高保真的全堆芯共振参数计算方法研究

High-fidelity neutronics analysis has a great prospect for improving the safety and economy of nuclear reactor, and its accuracy is ultimately determined by the resonance parameters. This proposal is dedicated to develop a high-fidelity whole-core resonance parameter calculation method by establishing exact numerical models for the spatial dependence, angular dependence and the group structure of resonance parameters, which are critically important for the accuracy of resonance parameters. The spatially dependent resonance parameter calculation method is established to directly provide the sub-pin-level heterogeneous resonance parameters. In this method, the global heterogeneous effect is treated with embedded self-shielding method, while the local heterogeneous effect in a fuel pin is exactly simulated with wavelet expansion method. The space-dependent Dancoff method is used to couple the above two calculations. The angular dependence of resonance parameters is taken into account by the super-homogenization factor, by which the accuracy of resonance parameters is improved without significantly increasing the data storage. The group structure optimization method is developed based on the contribution response theory to preserve the accuracy of the resonance parameters when the number of groups is reduced, which is important for the efficient solving of the whole-core transport calculation. This research has obvious significance on the achievement of high-fidelity direct whole-core neutronics analysis and important application worth on the optimization of the reactor design.

高保真中子学分析对提高反应堆的安全性和经济性具有广阔的应用前景，而共振参数是决定中子学分析结果精度的关键因素。本项目提出一套高保真全堆芯共振参数计算方法，针对影响共振参数精度的三个关键因素，即空间相关性、角度相关性和能群结构，分别建立精确的数值模型：在利用嵌入式共振计算方法快速处理宏观非均匀效应的基础上，利用小波尺度函数展开法精确模拟燃料棒内的局部非均匀效应，利用空间相关丹可夫方法将二者耦合，建立空间相关共振参数计算方法，可直接获得燃料棒内非均匀的共振参数；采用超级均匀化因子方法将角度相关性考虑到共振参数之中，在不显著增加数据存储量的前提下，提高共振参数的精度；基于贡献响应原理建立共振能区能群结构的优化方法，实现在不降低共振参数精度的前提下减少能群数目，提高全堆输运计算的效率。本项目对实现高保真的全堆芯一步法中子学计算具有重要的理论意义，对优化反应堆设计具有重要的应用价值。

共振截面是决定高保真中子学分析结果精度的关键，本项目针对共振截面空间、角度、能量相关性，建立了一套高保真全堆芯共振参数计算方法，主要成果包括：.（1）针对空间相关性，基于整体与局部耦合的思路，利用几何适应性强的嵌入式共振自屏计算方法快速处理组件整体的丹可夫效应；利用逃脱截面守恒针对实际栅元建立一维等效栅元，在此基础上利用超细群方法处理燃料棒内的空间自屏、温度分布和共振干涉等效应。克服了传统方法无法获得燃料棒内空间相关共振截面的问题，精度与参考结果相比误差控制在1.5%以内。.（2）为了提高超细群方法在全堆问题中的实用性，研究了碰撞概率插值方法和组件内截面插值方法，该方法可以在313cpu并行的条件下5.9s内实现压水堆全堆芯的高精度共振计算。.（3）针对共振截面的角度相关性，提出了采用超级均匀化因子方法处理共振总截面角度相关性的方法，在不显著增加存储量的情况下，将压水堆燃料组件的有效增殖系数（keff）精度提高200pcm以上。.（4）针对能群结构，基于响应贡献理论研究了能群结构优化方法，该方法可针对实际问题燃料类型、后续中子学计算方法，产生优化的能群结构。利用该方法产生了47群的能群结构，可获得国际上SHEM-361群结构相当的计算结果，并且在整个寿期内keff与参考结果误差控制在150pcm以内。.（5）除按任务书完成以上研究内容，还针对重核素的共振弹性散射开展了处理方法研究，建立了超热能区散射核的多普勒展宽方法，精确模拟中子上散射效应，以获得更加精确的共振截面，将热态下压水堆燃料keff的精度改进150pcm，燃料温度系数改进10%左右。.（6）发表学术论文22篇，其中SCI论文11篇，中文EI论文4篇，国际会议论文6篇；获授权发明专利1项，软件著作权1项。协助培养博士2名，硕士2名。.项目系统建立了高精度的共振计算方法，为从根本上提高高保真中子学分析的精度具有重要学术意义；建立的方法已实施于科研团队开发的高保真物理计算程序，已在先进核反应堆设计中实现了应用。