核科學與工程專業(yè)課程設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　設計內容： 蒙特卡羅程序MCNP在堆物理計算中的應用</p><p>　　指導老師： </p><p>　　成 員 ： </p&

2、gt;<p>　　學 院 ： 核科學與工程學院 </p><p>　　日 期 ： 2011年12月15日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計任務書······&#

3、183;·························· 3</p><p>　　MCNP程序簡介····

4、83;·························3</p><p>　　設計任務第一部分實現(xiàn)·····

5、83;··················3</p><p>　　設計任務第二部分實現(xiàn)············

6、83;···········8</p><p>　　設計任務第三部分實現(xiàn)···················

7、83;····14</p><p>　　設計總結報告···························

8、·····60</p><p>　　參考文獻···························

9、;·········60</p><p><b>　　課程設計</b></p><p><b>　　一．設計任務書：</b></p><p><b>　　1．設計目的</b></p><p&g

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

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

12、解輸運方程，而是通過模擬大量粒子行為并記錄它們平均行為的某些特征來得到輸運方程。MANP可以處理任意三維幾何機構問題，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、源項卡、計數(shù)卡。利用表面卡和柵元卡對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，每個柵元有一個或幾個曲面圍城，柵元內填充材料。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，臨界計算中抽樣問題不會構成障礙，可不予以考慮。故堆芯各個柵元的重要性均設為1。</p><p>　　MCNP可以對物理模型在幾何上進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．設計任務實現(xiàn)：</b></p><p><b>　　3.1第一部分:</b></p><p>　　利用MCNP程序建立柵元計算模型，并計算不同水鈾比、硼濃度及燃料富集度時柵元的</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。在這次課程設計中，我們采用讓燃料的2.體積保持不變，通過改變柵元的大小來改變水的體積從而得到不同的水鈾比。</p><p>　　3.變量實現(xiàn)：VH2O/VUO2=（D2-πr12）/πr22</p><p&

16、gt;<b>　　D為柵元的邊長</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達到最大值為Kinf=1.40253。當VH2O/VUO2增加時，一方面由于柵元的慢化能力增大，漫畫過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中前一種效應是主要的。但是VH2O/VUO2達到某個值之后，

19、由于共振吸收的減少所帶來的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。在進一步提高VH2O/VUO2，則慢化劑內的熱中子的吸收進一步增加，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不同硼濃度時柵元的</p><p><b>　　1.變量實現(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兩種方式實現(xiàn)，一種是通過H,O,B的原子密度比來表示，另一種是通過各個元素之間的質量比來表示。在這次課程設計的計算中采用第二種方式進行表示。所以，首先要進行單位的轉換。通過公式進行轉換，轉換過程如下：</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，對于中子的吸收能力越強，與核燃料發(fā)生裂變反應的熱中子減少，導致減小。</p><p>　　3.1.3. 不同燃料富集度時柵元的</p><p><b>　　1.變量實現(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.結論：</b></p><p>　　Kinf隨燃料富集度的上升而增加，而逐漸增大。因為，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)生裂變反應的概率增大；同時，裂變反應的增多產(chǎn)使

25、得生的中子數(shù)量增大，進一步增加了裂變反應的概率，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程序建立組件計算模型，并計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，同時可燃毒物棒的只能在導向管中分布，而且，①一般情況下，燃料組件中心導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，在運行過程中能夠有較均勻的功率分布，以及運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、來計算每一種情況下kinf的值，kinf最大時對應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：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：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：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：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：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：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，kinf達到最大，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kinf的減小作用達到最

32、小。</p><p><b>　　3.3第三部分：</b></p><p>　　利用MCNP程序建立小堆芯問題（C5G7基準問題），并計算其及功率分布</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、課程設計，堆芯的四分之一對稱分布如下：</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.實驗數(shù)據(jù)整理：</b></p><p>　　由于堆芯是八分之一對稱，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)說明：</b></p><p>　　填充黃色的為Keff=0，即導向管的分布情況；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.課程設計總結：</b&g

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

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

40、心指導下，我們最終將問題解決，在此，對蔣老師的幫助表示誠摯的謝意。</p><p><b>　　五．參考文獻：</b></p><p>　　[1] 鐘兆鵬，施工，胡永明《MCNP程序在反應堆臨界計算中的應用》[J], 核動力工程，2004，24（1）</p><p>　　[2] MCNP中文說明書</p><p>　　[