效应,以及由其所产生的各种参数的变化,通常叫做非均匀效应。6.2栅格的均匀化处理6.2.1栅格的均匀化非均匀堆有上万根燃料棒,临界计算非常复杂或不可能。非均匀堆中子通量密度分布整体分布加精细分布。实际计算中，非均匀堆等效为均匀反应堆，而所得能谱和临界计算结果与原来非均匀堆相同。非均

5、匀堆的均匀化处理（a）非均匀堆内的中子通量密度分布；（b）等效均匀堆内的中子通量密度分布所谓的均匀化就是用一个等效的均匀介质来代替非均匀栅格，使得计算结果（特征物理量，如中子反应率）与非均匀栅格相等或近似。关键问题是如何确定等效均匀化介质的各种中子截面参数或有效群参数。首先保证栅元内各能群的各种中子反应率保持相等。即：我们认为：非均匀介质的均匀化计算公式：非均匀反应堆的计算可分成两步进行：栅格均匀化，考虑非均匀效应计算出等效均匀化系统的均匀化常数；将非均匀系统等效为均匀系统，利用计算出的均匀化常数，采用均匀反应堆理论计算临界大小、中子通量密度

6、分布、功率分布等。上述处理方法叫做非均匀反应堆的均匀化处理。6.2.2堆芯的均匀化截面的计算对于一个有上万栅元的堆芯，仅仅进行以栅元为基础的均匀处理是不够的，还要以燃料组件为单位进行均匀化处理，求出每个燃料组件的有效均匀化截面，然后进行全堆芯的临界扩散计算，求出堆芯内中子通量密度或功率分布。以压水堆为例，非均匀反应堆的均匀化计算步骤为：第一步从栅元的均匀化开始进行均匀化计算。第二步利用栅元的均匀化计算结果进行燃料组件的均匀化计算。第三步利用燃料组件的少群均匀化常数，进行2~4群的堆芯扩散计算，得出堆芯的物理量，如有效增殖因子，中子通量密度等。

7、非均匀堆（轻水堆）计算流程示意图6.3栅元均匀化群常数的计算栅元均匀化群常数计算中主要问题是求栅元中各种介质的中子通量密度分布。栅元介质有强吸收性和不均匀性，中子扩散理论不适用。栅元均匀化通常采用更精确的数值计算方法，有SN方法、CPM方法、MonteCarlo方法等。CPM方法应用最广，优点是有较高的精确度并且计算方法简单。下面介绍应用碰撞概率方法计算栅元的均匀化群常数维格纳-赛兹（Wigner-Seitz）等效栅元近似栅元组成和等效栅元6.3.1积分输运理论的基本方程先从中子平衡基本原理出发列出积分输运理论的基本方程。假设在实验室系内中子

8、与原子核的散射各向同性，rˊ处源Q(rˊ,E)所产生中子对r处的中子通量密度的贡献为其中为连接rˊ与r点的直线路径的“光学距离”，也就是以平均自由程为单位量度的距离