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基于SCIENCE程序包对COSINE燃料组件分析程序的独立验证

2025-01-03 132 上传者：管理员

摘要：本文采用法国的SCIENCE程序包对COSINE燃料组件分析程序cos LATC开展独立验证。采用COSINE组件计算程序cosLATC和SCIENCE程序包APOLLO2-F程序建立CPR1000机组典型的AFA3G燃料组件模型，对计算得到的燃料组件吸收截面、裂变产额截面和核子密度进行对比分析，并计算出偏差，分析认为影响COSINE组件计算程序cos LATC结果的主要影响因素为核素库、链式反应、组件内部的杂质等。该方法对国产自主化软件的独立验证具有重要的参考意义。

关键词：
cos LATC
COSINE
SCIENCE
燃料组件
独立验证
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独立验证是核电软件开发过程中的重要组成部分。国际原子能机构安全标准《核电厂确定论安全分析》（Deterministic Safety Analysis for Nuclear Power Plants:No.SSG-2)[1]明确表示将程序的评价分为开发评价与独立评价。在独立评价阶段，程序评价由独立于开发者的团队执行。

COSINE组件参数计算程序cos LATC是反应堆堆芯和设计的重要程序之一，其功能是对典型压水堆燃料组件进行计算。cos LATC用来提供各种类型组件的能谱以及等效均匀化少群常数，为堆芯物理分析程序cos CORE提供均匀化少群常数。李硕等[2]通过对基准问题的校验验证了自主开发的组件参数计算程序cos LATC。雷济充等[3]通过国际基准题以及基于ORIGEN-S的SCALE程序中对COSINE软件包组件参数程序cos LATC燃耗功能进行验证。组件均匀化少群常数堆芯物理分析程序作为重要上游输入，其精确性会对堆芯物理程序的计算精确度有着至关重要的影响。因此需要对COSINE组件计算程序开展独立验证。

SCIENCE程序包是从法国引进的中子物理计算程序包，主要包括组件计算程序APOLLO2-F、堆芯建模计算程序SMART。APOLLO2-F是计算非均匀两维栅元的多群输运程序，可提供堆芯计算所需的数据库。SCIENCE程序包广泛应用于M310堆型的计算研究。SCIENCE程序包的准确性和可靠性在法国CPY机组、EPR机组、N4机组，以及国内的CPR1000机组上都得到证实[4-6]。

本文以CPR1000机组典型的AFA3G燃料组件为研究对象，建立一套基于SCIENCE程序包对COSINE燃料组件分析程序独立验证的方法，验证COSINE软件的工程适用性。

1、计算模型

1.1燃料组件模型

采用COSINE组件计算程序cos LATC和法国的SCIENCE程序包APOLLO2-F程序针对CPR1000反应堆燃料组件分别建立模型、进行独立计算，通过程序计算结果的差异性对比，验证COSINE组件计算程序cos LATC的可靠性。

采用COSINE组件计算程序cos LATC和法国的SCIENCE程序包APOLLO2-F程序建立CPR1000机组典型的AFA3G燃料组件模型，在0～84000 MW·d/t U燃耗范围内，开展不同参数的敏感性分析，对比分析两套程序的计算结果差异。当燃耗为0～1000 MW·d/t U时，选择燃耗为0 MW·d/t U、150 MW·d/t U、500 MW·d/t U、1000 MW·d/t U；当燃耗为1000～10000 MW·d/t U时，以1000 MW·d/t U为步长；当燃耗为10000～30000 MW·d/t U时，以2000 MW·d/t U为步长；当燃耗大于30000 MW·d/t U时，以3000 MW·d/t U为步长。参数选取如下。

(1）富集度选取：1.8%、2.4%、3.1%、3.2%、3.7%、4.2%、4.45%。

(2）可燃毒物的类型：硼玻璃和钆。为了确保计算的典型性，燃料棒布置最常用的钆棒数为4、8、12、16、20或者24根，硼玻璃棒数量为12根或者16根。

将COSINE组件计算程序cos LATC和法国的SCIENCE程序包APOLLO2-F计算得到的燃料组件增殖因子、吸收截面、裂变产额截面和核子密度进行对比分析，计算出偏差，并分析偏差的主要影响因素。根据偏差的分析结果确定待验证程序的正确性和可靠性。

1.2偏差值计算

本文SCIENCE和COSINE计算的无穷增殖因子（kinf）对比采用偏差的绝对值。

SCIENCE和COSINE计算的吸收截面、裂变产额截面和核子密度偏差值的计算公式如下：

2、计算结果

2.1增殖因子kinf

SCIENCE和COSINE计算的kinf的比较如图1所示。kinf的偏差不超过851 pcm。

图1 kinf偏差值

Fig.1 Deviation of kinf

2.2吸收截面

SCIENCE和COSINE计算的单群吸收截面的比较如图2所示。SCIENCE和COSINE计算的单群吸收截面参数偏差较小，不超过2.395%。SCIENCE和COSINE计算的两群吸收截面的比较如图3所示。SCIENCE和COSINE计算的两群吸收截面参数偏差较小，不超过1.546%。

2.3裂变产额截面

SCIENCE和COSINE计算的单群裂变产额截面的比较如图4所示。SCIENCE和COSINE计算的两群裂变产额截面的比较如图5所示。SCIENCE和COSINE计算的单群裂变产额截面参数偏差较小，不超过3.664%。SCIENCE和COSINE计算的两群裂变产额截面参数偏差较小，不超过3.261%。

图2 单群吸收截面偏差值

图3 两群吸收截面偏差值

2.4核子密度

SCIENCE和COSINE两个程序采用的是不同的核素库，程序内所设置的链式反应可能有所差距，会造成部分核素的核子密度的计算值的差异。本文选取了SCIENCE和COSINE计算的235U、238U、239Pu、240Pu、241Pu和135Xe的核子密度进行比对分析。

2.4.1 235U

SCIENCE和COSINE计算的235U核子密度的比较如图6所示。SCIENCE和COSINE计算的235U核子密度的偏差随着燃耗的增大而增大。在初始时刻，即零燃耗下，SCIENCE和COSINE计算出的235U核子密度偏差小于3‰。当燃耗值小于10000 MW·d/t U时，SCIENCE和COSINE计算出的235U核子密度偏差小于1%。当燃耗值小于30000 MW·d/t U时，SCIENCE和COSINE计算出的235U核子密度偏差小于5%。

2.4.2 238U

图4 单群裂变产额截面偏差值

图5 两群裂变产额截面偏差值

SCIENCE和COSINE计算的238U核子密度的比较如图7所示。SCIENCE和COSINE计算出的238U核子密度偏差较小，不超过0.5%。

图6235U核子密度偏差值

图7238U核子密度偏差值

2.4.3 239Pu

SCIENCE和COSINE计算的239Pu核子密度的比较如图8所示。0 MW·d/t U燃耗下，由于SCIENCE程序的计算中考虑了燃料组件内含有少量的239Pu杂质，其含量约为6.7×10-9(1.0E+24/cm3），含量很小。COSINE计算中考虑239Pu杂质的核子密度为零。因此，SCIENCE和COSINE计算出的239Pu的核子密度在燃耗小于1000 MW·d/t U时相对偏差较大。随着燃耗的加深，239Pu的含量增加，两个程序计算值的偏差有所减小。当燃耗大于5000 MW·d/t U时，偏差不超过5%。

图8239Pu核子密度偏差值

2.4.4 240Pu

SCIENCE和COSINE计算的240Pu核子密度的比较如图9所示。两个程序对组件内部的杂质的考虑不同。0 MW·d/t U燃耗下，由于SCIENCE程序的计算中考虑了燃料组件内含有少量的240Pu杂质，所以其核子密度不为零。COSINE计算中不考虑240Pu杂质，240Pu核子密度的初始值为零。这可能会对部分核子密度的计算结果造成影响。同时因为240Pu在小燃耗的核子密度较小，因此，燃耗小于1000 MW·d/t U时，SCIENCE和COSINE计算出的240Pu的核子密度相对偏差较大。随着燃耗的加深，240Pu的含量逐渐累加，两个程序计算值的偏差有所减小。当燃耗超过12000 MW·d/t U时，偏差不超过5%。

2.4.5 241Pu

SCIENCE和COSINE计算的241Pu核子密度的比较如图10所示。0 MW·d/t U燃耗下，由于SCIENCE程序的计算中考虑了燃料组件内含有少量的241Pu杂质，所以其核子密度不为零。COSINE计算中不考虑241Pu杂质，241Pu核子密度的初始值为零，因此，SCIENCE和COSINE计算出的241Pu的核子密度在燃耗小于1000 MW·d/t U时相对偏差较大，随着燃耗的加深，241Pu的含量累加，两个程序计算值的偏差有所减小，当燃耗大于20000 MW·d/t U时，偏差不超过5%。

图9240Pu核子密度偏差值

图1 0241Pu核子密度偏差值

根据239Pu、240Pu和241Pu核子密度的计算结果，cos LATC可以进一步优化燃料组件239Pu、240Pu和241Pu核子密度杂质的初始假设。

2.4.6 135Xe

SCIENCE和COSINE计算出的135Xe核子密度的偏差如图11所示。SCIENCE和COSINE计算出的135Xe核子密度的偏差不超过6%。

图1 1135Xe核子密度偏差值

3、结论

本文建立了基于SCIENCE程序包对COSINE燃料组件分析程序独立验证的方法。采用COSINE组件计算程序cos LATC和法国的SCIENCE程序包APOLLO2-F程序建立CPR1000机组典型的AFA3G燃料组件模型，用计算得到的燃料组件吸收截面、裂变产额截面和核子密度进行对比分析，除了239Pu、240Pu和241Pu核子密度在寿期初计算偏差较大外，其他计算偏差较小（最大不超过6%）。分析认为，影响COSINE组件计算程序cos LATC结果的主要影响因素为核素库、链式反应、组件内部的杂质等。该方法对国产自主化燃料组件软件的独立验证具有重要的参考意义。

参考文献:

[2]李硕,张斌,刘志彦,等.COSINE软件包组件参数计算程序LATC中S_N输运模块的开发与初步验证[J].原子能科学技术,2013,47(S1):338-341.

[3]雷济充,谢金森,于涛,等.Cosine软件包组件参数程序cosLATC燃耗功能的验证[J].南华大学学报(自然科学版),2020,34(4):1-6+19.

[4]张洪,李雷,李庆,等.大亚湾核电站18个月换料燃料管理研究[J].核动力工程,2002(5):14-17.

[5]李冬生.大亚湾核电站第九循环堆芯换料设计[J].核动力工程,2002(5):18-21.

[6]陈秋炀,薛峰,高拥军.破损燃料组件修复后的物理和热工计算分析[J].核动力工程,2017,38(5):119-122.

基金资助:大型先进压水堆核电站国家科技重大专项科研课题,项目编号:2017ZX06004002;

文章来源:陈秋炀,那福利,刘芳,等.基于SCIENCE程序包对COSINE燃料组件分析程序的独立验证[J].核安全,2024,23(06):63-68.