聚变堆中子注量率分析及测量-征求意见稿.docx

ICS点击此处添加ICS号CCS点击此处添加CCS号T/CEPPC中国电力发展促进会团体标准TCEPPCXXXX-XXXX聚变堆中子注量率分析及测量Analysisandmonitoringofneutronfluencerateoffusionreactor（征求意见稿）在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。XXXX -XX-XX 发布XXXX-XX-XX实施中国电力发展促进会发布目次前言II1范围12术语和定义13总则14中子输运及注量率分析方法和要求15聚变堆中子注量测量一般要求3附录A7附录B8附录C10附录D12附录E14本文件按照GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件由核工业标准化研究所提出。本文件由中国电力发展促进会归口。本文件起草单位：中国核电工程有限公司本文件主要起草人：*请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。聚变堆中子输运及注量率分析1范围本标准规定了聚变堆中子输运及注量率分析适用的方法和要求，以及中子注量测量一般要求。本标准适用于聚变堆中子输运及注量率分析及测量。2术语和定义下列术语和定义适用于本文件。1.1 1中子注量率neutronfIuencerate单位时间内进入以空间某点为中心的适当小球体的中子数除以该球体的最大截面积所得的商，单位为nCni"SL1.2截面crosssection靶体与特定类型和能量的入射粒子发生特定反应或过程的截面,是该靶体发生这种反应或过程的概率除以入射粒子注量。中子输运计算中常使用微观截面，微观截面是微观粒子间发生某种特定过程的概率的度量，单位为Cln2。1.3中子输运neutrontransport由于中子运动及其与原子核的散射碰撞，原来在某一位置具有某一能量和运动方向的中子，经过一些时间将在另一位置以另一能量和另一运动方向出现的过程。1.4离散纵标输运计算方法discreteordinatestransportcalculationmethod应用数值方法求解输运方程的一种方法，对所有自变量都采用离散近似，能量变量采用分群方法处理，空间变量采用有限差分近似，方向角变量划分为若干个离散方向，习惯称为SX方法。1.5蒙特卡罗输运计算方法MonteCarIotransportcalculationmethod-种基于概率统计理论的方法，通过模拟单个辐射粒子在真实场景中的输运行为，获得具有统计意义的数值解。3总则3.1 聚变堆应结合设计，根据中子输运特性对聚变堆中子注量率分布进行理论分析，分析区域应包含聚变装置主体、一次生物屏蔽、孔道及邻近处以及需要关注的特定区域。3.2 聚变堆中子注量率分析方法宜采用基于当前较为成熟且应用较为广泛的离散纵标输运计算方法和（或）蒙特卡罗输运计算方法。如采用其它方法，应证明所采用的方法不低于离散纵标输运计算方法和蒙特卡罗输运计算方法的工程应用可靠性和精度。3.3 聚变堆中子输运及注量率分析应给出功率运行期间不同能量范围的中子注量率。基于瓶增殖（比）、第一壁负载、核热沉积、燃耗分析、材料辐照损伤、材料活化分析等用途的中子注量率应结合聚变堆的功率分布、运行史等考虑相应的包络值。4中子输运及注量率分析方法和要求4.1输入数据的要求聚变堆中子注量率分析应使用详细的材料和几何输入数据。材料的输入数据需包括聚变装置主体、包层结构体、增殖材料、堆内构件的材料成分、冷却剂温度、密度等。几何输入数据包括等离子体、包层、聚变装置结构部件、杜瓦及真空室等的尺寸和位置等。相关数据应满足如下要求：a）输入数据基于设计文件或经核实的施工数据或设备加工制造数据，应尽可能符合实际情况。每个区域的重要核素的同位素组成应基于设计或真实的材料数据。b）应重点关注对中子注量率影响比较明显的元素（如增殖材料中的Zi和Be等）。对于以水作为冷却剂的装置，水的核子密度应基于满功率运行条件下的压力和温度，以及物性表等确定。模型简化时宜考虑堆内不同区域的温差所引起的轴向和径向冷却剂的密度变化。c）包层冷却剂和增殖材料可作为均匀材料区来处理，但应分析均匀化的近似导致的不确定性。不确定性可以通过局部精细化模型与均匀化材料模型对比分析来确定。4.1.2截面聚变堆中子注量率分析所使用的中子截面要求如下：a）中子能量范围应该满足应用要求及目的，并且应该使用评价核数据库的当前经验证认可的有效版本。中子截面数据应是经过基准试验测试和检验的。b）对于已完成的中子注量率分析，当采用的截面数据发生变化时，应评估这些变化产生的影响，影响较大时，则需要更新中子注量率分析结果。c）如需采用多群截面库，应根据具体问题尽可能采用相应的经检验过的成熟多群库。d）如需开发多群截面库，应考虑能群结构的精度、散射截面的勒让德展开阶数、截面数据的能量和角度相关性等信息。多群截面库的开发首先应选择一个与问题无关的、具有精细能群结构的包含所有所需同位素数据的主库，主库的群数应该足够大（2100）,才能使假定的能谱的形状和真实的注量率之间的差异对多群数据的影响可以忽略。主截面数据库0.1MeV以上至少应包含50群，散射截面的勒让德阶数应至少展开到三阶。对于热中子能群数会影响计算结果的问题（例如中子活化问题），则主库热中子群数量应不低于20群，散射截面的勒让德阶数应至少展开到三阶。e）针对具体问题进行分析时，可对具有精细能群的主库进行并群。对主库数据进行并群时，应尽可能采用与所处理问题的真实能谱接近的群常数，以降低能群数减少对计算精度的影响。并群之后的截面库的适用性应通过对典型问题与采用主库计算的结果比较来说明。D探测器的响应函数使用的能群结构应和多群截面的能群结构的确定遵从相同的要求，以保证探测器剂量计算的精度。4.1.3中子源聚变堆中子注量率分析可采用运行状态稳定状态固定中子源计算，确定中子源的要求如下：a）中子源应包括时间、空间、能量相关性。b）中子源的空间相关性应基于模拟聚变装置运行的计算或测量数据。增殖材料燃耗计算可用二维或三维计算。c）中子源应由功率分布、功率水平和增殖材料管理方案来确定。确定聚变堆中子源时应考虑详细的状态点的影响，也可对运行功率分布做平均，实现的方法有两种：一种是对一个运行周期内有代表性的功率分布进行平均，一种是假设运行周期平均的运行功率分布与周期末增殖材料累积燃耗分布十分近似。d）中子源确定可结合具体问题考虑聚变堆运行功率及等离子体参数。如果运行模式、等离子体位形或其它因素可能导致设计注量率值发生明显变化时,应对聚变堆运行功率及等离子体参数进行更新。e）包层对聚变堆中子注量率影响最大，应细化该部分中子注量率分布。增殖材料可使用逐层中子输运分析，如采用增殖材料均匀混合分布，应分析其保守性。f）中子源强应由聚变反应率和中子产额来确定。中子源的能谱和源强应考虑运行史对聚变谱、每次聚变产生的中子数以及每次聚变释放的能量的影响。g）应采用全堆或根据聚变装置对称性采用部分聚变装置表示。如对于典型的聚变堆对称方案，可采用1/16堆芯表示，为评价剂量监测，通常选择剂量监测所在的1/16平面区。4.2.1离散纵标输运计算方法聚变堆的中子输运可采用离散纵标输运计算方法来确定。中子注量率计算的模型几何网格划分、方向求积组和收敛准则等关键输入的确定可参考附录A中的具体内容。4.2.2蒙特卡罗输运计算方法聚变堆的中子输运可采用蒙特卡罗输运计算方法来确定。中子注量率计算相关的截面数据、模型几何、计数、统计准则和减方差技巧等关键参数可参考附录B的要求。4.2.3注量率确定4.2.3.1中子输运计算应结合实际问题通过直接计算来进行。4.2.3.2采用离散纵标输运计算方法进行中子输运计算分析时，包层中子注量率计算应考虑包层几何和内部水区域（如果有水）的影响，包层的几何描述和网格划分合理性应进行敏感性分析。包层的中子注量率对该区域几何以及材料界面敏感，应根据实际几何和材料参数精确建模。4.2.3.3采用离散纵标输运计算方法进行中子输运计算分析时，当源具有很强的不均匀性时，模型中应精确反映源在轴向和角度方向的分布，并应严格遵循空间网格划分和收敛准则的要求，必要时采用三维模型进行注量率计算。4.2.3.4中子注量率分析可根据截面数据变化情况或截面库制作过程中的不确定性，考虑一定的保守系数。保守系数应根据具体问题以及不确定性分析的结果来确定。4. 2.3.5当中子注量率用于计算第一壁负载和辐照损伤时，包层第一壁表面和其他需要分析位置的中子注量率均应进行计算。424二维注量率的合成当互会应比较重要时，应采用三维注量率计算程序来进行相关的计算分析。三维注量率也可用低维度的计算来合成，合成方法可参考附录C。4.3计算结果分析要求聚变堆中子注量率估算应选择适合的中子输运计算方法，并正确估计注量率计算结果的不确定性。聚变堆中子注量率计算的不确定性分析具体方法可参考附录D。5聚变堆中子注量测量一般要求5.1 中子注量测量可通过在堆内或孔道外布置被动式积分探测器来实现。被动式积分探测器通常为典型的活化探测器。5.2 选择的探测器应具有多个非重叠的反应能区（即探测器的中子反应能量阈值有良好的间隔），且覆盖的能区范围应涵盖各能区。5.3 可选择附录E中的快中子注量探测器测量快中子注量，可选择热中子探测器（如:钻-铝合金）测量热中子注量。5.4 应根据预期的中子注量率水平及辐照时间，对活化探测器燃耗的影响进行评估。5.5 中子注量测量探测器及相关材料的物理化学性能应与工作环境条件相适宜，具有化学稳定性和耐腐蚀性。5.6 探测器的选型应与待测的中子注量水平相适应。5.7 探测器经辐照后，衰变Y的产额应足够大，特征丫的能量应和邻近Y的能量应易于区分。5.8 探测器活化产物的半衰期应能符合探测需求。5.9 应控制中子注量测量探测器的杂质含量，确保其他反应不会对测量结果产生显著的影响。5.10 探测器密封容器的设计，应对探测器之间的互相影响进行考虑。如热中子屏蔽材料应远离热中子探测器。5.11 应充分考虑探测器的结构和尺寸，既便于布置，也便于测量。此外，还应对探测器材料的自屏效应等进行考虑。5.12 中子注量宜按测量结果一般为核素种类、Y计数和质量等参数。5.13 中子注量测量的整个过程都应严格控制并详细记录。5.14 完成中子注量直接测量后，在数据转换（如：转换为反应率）过程中应对辐照历史、半衰期等进行考虑。5.15 应采用经过验证的截面与程序，根据放射性活度等参数评估中子注量结果。5.16 应对每种探测器的实测值的不确定性进行分析，并与实测结果一同记录。5.17 中子注量测量的程序、设备的变更和对测量过程有显著影响的人员变更，应评价开展上述改变对测量结果的影响。5.18 应对用于放射性活度、质量等参数测定的设备按照相关标准进行标定。附录A（资料性附录）离散纵标输运计算注意事项a）水平面1/16圆周（J）几何至少有40个6网格，网格能精确描述中子源和材料成分的空间分布。b）堆芯区域外围组件每厘米至少有约1个径向网格，包层-反射层交界面位置，每厘米的径向网格数量可适当优化。c）空间网格的大小保证相邻两个网格内任何一能群中子注量率的变化小于2倍，包层每厘米至少有L2个径向网格，增殖材料中每厘米至少有0.6个径向网格。在材料的交界处，由于注量率梯度较大，每厘米网格数量宜大于0.2。d）聚变堆中子注量率计算宜使用至少4（8为离散阶数）的全对称方向求积组。e）如需采用分步计算，宜考虑各步计算中的体积重叠区域，并检验重叠区域是否适当。f）逐点注量率收敛宜使用WO.001的准则，每群内宜有足够的迭代次数以保证其收敛。宜论证空间网格、方向求积组以及收敛准则的适当性，方法是调整某个量，同时固定其他量的值，直到该量的变化导致的结果的变化可以忽略为止。附录B（资料性附录）蒙特卡罗输运计算注意事项a）计算所使用的截面数据满足4.1.2的要求，如果使用连续能量截面库，对于散射截面的勒让德展开阶数和中子截面能群数的要求则不适用。b）计算所使用的几何可采用剖面图显示、栅元体积检查等方法对几何输入进行仔细的核对，以保证几何定义的正确性。c）需要分析计数区域的尺寸对注量率计算结果的影响，如果计数器区域的尺寸在计算中引入的偏差影响到具体问题的分析结论，则宜减小计数器区域并增加抽样粒子数重新计算。在使用点探测器时，如为降方差而定义了平均注量率区域（点探测器相应尺寸对应的区域），注量率计算宜不受平均注量率区域选择的影响。如平均注量率区域的尺寸对注量率计算引入了偏差，则宜使用较小的平均注量率区域并增加抽样粒子数，重新进行计算。围绕点探测器的平均注量率区域不宜包含材料的边界。d）宜对取样粒子数的有限性导致的计算结果不确定性进行评估。e）可采用如下的统计准则保证运算收敛：1）平均注量率不宜有随取样粒子数（N）的显著的单调性（递增或递减）；2）平均注量率的相对误差宜小于10%,对于点探测器宜小于5%；3）相对误差反比于取样粒子数的平方根（即相对误差与取样粒子数有”所的关系）；4）品质因子（Fo2不宜有随取样粒子数（N）的显著的单调性，品质因子按照公式（B.1）计算：FOM=-(B. 1)R2T式中：R一一相对误差；T计算时间。f）所有计数器的方差的变化宜小于0.10,且大致以反比于取样粒子数（即1/N）的方式递减。g）可通过使用减方差技巧来减少计算时间，减方差技巧包括增加计算点处的中子数或提高中子追踪的效率，或同时使用这两种方法。用于聚变堆注量率分析的减方差技巧可通过比较使用蒙特卡罗减方差技巧得到的预测值和没有使用减方差技巧得到的值来进行验证。由于没有使用减方差技巧的计算通常需要大量的取样粒子和很长的计算时间，可以使用简单的具有代表性的问题（如一维几何）来进行比较。h）聚变堆注量率分析可采用如下减方差技巧：1）中子能量截断：当粒子能量降到选定的输入能量时结束粒子追踪以提高中子追踪效率，采用该方法时，可通过和无截断计算的结果进行比较以确定截断引起的偏差，并对能量截断的计算结果做调整以消除偏差；2）源的偏倚：增加相空间对蒙特卡罗计算有显著贡献的区域的源粒子数以提高粒子追踪的效率，源偏倚方法可通过和具有代表性问题的无偏倚计算的比较来验证；3）俄罗斯轮盘赌方法的几何分裂：通过向每个空间栅元分配重要性数值来对不同几何区域的中子数进行分裂，该方法的可靠性依赖于栅元重要性的选择，相邻栅元的重要性变化不宜超过4倍，栅元半径不宜小于2个平均自由程，该方法可通过和典型问题的无偏差计算的比较来验证；4）权窗：将每个空间-能量栅元中的中子权重限制在特定的范围或分裂的俄罗斯轮盘赌的“权重窗”内，窗口定义为使中子权重与空间-能量栅元的重要性成反比以使计数方差最小化，该方法可通过与无减方差技巧的计算进行比较来验证。附录C(资料性附录)三维注量率合成三维注量率合成采用公式C.1计算：f(r,z)=(r,*L(rfz)(CD式中：t(r.0,z)三维合成第g群的注量率；/一一5。)几何中第g群的输运解；4(r,z)一一能群g的轴向形状因子。1./m可由两种简单的方法确定，见公式(C.2)和(C.3)：1.(r,z)=P(z)(C.2)式中：P(Z)外围组件的轴向功率分布。1.g(rfz)g(rfz)g(r)(C>3)式中：叫柱几何输运方程一维g群注量率的解；R(r,z)一柱几何输运方程二维g群注量率的解。公式(C.3)保留了轴向源和衰减的重要特征。(八Z)平面宜与所关注的角度位置相一致或采用保守的。角平均的(r,z)平面。对于(广招)模型和，模型，单位高度的源强是一样的，(r,z)模型中宜使用真实的第三向源密度。使用公式(C.2)计算(16)几何外围第三向功率分布，该方法适用于以下两种情形：公式(C.2)和公式(C.3)都假定第三项向和角度方向的注量率计算是独立的，该假设仅仅是近似正确。当这些简单的合成技术不适用时,可使用多道合成方法。在多道合成计算中,注量率按照公式(C.4)计算：式z)=Xa,i(r,0)ili(r,z)/i(r)日(C.4)式中:"基本的注量率解；为一一权重系数。需要强调的是，该方法的精确度对基本函数的选择很敏感，特别是在各区分界面，三维计算宜考虑第三向和辐角相异性的存在。附录D（资料性附录）聚变堆中子注量率计算的不确定性分析方法D.1解析的不确定性分析为说明注量率分析方法的可靠性和计算结果的精确性，宜进行不确定性分析。对于典型的中子注量率计算，这些不确定性的来源包括但不限于：核数据（如输运和剂量测量的反应截面及聚变谱）；几何（如内部位置和标称尺寸的偏移）：材料的同位素组成（如包层、聚变堆装置结构体及杜瓦和混凝土屏蔽层等的密度和组份）；中子源（如空间和能量分布关系）；方法误差（如网格密度，角度展开式，收敛准则，各能群宏观截面，包层对注量率的扰动，空间合成及中子漏束）。对于设计输入参数、建模方式等引起的不确定性，在确保设计输入正确的情况下，详细分析由于工况选取、模型简化、网格划分（离散纵标输运计算方法）、统计收敛性（蒙特卡罗输运计算方法）等带来的不确定性。对于特定的具体问题和计算方法，还可考虑其它一些细节的不确定性。在典型的聚变堆中子注量率计算中，不确定性通常由一些很容易分辨的因素造成,如几何和中子源,这使得不确定性分析得以简化。对于不确定性分析，可考虑如下要求：a）通过一系列输运敏感性计算，如改变模型输入值和模型假设等，来确定注量率对重要的不确定性因素的敏感性。b）在输入参数中可考虑不确定性预期值的估计,结合相应的注量率的敏感性来确定总的解析的不确定性。c）模型敏感性不需要二维表示时，敏感性计算可以在一维情况下进行。d）蒙特卡罗计算的敏感性可通过增加模型变量和抽样粒子数来估算。如果模型变量增加较大，可进行多次计算来确定敏感性的非线性相关性。相关抽样的微扰计算可用于确定对几何模型、材料组份以及截面的敏感性。e）敏感性分析宜全面考虑各种不确定性对注量率的影响。由于敏感性分析中所考虑的不确定性对很多压水堆都是普遍存在的，故而敏感性（包括相关性）可用于确定最初的不确定性估计。如果所用的方法和截面数据有变化,或者所关注的聚变装置与本标准中给出的聚变装置差别较大,那么使用时宜对这些方差估计进行修正。D.2计算分析与基准题和测量数据的比较D.2.1运行聚变装置测量数据比较可用测量数据完备的运行聚变装置的测量结果来验证方法和数据的正确性,进行验证时考虑的数据包括三维几何、运行条件以及某些情况下聚变堆测量数据。对于已运行或设计类似的聚变装置的分析，可对其测量结果和计算结果进行比较。运行聚变装置具有实测数据方面的优势，包括材料、几何以及实际的运行条件，通过聚变堆内和聚变堆外的探测器的测量结果，可以得到较为精确的注量率。用于注量率计算参数修正或不确定性分析的测量具有统计意义,不同的探测器的测量结果是自洽的。对比分析基于可信的测量数据，随着运行测量数据的积累，其测量结果宜纳入运行测量数据库，必要时可用于计算结果的修正和不确定性的分析。测量数据和计算结果的比较宜考虑测量和计算的不确定性。计算的反应率通常与聚变堆内的测量值的偏差在20%以内。超过以上范围的偏差可做进一步的研究，如确定该偏差是由计算的误差所引起的，则可对计算进行修正。如使用最小二乘法对计算进行修正，可分析测量-计算比（极/）的系统趋势。以下探测器可能会产生系统性偏差（偏大或偏小）：具有低能量阈值的剂量探测器；具有长寿命反应产物的剂量探测器；特殊监测的剂量探测器。如影数据体现出某种系统趋势、相互依赖性或相关性，宜对此做出解释，在进行计算调整前宜先消除Wel勺这种系统趋势和相关性，或考虑统计修正方法。同样，由于注量率的调整对输入的不确定性很敏感，故而可使用现实的不确定性并提供相关文件。剂量探测器测量的不确定性包括由于测量仪器位置偏差而引起的灵敏度不确定性。D.2.2聚变堆模拟实验测量数据比较聚变堆模拟实验基准可参考成熟的实验室类似模拟实验的测量结果进行相应的分析.模拟实验基准提供了精确的测量但通常没有提供实际聚变装置精确的描述,运行聚变装置的测量虽然给出了实际聚变装置的描述，但测量的不确定性较大。模拟实验基准和运行聚变装置的测量结合起来通常能给出一个可接受的测量数据库。D.2.3基准题计算比较基准计算可参考较为成熟的压水堆基准模型进行分析。基准模型的计算要考虑计算参数的评估、计算方案的核实、计算程序的执行，以及对于具有代表性的运行装置实际情况的各种模型近似。基准模型的计算中，如果由于模型近似和核数据的差异导致计算结果和参考值之间的差异大于预期值，则宜重新检查计算方法，并对差异性进行说明。如果确定计算差异是由于计算方法所致，则宜考虑调整计算方法。聚变堆注量率计算结果与相应的基准题计算结果进行比较时，二者采用的计算方法一致，聚变装置中子注量计算中用到的截面、输运方法以及输运程序参数与基准测量和计算中的数据相同。D.3注量率计算的不确定性估计总的注量率计算偏差和不确定性可通过解析的不确定性分析结果和基于运行聚变装置和基准测量模拟装置比较的不确定性分析结果适当的组合来确定。注量率精确度的要求可结合具体应用的要求确定，聚变堆注量率20%以内的偏差认为是可以接受的。附录E（资料性附录）聚变堆中子注量探测器一组常用的中子注量探测器如表E.1所示。表E.1聚变堆中子注量探测器反应式及其反应能量阈值材料探测器反应式能量阈值MeV锋-23723Np(n,f)FPi0.69银93Nb(E)MmNb0.97铀-2382s8(n,f)FP1.45银5Ni(n,p)5Co2.05铁54Fe(n.p)54Mn2.32钛4eTi(n,p6Sc3.76铜G3Cu(n,a)MCo4.65*FP指裂变产物