核科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容： 蒙特卡羅程序MCNP在堆物理計(jì)算中的應(yīng)用</p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　成 員 ： </p&

2、gt;<p>　　學(xué) 院 ： 核科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　日 期 ： 2011年12月15日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書······&#

3、183;·························· 3</p><p>　　MCNP程序簡(jiǎn)介····

4、83;·························3</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)第一部分實(shí)現(xiàn)·····

5、83;··················3</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)第二部分實(shí)現(xiàn)············

6、83;···········8</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)第三部分實(shí)現(xiàn)···················

7、83;····14</p><p>　　設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告···························

8、·····60</p><p>　　參考文獻(xiàn)···························

9、;·········60</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　一．設(shè)計(jì)任務(wù)書：</b></p><p><b>　　1．設(shè)計(jì)目的</b></p><p&g

10、t;　　a. 掌握粒子輸運(yùn)模擬的基本原理；</p><p>　　b. 掌握蒙特卡羅程序MCNP的使用方法</p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　a.利用MCNP程序建立柵元計(jì)算模型，并計(jì)算不同水鈾比、硼濃度及燃料富集度時(shí)柵元的；</p><p>　　b.利用MCNP程序建立組件計(jì)算模型，并

11、計(jì)算不同可燃毒物布置下組件；</p><p>　　c..利用MCNP程序建立小堆芯問(wèn)題（C5G7基準(zhǔn)問(wèn)題），并計(jì)算其及功率分布；</p><p>　　二．MCNP程序簡(jiǎn)介：</p><p>　　Monte Carlo方法的MCNP程序是一個(gè)大型三位程序，可用于計(jì)算中子、光子或中子-光子耦合輸運(yùn)問(wèn)題，也可以計(jì)算臨界系統(tǒng)（包括次臨界及超臨界）的本征值問(wèn)題。MCNP不直接

12、解輸運(yùn)方程，而是通過(guò)模擬大量粒子行為并記錄它們平均行為的某些特征來(lái)得到輸運(yùn)方程。MANP可以處理任意三維幾何機(jī)構(gòu)問(wèn)題，幾何區(qū)的界面可以是平面、二階以及某些特殊的四階曲面，其輸入文件包括柵元卡、表面卡和數(shù)據(jù)卡。其中，數(shù)據(jù)卡又包括材料卡、源項(xiàng)卡、計(jì)數(shù)卡。利用表面卡和柵元卡對(duì)堆芯以及反射層做出精確的幾何描述。</p><p>　　MCNP把幾何空間分為許多柵元，每個(gè)柵元有一個(gè)或幾個(gè)曲面圍城，柵元內(nèi)填充材料。所有柵元都在

13、柵元卡中列出，而表面卡則列出全部平面和曲面，材料卡列車所用全部材料。臨界計(jì)算的區(qū)域位于堆芯附近，中子注量率很高，分布比較均勻。蒙特卡洛方法的抽樣與粒子密度成正比，因而，臨界計(jì)算中抽樣問(wèn)題不會(huì)構(gòu)成障礙，可不予以考慮。故堆芯各個(gè)柵元的重要性均設(shè)為1。</p><p>　　MCNP可以對(duì)物理模型在幾何上進(jìn)行非常精確的描述而不用采取任何近似，因此極大地減少了由于建模而引入的誤差。</p><p>

14、<b>　　三．設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)現(xiàn)：</b></p><p><b>　　3.1第一部分:</b></p><p>　　利用MCNP程序建立柵元計(jì)算模型，并計(jì)算不同水鈾比、硼濃度及燃料富集度時(shí)柵元的</p><p>　　3.1.1 柵元模型的建立</p><p><b>　　源程序如下：<

15、/b></p><p>　　3.1.2不同水鈾比時(shí)柵元的</p><p>　　1.水鈾比的定義：慢化劑和燃料的體積比VH2O/VUO2。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們采用讓燃料的2.體積保持不變，通過(guò)改變柵元的大小來(lái)改變水的體積從而得到不同的水鈾比。</p><p>　　3.變量實(shí)現(xiàn)：VH2O/VUO2=（D2-πr12）/πr22</p><p&

16、gt;<b>　　D為柵元的邊長(zhǎng)</b></p><p>　　r1為燃料組件的包殼的外徑</p><p>　　r2為燃料組件的組件的半徑</p><p><b>　　4.數(shù)據(jù)記錄：</b></p><p><b>　　表1</b></p><p><

17、;b>　　5.數(shù)據(jù)處理：</b></p><p>　　利用數(shù)據(jù)，在origin中畫圖，圖形如下所示：</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　6.結(jié)論：</b></p><p>　　由圖像可以看出，隨著VH2O/VUO2的增大，Kinf先增大后減少，在

18、VH2O/VUO2=3.79處Kinf達(dá)到最大值為Kinf=1.40253。當(dāng)VH2O/VUO2增加時(shí)，一方面由于柵元的慢化能力增大，漫畫過(guò)程中的共振吸收減少，即逃脫共振俘獲的概率增加，因而是有效增值系數(shù)Kinf增加。另一方面，VH2O/VUO2的增加表示柵元里面的慢化劑的含量增大，使熱中子被慢化吸收的份額增加，因而熱中子的利用系數(shù)下降而使Kinf下降。在低的VH2O/VUO2中前一種效應(yīng)是主要的。但是VH2O/VUO2達(dá)到某個(gè)值之后，

19、由于共振吸收的減少所帶來(lái)的Kinf的增加恰好被慢化劑中有害吸收增大所引起的Kinf下降所抵消。在進(jìn)一步提高VH2O/VUO2，則慢化劑內(nèi)的熱中子的吸收進(jìn)一步增加，將使Kinf下降。兩種作用的共同影響使Kinf隨VH2O/VUO2的變化如圖1所示。</p><p>　　3.1.3不同硼濃度時(shí)柵元的</p><p><b>　　1.變量實(shí)現(xiàn)：</b></p>

20、<p>　　硼濃度的c的單位是ppm，而在MCNP中硼濃度的表示可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是通過(guò)H,O,B的原子密度比來(lái)表示，另一種是通過(guò)各個(gè)元素之間的質(zhì)量比來(lái)表示。在這次課程設(shè)計(jì)的計(jì)算中采用第二種方式進(jìn)行表示。所以，首先要進(jìn)行單位的轉(zhuǎn)換。通過(guò)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：</p><p><b>　　2.數(shù)據(jù)記錄：</b></p><p><b>

21、;　　表2</b></p><p><b>　　3.數(shù)據(jù)處理：</b></p><p>　　利用數(shù)據(jù)，在origin中畫圖，圖形如下所示：</p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>　　4.結(jié)論：</b></p><p&g

22、t;　　隨著硼濃度的增加，依次遞減。這是由于硼是中子吸收體，硼濃度越高，對(duì)于中子的吸收能力越強(qiáng)，與核燃料發(fā)生裂變反應(yīng)的熱中子減少，導(dǎo)致減小。</p><p>　　3.1.3. 不同燃料富集度時(shí)柵元的</p><p><b>　　1.變量實(shí)現(xiàn)：</b></p><p>　　燃料的富集度是指U235/U235+U238,因而在程序的“92235 0

23、.03 92238 0.97 8016 2”，通過(guò)改變92235和92238的比例即可。</p><p><b>　　2.數(shù)據(jù)記錄：</b></p><p><b>　　表3</b></p><p><b>　　3.數(shù)據(jù)處理：</b></p><p>　　利用數(shù)據(jù)，在origi

24、n中畫圖，圖形如下所示：</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　4.結(jié)論：</b></p><p>　　Kinf隨燃料富集度的上升而增加，而逐漸增大。因?yàn)?，燃料的富集度增加，即U235的原子的體密度增加，燃料的宏觀截面增大，所以，U235與中子發(fā)生裂變反應(yīng)的概率增大；同時(shí)，裂變反應(yīng)的增多產(chǎn)使

25、得生的中子數(shù)量增大，進(jìn)一步增加了裂變反應(yīng)的概率，因此，kinf隨燃料富集度的增大而增大。</p><p><b>　　3.2第二部分</b></p><p>　　利用MCNP程序建立組件計(jì)算模型，并計(jì)算不同可燃毒物布置下組件</p><p><b>　　3.2.1綜述：</b></p><p>　　

26、由于可燃毒物棒的數(shù)量已被限定為4根，同時(shí)可燃毒物棒的只能在導(dǎo)向管中分布，而且，①一般情況下，燃料組件中心導(dǎo)向管不能插入可燃毒物棒；②可燃毒物棒的分布一般采用非對(duì)稱分布，這主要是考慮到堆芯中的燃料組件有不同的富集度，且采用的分批換料方式時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中能夠有較均勻的功率分布，以及運(yùn)行后燃料能有較大的燃耗。</p><p>　　因此，為了得到最合理最經(jīng)濟(jì)的可燃毒物分布，在滿足以上要求的情況下，我們采用了窮舉法的辦法，

27、來(lái)計(jì)算每一種情況下kinf的值，kinf最大時(shí)對(duì)應(yīng)的可燃毒物分布即為最佳分布。</p><p><b>　　3.2.2源程序：</b></p><p>　　a.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　此時(shí)：Kinf1=1.04773</p>

28、<p>　　b.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　此時(shí)：kinf2= 1.04142</p><p>　　c.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　此時(shí)：kinf3= 1

29、.03706</p><p>　　d.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　此時(shí)：kinf4=1.03987</p><p>　　e.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖8</b></p><p

30、>　　此時(shí)：kinf5=1.03858</p><p>　　f.燃料分布的圖形如下：</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　此時(shí)：Kinf6=1.03692</p><p>　　g.數(shù)據(jù)整理與分析：</p><p>　　由上面的kinf分析可以知道：采用</p&

31、gt;<p><b>　　圖10</b></p><p>　　這種形式的可燃毒物的布置時(shí)，kinf達(dá)到最大，有綜述中的判斷依據(jù)知道，該種形式即為可燃毒物的最佳布置。這種布置的最大特點(diǎn)是不均勻性，且可燃毒物高度集中。由于中子沿徑向的功率分布是由里往外逐漸減小的，因此，可燃毒物越是靠近組件外圍，對(duì)kinf的減小作用越小，反之，越大。而以上布置恰好使可燃毒物對(duì)kinf的減小作用達(dá)到最

32、小。</p><p><b>　　3.3第三部分：</b></p><p>　　利用MCNP程序建立小堆芯問(wèn)題（C5G7基準(zhǔn)問(wèn)題），并計(jì)算其及功率分布</p><p><b>　　a.源程序如下：</b></p><p>　　b.數(shù)據(jù)整理與分析：</p><p>　　1.本次

33、課程設(shè)計(jì)，堆芯的四分之一對(duì)稱分布如下：</p><p><b>　　表4</b></p><p>　　222代表MOX-R組件;444代表MOX組件;333代表UOX組件;111代表慢化劑組件</p><p>　　2.UOX燃料組件的分布如下圖所示：</p><p><b>　　圖10</b><

34、;/p><p>　　3.MOX燃料組件分布如下圖所示：</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　c.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理：</b></p><p>　　由于堆芯是八分之一對(duì)稱，所以數(shù)據(jù)只列出八分之一的數(shù)據(jù)。如下圖：</p><p><b>　　表

35、5</b></p><p>　　1.17的數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　表6</b></p><p>　　2.27的數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　表7</b></p><p>　　3.37的數(shù)據(jù)如下：</p><p>&

36、lt;b>　　表8</b></p><p>　　4.47的數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　表9</b></p><p>　　5.57的數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　表10</b></p><p>　　6.67的數(shù)據(jù)如下：</p>

37、<p><b>　　表11</b></p><p><b>　　g.數(shù)據(jù)說(shuō)明：</b></p><p>　　填充黃色的為Keff=0，即導(dǎo)向管的分布情況；填充紅色為在組件中Keff最大。由上面的數(shù)據(jù)可以看出，Keffmax=1.7835</p><p><b>　　四.課程設(shè)計(jì)總結(jié)：</b&g

38、t;</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，由周健文，唐宇琨，趙宇宇，張朝柱，盧亮等五位同學(xué)共同完成。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，</p><p>　　我們了解堆芯設(shè)計(jì)的基本思想與方法，以及堆芯設(shè)計(jì)的基本程序；</p><p>　　為了完成本次課程設(shè)計(jì)，我們是使用了經(jīng)典程序：MCNP。對(duì)于MCNP輸入?yún)?shù)的命令及其作用有了基本的了解；</p><p>　　

39、本次課程設(shè)計(jì)相對(duì)而言任務(wù)比較繁多，計(jì)算量比較大，因此，有效地組織成員溝通，討論課程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，交流彼此的觀點(diǎn)與想法，是縮短完成設(shè)計(jì)所需時(shí)間，提高時(shí)效的重要保證。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，大家集思廣益，各抒己見(jiàn)，但是又能很好的配合小組安排，我在此對(duì)周健文，唐宇琨，趙宇宇，張朝柱等幾位組員表示衷心的感謝。</p><p>　　在做第三問(wèn)時(shí)，我們小組也曾遇到困難，但是在蔣校豐老師的悉

40、心指導(dǎo)下，我們最終將問(wèn)題解決，在此，對(duì)蔣老師的幫助表示誠(chéng)摯的謝意。</p><p><b>　　五．參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 鐘兆鵬，施工，胡永明《MCNP程序在反應(yīng)堆臨界計(jì)算中的應(yīng)用》[J], 核動(dòng)力工程，2004，24（1）</p><p>　　[2] MCNP中文說(shuō)明書</p><p>　　[