基于连续能量蒙特卡罗方法的随机中子动力学及核热耦合研究

To meet the demand of accurately modeling the reactor systems with complex geometry and energy spectrum and owing to the development of computer technology, the continuous energy Monte Carlo method is becoming an important alternative method for reactor research and design. And as the safety and economics in design need to be improved with diversified requirements, the stochastic kinetics analysis for stochastic neutron field raises more and more attentions in the field of reactor physics. This study will be based on our own Reactor Monte Carlo code RMC which can be applied in criticality, burnup, fixed source and shielding calculation, source convergence acceleration, on-the-fly cross sections processing, high efficiency geometry processing, hybrid parallelism, N-TH coupling, kinetics, S/U etc. We are planning to study the stochastic neutron kinetics analysis method in the framework of continuous energy Monte Carlo applied to research on and analysis of pulsed reactor experiments initiated by weak neutron source, the criticality accidents in the nuclear fuel processing and spent fuel reprocessing, the monitoring of neutron behavior in the startup stage of reactor by spontaneous neutron source and the neutron noise analysis in the reactor. Finally, we will implement these methods and algorithm in RMC code to make it capable of stochastic neutron kinetics analysis, which will be provided as an efficient tool for pulse reactor design, criticality accident analysis, reactor startup by spontaneous neutron source and neutron noise analysis in reactors.

基于研究几何与能谱复杂的反应堆系统的需求以及计算机技术的发展，使用连续能量蒙特卡罗方法成为反应堆物理研究与设计的重要手段。随着设计安全性和经济性要求的不断提高以及需求多样化，针对随机中子场的随机中子动力学研究成为重要研究课题之一。本项目拟以我们自主研发成功的用于反应堆堆芯计算分析（包含临界与燃耗计算、固定源与屏蔽计算、源收敛加速、在线截面处理、高效几何处理、混合并行、核热耦合、中子动力学与瞬态过程分析、敏感性与不确定度计算等）的三维输运蒙卡程序RMC为依托，针对脉冲堆弱源点火实验研究、核燃料加工生产和乏燃料后处理中弱源启动的临界事故分析、反应堆无源启动过程中的盲区阶段监测分析以及反应堆中子噪声分析中涉及的随机中子动力学分析方法展开研究。最终，开发具备随机中子动力学分析功能的自主对用蒙卡程序RMC，为新一代脉冲堆设计、临界安全事故分析、反应堆无源启动和反应堆噪声分析等提供有力的工具和手段。

随着对新型先进核能系统安全性和经济性要求的不断提升，现有的核反应堆计算分析方法和工具面临着新的挑战。近年来随着超算的迅速发展，连续能量蒙特卡罗方法由于其在几何和能谱方面具有普适性的优势，成为了反应堆物理领域非常重要的研究方向。针对反应堆蒙卡方法的研究，从最初的稳态临界和燃耗计算领域，已逐步扩展到动力学和耦合瞬态分析领域。本课题针对随机中子动力学和反应堆蒙卡瞬态核热耦合分析方法开展研究，将蒙卡的应用范围从传统蒙卡方法所分析的强中子场扩展到基于随机中子动力学的弱中子场，具有重要的学术意义和实际实用价值。. 本课题首先研究了随机中子输运方程的蒙卡求解方法，在自主RMC程序中开发了含时间输运的蒙卡直接模拟法，实现了包括源定义、时间项处理及裂变中子多重性计算等功能模块，实现对弱中子场的随机性演化规律的描述。. 其次将直接模拟法应用到随机中子动力学相关的实际问题中，研究了定态系统中子点火概率和动态系统中子存活概率的计算分析方法，实现了对弱源启动的超临界系统脉冲引发时间的模拟分析。. 同时对RMC已有的连续能量预估修正准静态算法进行改进研究。提出了相空间网格伴随通量的连续能量蒙卡算法，使得精度和稳定性得到了明显提升。继而对直接模拟法与预估修正准静态方法的衔接计算进行研究，实现了形状函数与幅度函数的衔接计算，从而可以对由弱中子场向强中子场的衔接演化进行完整模拟分析。. 最后研究了RMC与CFD程序FLUENT的瞬态耦合方法。设计了RMC和FLUENT的耦合接口和数据传递策略，研究了迭代方法，实现了两程序的外耦合瞬态分析方法，对国际上的瞬态基准题进行了计算。. 总之，本课题研究并解决了随机中子动力学分析方法的关键问题，具有非常重要的学术价值，在脉冲堆弱源点火实验研究、核燃料加工生产和乏燃料后处理中的临界事故分析、反应堆无源启动过程中的盲区阶段监测分析以及反应堆中子噪声分析等领域将有明确的应用前景。