Николай васильевич метод поверхностных псевдоисточников и построение на его основе устойчивых алгоритмов для многогрупповых расчетов ячеек ядерных реакторов
На правах рукописи
УДК 621.039.5 Султанов Николай Васильевич МЕТОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ПСЕВДОИСТОЧНИКОВ И ПОСТРОЕНИЕ НА ЕГО ОСНОВЕ УСТОЙЧИВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ МНОГОГРУППОВЫХ РАСЧЕТОВ ЯЧЕЕК ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва 2012 год
Работа выполнена в Институте перспективных энергетических технологий Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».
доктор физико-математических наук, профессор
Научный консультант:
Лалетин Николай Ильич доктор физико-математических наук, профессор Официальные Крянев Александр Витальевич оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Гуревич Михаил Исаевич доктор физико-математических наук Кухарчук Олег Филаретович Институт проблем безопасного развития атомной Ведущая организация энергетики Российской академии наук
Защита состоится «»2012 г. в час_мин на заседании диссертационного совета Д 201.003.01 при Государственном научном центре Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского по адресу: 249033, г. Обнинск Калужской обл., пл.
Бондаренко, 1, конференц-зал Главного корпуса.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – Физико-энергети ческого института имени А.И. Лейпунского по адресу: 249033, г. Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко, 1.
Автореферат разослан «»2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета Верещагина Т.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Одной из особенностей атомной энергетики являются катастрофические последствия от тяжелых аварий на АЭС (например, в Три-Майл Айленде в США, в Чернобыле в СССР и на Фукусиме в Японии). Для того, чтобы их не допустить, необходимо учитывать много факторов. Среди них важное место занимает совершенствование расчетных программ, которые бы выполняли расчеты активных зон различных реакторов с достаточной точностью, надежно и оперативно. Повышенные требования к точности нейтронно-физических расчетов обусловлены прежде всего существованием самого понятия критичности реактора, в результате чего требуется поддерживать состояние активной зоны в очень узком интервале ее характеристик. Одной из основных частей нейтронно-физического расчета реактора является многогрупповой расчет ячеек и подготовка на его основе малогрупповых характеристик ячеек. В данной работе диссертантом предложено развитие нового научного направления в области решения уравнения переноса нейтронов: оригинального метода поверхностных псевдоисточников (МППИ), предложенного Н.И.
Лалетиным /49,50/, для этой области реакторной физики. Если за рубежом это научное направление детально рассматривает плоские задачи (Case K., Beauwens R., Kavenoky A., Ganapol B. и др.), то в нашей стране оно развивается ближе к практике для задач в цилиндрической, кластерной и других геометриях для ядерных реакторов (Лалетин Н.И., Ершов Ю.И., Шихов С.Б., Абрамов Б.Д., Бояринов В.Ф., Ковалишин А.А. и др.). Этот метод относится к интегральным методам, как и метод вероятностей первых столкновений (МВПС), нашедший широкое распространение в реакторных задачах (например, в кодах WIMS, CASMO, САПФИР, APPOLO и др.). В МВПС для увеличения точности расчета большие зоны дробятся на подзоны. Основные расчетные затраты и довольно значительные в МВПС приходятся на вычисление вероятностей. В результате МВПС оказывается удобным для задач с небольшим числом зон, так как все зоны связаны друг с другом. Для увеличения точности расчета в МППИ однородные по составу зоны не дробятся, неизвестные в зоне связаны только с неизвестными величинами соседних зон, т.е. алгебраическая система имеет ленточный вид и небольшого порядка. Коэффициенты уравнений в МППИ вычисляются достаточно просто, во всяком случае, гораздо быстрее, чем вероятности. В результате МППИ потенциально имеет большие преимущества, которые реализуются автором в данной диссертации: в многогрупповых расчетах цилиндрических и кластерных ячеек при одинаковых точностях вычислений их интегральных характеристик время расчета в несколько раз меньше. Имеется и еще ряд преимуществ МППИ перед МВПС. О них будет сказано ниже по тексту автореферата.
Актуальность работы по развитию и разработке новых методов и программ, решающих уравнение переноса нейтронов, определяется необходимостью точного, надежного и оперативного проведения большого количества поисковых и проектных нейтронно-физических расчетов различных ядерных реакторов с достаточной для практики точностью и с небольшими вычислительными затратами. Данная диссертация делает крупный шаг в этом направлении на основании метода поверхностных псевдоисточников.
Цель работы кратко формулируется в следующем виде.
Повышение точности, надежности и оперативности предсказания нейтронно-физических характеристик ячеек ядерных реакторов путем развития нового научного направления в области решения уравнения переноса нейтронов: метода поверхностных псевдоисточников и разработки на его основе эффективных алгоритмов для решения уравнения переноса нейтронов, сочетающих в себе достоинства реперных методов по точности расчета и инженерных методов по вычислительным затратам, их программной реализации, верификации и применения для решения нейтронно-физических задач.
Для достижения поставленной цели диссертантом решались следующие задачи:
1. Развитие метода поверхностных псевдоисточников для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов с учетом анизотропии рассеяния.
2. Развитие метода поверхностных псевдоисточников для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов в ячейках с реальными квадратными, гексагональными внешними границами.
3. Исследование влияния учета анизотропии рассеяния и цилиндризации реальных форм границ ячеек на их характеристики.
4. Разработка устойчивого двумерного метода поверхностных псевдоисточников для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов в кластерных ячейках.
5. Создание программных опций для многогруппового расчета цилиндрических ячеек с учетом анизотропии рассеяния и с учетом реальных квадратных, гексагональных внешних границ (РАЦИЯ) и для устойчивого многогруппового расчета кластерных ячеек (КЛАРА) и подсоединение их к программам WIMS-SH, SVL и др.
6. Верификация программных опций РАЦИЯ и КЛАРА на сравнении результатов расчетов, полученных разными методами, для цилиндрических и кластерных ячеек ВВЭР и РБМК как с топливом, так и с сильными поглотителями.
7. Количественное исследование начальных приближений метода поверхностных гармоник с помощью имеющихся программ на сборках РБМК и ВВЭР, для которых исследовалась точность расчета и трудоемкость различных его этапов в сравнении с точностью и трудоемкостью для традиционного метода гомогенизации.
Научная новизна результатов, представленных в диссертации материалов, состоит в следующем.
• Впервые в мировой практике разработан и программно реализован метод решения односкоростного уравнения переноса нейтронов с учетом до пяти членов в разложении индикатрисы рассеяния методом поверхностных псевдоисточников для цилиндрических и кластерных ячеек в программах РАЦИЯ и КЛАРА соответственно и исследовано влияние анизотропии рассеяния на характеристики ячеек ядерного реактора.
• Впервые в мировой практике разработан и программно реализован метод решения многогруппового уравнения переноса нейтронов с учетом до двух членов в разложении индикатрисы рассеяния методом поверхностных псевдоисточников для цилиндрической геометрии в программе РАЦИЯ и исследовано влияние анизотропии рассеяния на характеристики ячеек ядерного реактора.
• Впервые в отечественной практике разработан и программно реализован метод решения многогруппового уравнения переноса нейтронов с учетом реальных форм внешних границ ячеек в методе поверхностных псевдоисточников в программе РАЦИЯ и исследовано влияние цилиндризации внешних границ ячеек на их характеристики.
• Впервые в мировой практике исследовано влияние одновременно анизотропии рассеяния и цилиндризации внешних границ ячеек на их малогрупповые характеристики.
• Впервые в мировой практике разработан и программно реализован устойчивый алгоритм решения многогруппового уравнения переноса нейтронов методом поверхностных псевдоисточников в кластерной геометрии в программе КЛАРА.
• Впервые в мировой практике выведены регулярные и сингулярные элементарные решения двумерного уравнения переноса нейтронов в цилиндрической системе координат для построения двумерных функций Грина.
• Впервые в мировой практике разработан алгоритм применения начальных приближений метода поверхностных гармоник для расчетов сборок РБМК и ВВЭР с использованием имеющихся программ диффузионного типа JOSHUA и ПЕРМАК.
• Верификация программ РАЦИЯ и КЛАРА выполнена на большом числе бенчмарков и сравнении с результатами других программ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, а именно уравнений, формул, алгоритмов и программ РАЦИЯ и КЛАРА подтверждена большим объемом верификационного материала для ячеек ядерных реакторов разных типов.
Практическая ценность полученных результатов определяется, во первых, тем, что уравнения, формулы и алгоритмы ориентированы на любые типы реакторов и, во-вторых, тем, что практически все уравнения и формулы программно реализованы (опции РАЦИЯ и КЛАРА в комплексах WIMS-SU, WIMS-SH, РАФОРИН, SVL и SUHAM) и верифицированы на большом числе бенчмарков и сравнении с результатами, полученными другими методами.
(Программа SVL: аттестационный паспорт НТЦ по ядерной и радиационной безопасности № 248 от 18.12.2008г), а также:
• Впервые в мировой практике проведено исследование влияние анизотропии рассеяния на характеристики ячеек в одногрупповом приближении с учетом до пяти членов в разложении индикатрисы рассеяния по полиномам Лежандра и в многогрупповом приближении с учетом до двух членов в разложении индикатрисы рассеяния по полиномам Лежандра.
• Впервые в отечественной практике проведено исследование влияние цилиндризации внешних границ ячейки на характеристики ячеек в одногрупповом и многогрупповом приближениях.
• Впервые в мировой практике проведено исследование влияния одновременно анизотропии рассеяния и цилиндризации внешних границ ячеек на их малогрупповые характеристики.
• Впервые на численных примерах расчета матриц поглощения и деления и матриц реакций типичных ячеек ВВЭР и РБМК показана приемлемость приближения «подавление размножения» при представлении матрицы поглощения и деления и матриц реакций в виде двух слагаемых.
• Впервые показано, что даже в рамках уточнений метода поверхностных гармоник (учет поправки на крупный шаг сетки и учет окружения ячеек), внесение которых возможно без дополнительных изменений диффузионной программы JOSHUA, погрешность такой величины, как эффективный коэффициент размножения нейтронов экспериментальных сборок, уменьшается до 0,3 %, в то время как традиционный метод гомогенизации завышает K сборок на 2-3 %.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:
• Семинары по проблемам физики реакторов (МИФИ, СОЛ “ВОЛГА”, 1995, 1997, 2000, 2004, 2006).
• Семинары по нейтронно-физическим проблемам атомной энергетики “НЕЙТРОНИКА” (г. Обнинск, 1998, 2001, 2004, 2005, 2006, 2008, 2010, 2011).
• Международные конференции по математическим методам и расчетам ядерных реакторов M&C; (Питтсбург, США, 1991;
Портланд, США, 1995;
Саратога Спрингс, США, 1997;
Мадрид, Испания, 1999;
Солт Лейк Сити, США, 2001;
Авиньон, Франция, 2005;
Monterey, США, 2007).
• Международные конференции по физике ядерных реакторов “PHYSOR” (Марсель, Франция, 1990;
Лонг Айленд, США, 1998;
Питтсбург, США, 2000;
Сеул, Корея, 2002;
Чикаго, США, 2004;
Ванкувер, Канада, 2006).
• Международные конференции по ядерным технологиям, Kerntechnik (Аахен, Германия, 1997;
Дюссельдорф, Германия, 2004;
Гамбург, Германия, 2008;
Дрезден, Германия, 2009;
Берлин, Германия, 2011).
• 6-я международная конференция по Ядерной критической безопасности (Версаль, Франция, 1999).
• Международный симпозиум Численная теория транспорта нейтронов (Москва, Россия, 1992).
• 20-я международная конференция по транспортной теории (Обнинск, Россия, 2007).
• Международный симпозиум по Физике и безопасности ВВЭР (AER) (Москва, Россия, 2000;
Ялта, Украина, 2007).
• Всероссийская научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, Россия, 2001).
• Отдельные части представленной работы отмечены премией ИАЭ им. И.В.
Курчатова за лучшую научную работу в 1997 г.
• Аттестация программы SVL для расчета ячеек ВВЭР с топливом и без него с выгорающими и сильными поглотителями: аттестационный паспорт НТЦ по ядерной и радиационной безопасности № 248 от 18.12.2008 г.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано более 48 работ, в том числе 15 в ведущих рецензируемых научных журналах ВАКа.
Основные положения, выносимые на защиту.
• Решение многогруппового уравнения переноса нейтронов с анизотропией рассеяния методом расщепления оператора с решением пространственно угловой части задачи методом поверхностных псевдоисточников.
• Решение многогруппового уравнения переноса нейтронов с реальными внешними границами ячеек ядерных реакторов с использованием методов расщепления оператора и метода поверхностных псевдоисточников.
• Устойчивое решение многогруппового уравнения переноса нейтронов в кластерной геометрии с применением метода расщепления оператора и метода поверхностных псевдоисточников.
• Практическая реализация разработанных методик в виде программ РАЦИЯ для решения цилиндрических ячеек и КЛАРА для решения кластерных ячеек и результаты их верификации применительно к основным типам ядерных реакторов.
• Применение метода поверхностных гармоник к расчету основных типов реактора с использованием обычных конечно-разностных уравнений диффузионного типа.
• Устойчивый расчет матрицы сечений поглощения и размножения для метода поверхностных гармоник.
Личный вклад автора Все основные результаты диссертации получены лично автором. В работах, отражающих содержание диссертации и выполненных в соавторстве, автору принадлежит равный вклад в разработку математических моделей, методов и алгоритмов численных решений рассматриваемых задач и их программную реализацию.
Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 235 страницах текста, включая рисунок, 57 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 104 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель, изложены научная новизна, практическая ценность, достоверность и обоснованность полученных результатов, личный вклад автора, а также положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена описанию разработанных автором метода и алгоритмов решения одногруппового /4, 8-10, 25, 48/ и многогруппового /24, 28, 35/ уравнений переноса нейтронов с индикатрисой рассеяния, разложенной по полиномам Лежандра, методом расщепления оператора для пространственно групповой части задачи и методом поверхностных псевдоисточников для пространственно-угловой части задачи и оценки влияния /24, 28/ анизотропии рассеяния на характеристики ячеек ядерных реакторов.
В практических расчетах ячеек ядерных реакторов обычно анизотропию рассеяния учитывают в транспортном приближении. Необходимость учета влияния анизотропии рассеяния на интегральные характеристики ячеек подробно исследована в плоской геометрии /54, 55/ и менее подробно в цилиндрической /55, 58/. Анализ /55/ показал следующее: чтобы n-й угловой момент индикатрисы рассеяния заметно влиял на характеристики ячейки, необходимо, чтобы также сильно воздействовал на них соответствующий n-й угловой момент функции распределения. В тесных решетках цилиндрических и кластерных ячеек вторые и следующие угловые моменты функции распределения ощутимо влияют на характеристики ячеек, поэтому в них следует ожидать влияния высших моментов сечения рассеяния на характеристики ячеек. К тому же американцы /54/ установили, что учет второго углового момента сечения рассеяния изменяет коэффициент проигрыша примерно (10%, что в пересчете на K около 1%) так же, как и учет первого (16%) в плоской ячейке. Поэтому исследовать учет анизотропии рассеяния стало необходимостью.
Сначала остановимся на одногрупповом приближении.
Центральное место в методе поверхностных псевдоисточников занимает функция Грина в однородной бесконечной среде для источников разной конфигурации. Форма функции Грина, удобная для использования /25, 48/, имеет вид:
G ( r, / r ', ') = Gnm (r / r )Ynm ()Ynm ( '), nm (1) nm nm L An ( ) An ( ) X nm (rn / ) Z nm (r n / ) l l l l......when..rn r n N (, l ) l = где Gnm (r / r ) = L, nm An ( ) An ( ) X nm (r n / ) Z nm (rn / ) l l l l......when..rnr n N (, l ) l = Учет анизотропии рассеяния содержится в коэффициентах Anl ( ), в нормировочных интегралах N (, l ) и в уравнении для определения дискретного спектра собственных значений, которые оказываются одинаковыми для разных геометрий. Из этого можно сделать вывод, что при учете анизотропии рассеяния в МППИ вычислительные затраты практически такие же, что и в задачах с изотропным рассеянием, поскольку порядок системы уравнений при этом не меняется и трудоемкость вычислений коэффициентов уравнений, выражающихся через угловые моменты функции Грина почти не растет. В основном в кодах, использующих МВПС, применяется транспортное приближение при описании рассеяния. Учет анизотропии рассеяния, хотя и вводится в некоторые модификации МВПС, приводит к резкому усложнению алгоритма (увеличивается порядок системы уравнений) и увеличению трудоемкости расчета.
Функции Anl ( ) для односкоростной задачи с индикатрисой рассеяния, разложенной в ряд по полиномам Лежандра K f () = f k Pk (), (2) k = получены автором и имеют вид ( k 1) ! ( n 1) ! Pk ( ) Q n ( )....n k, l l для [ 0,1] :
K An ( ) = c f k h kl ( ) l ( k + 1) ! ( n + 1) ! Pnl ( ) Q kl ( )....n k, k = для [ 0,1] :
min[ n, K ] (n 1)! Pnl ( ) ( k 1)! l } An ( ) = f k hk ( ) Pkl ( ) PQn ( ) Pnl ( ) PQkl ( )..when...n K ;
+ (1)l l l l (n + 1)! Pl ( ) k =1 ( k + 1)!
( n 1) ! l A n ( ) = Pn ( )....... w h en.....n K l ( n + 1) !
Нормировочные интегралы N (, l ) для l 0 получены автором и имеют следующий вид для [ 0,1] (положим 0 ):
( k 1)!( k 1)! 2 ( t + t + 2) c K K N (, l ) = f k hkl ( ) hkl ( )( 1) l +1 * Pt l ( ) Qtl ( ) 1 + ( k + 1)!( k + 1)! f ( 2 1) k 2 k =1 k = w hen..k k...t = k,...t = k ;
Q tl ( ) Pt l+1 ( )( t + 1 l ) + Pt l ( ) Q tl+1 ( )( t l + 1)......
+2 w hen..k k...t = k,...t = k.
( 1) Дискретный спектр собственных значений составляют корни трансцендентного уравнения, полученного автором, ( n 1)!
K l ( z ) = 1 ( 1)l czPl l ( z ) l l f n hn ( z )Qn ( z ).
( n + 1)!
n = Оценка влияния учета анизотропии рассеяния на одногрупповые характеристики ячеек. Американцы /54/ установили, что учет второго углового момента сечения рассеяния изменяет коэффициент проигрыша примерно (10%) так же, как и учет первого (16%) в плоской ячейке. Для исследования влияния анизотропии рассеяния /4, 25/ на характеристики ячеек автором были рассмотрены две цилиндрические ячейки, рассчитанные также японскими авторами, и кластерная ячейка типа РВМК (см. рис. 1). Результаты расчетов приведены в табл. 1 и 2. Во всех расчетах использовалось изотропное отражение на внешней границе ячейки.
Из табл. 1 видим, что наблюдается большое отличие (2-3%) между значениями G3 - приближения и японскими результатами. Автору показалось, что пять подзон в МВПС мало. По программе ВЕРСОК, где используется МВПС, ее автором была рассчитана вторая ячейка. Результаты пятизонного разбиения оказались близки к результатам японцев /58/, а 20 зонного разбиения – к результатам автора.
Окончательно из табл. 1 и 2 можно сделать следующие выводы.
Значения коэффициентов проигрыша для цилиндрической ячейки в линейно-анизотропном и в транспортном приближениях находятся примерно на одинаковом удалении от точного значения (2-3%), причем по разные стороны от него. Таким образом, в практических расчетах можно использовать оба приближения, конечно, проще транспортное. То же мы наблюдаем и для значений коэффициента использования тепловых нейтронов в кластерной ячейке, но в меньших масштабах. Эти выводы противоречат выводам американцев, ошибочность которых была нами установлена /55/ и подтверждена бельгийцами /56/.
Т а б л и ц а 1. Коэффициент проигрыша в цилиндрической ячейке Число членов Метод Прибл. 0 1 2 4 tr R МППИ G3*) 2,3438 -12.3 -10,1 -10,1 -6, МВПС Япон.
2,0 2,2813 -11,1 -9,6 - ВЕРСОК 2, **) МВПС (2,3373) *) Отличие в % от изотропного приближения.
**) Расчет по программе ВЕРСОК с 20-зонным разбиением ячейки на подзоны.
Т а б л и ц а 2. Коэффициент использования тепловых нейтронов в кластерной ячейке РБМК Транспортное Число членов разложения f () Приближение приближение 0 1 2 1*) 4,4 0,8408 4,6 4,5 4, G *) Отличие в % от изотропного приближения.
Zr H 2O UO 2 Zr C 30 Рис. 1. Кластерная ячейка РБМК Теперь перейдем к многогрупповому приближению.
Метод расщепления оператора для решения уравнения переноса нейтрона с анизотропным рассеянием /24, 28, 35, 47/. Внутри ячейки решается многогрупповое уравнение переноса нейтронов, учитывающее анизотропию рассеяния, вида g ( r ) G G g ( r, ) +tg ( r ) g ( r, ) = sgg ( ) g ( r, ) d + g0 ( r ) (3) fg K g=1 g= Для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов (3) был применен метод расщепления оператора, суть которого сводится к «расщеплению» уравнения (3) на систему уравнений g ( r, ) + t,g ( r ) g ( r, ) = sg ( ) g ( r, ) d + S g ( r, ) (4) (r ) G G S g ( r, ) = sgg ( ) g ( r, ) d sg ( ) g ( r, ) d + g fg g 0 ( r ) K g = g =1 Отметим, что источник S g ( r, ) анизотропный относительно угловой переменной. Первое и второе выражения, стоящие справа во втором уравнении (4) есть не что иное, как производная от тока нейтронов по энергетической оси. Напомним, что ток нейтронов по энергетической оси имеет следующий вид:
Q pk ( r, E ) = sp 0 ( E E ) zpk ( r, E ) dE dE sp 0 ( r, E E ) zpk ( r, E ) dE dE E E z z z 0E E0 sp 0 ( r, E E ) ( r, E ) d E d E.
E z z (5) E0 pk Производная от тока нейтронов (5) по энергии запишется в виде d Q pk ( r, E ) z sp 0 ( r, E E ) ( r, E ) d E sp 0 ( E ) = (r, E ). (6) z z z z pk pk dE В МВПС используется приближение “плоских” потоков и токов. Оба эти приближения приводят, если их подставить в выражение (6), к приближению “плоских” источников нейтронов. Автор же в рассматриваемом решении использует только приближение “плоских” источников, которое автоматически не влечет приближения “плоских” потоков и токов в МППИ. Как показано в работах /2-3/, производные от энергетического тока нейтронов являются более гладкими функциями по пространственной переменной, чем функция g ( r, ).
распределения Настолько гладкими функциями, что, как показывают расчеты ячеек, как с оптически тонкими зонами, так и с оптически толстыми зонами (до нескольких оптических длин свободного пробега нейтрона /3/), достаточно на одну физическую зону брать одну функцию простого вида. Таким образом, приближение “плоских” источников позволяет, во-первых, перейти к крупному пространственному разбиению в МППИ, что влечет за собой переход в конечном итоге к алгебраическим системам уравнений малого порядка и как следствие этого к уменьшению времени расчета всей задачи. Во-вторых, существенно уменьшается в МППИ число внешних итераций по источнику: так, например, в трехзонной ячейке ВВЭР 1000 практически требуется одна итерация, в кластерной ячейке РБМК их пять (в МВПС – опция PIJ программы WIMS – их 70-80).
Для решения системы уравнений (4) используется метод Галеркина, в котором функции раскладываются по сферическим гармоникам Ypk () и по финитным функциям zjpk (r ), отличным от нуля только внутри данной зоны z. В первое уравнение индекс группы входит как параметр, поэтому для его решения используем МППИ.
Одногрупповой расчет многозонной ячейки методом матричной факторизации в методе поверхностных псевдоисточников с учетом Функция распределения z ( r, ) в анизотропии рассеяния /24, 28, 35/.
методе поверхностных псевдоисточников в GN- приближении в зоне z с изотропным и анизотропным источниками имеет следующий вид:
z ( r, ) = S pk G pk ( r ) Ynm ( ) + g nmGnznm ( r / rj ) Ynm ( ) J z znm zj (7) m j =1 nm nm pk nm Приравнивая угловые моменты функции распределения вида (7) на границах между зонами получим матричное уравнение, в котором матрица имеет ленточный вид, и после нескольких способов его решения автор пришел к методу матричной факторизации, который оказался устойчивым к ошибкам приближений МППИ и ошибкам округления. В результате получаем зависимость всех угловых моментов поверхностных псевдоисточников от всех ( S pk ) источников нейтронов в ячейке в виде z g = HS, (8) g = { gnm } ;
H матрица комбинаций угловых моментов функции Грина.
S z z где S = ;
pk tok Далее беря пространственные моменты по финитным функциям zjpk (r ) от уравнений (7) и избавившись от поверхностных псевдоисточников (8), получим зависимость средних по зонам потоков и токов от источников нейтронов S в = HS виде (9) Пространсвенно-энергетическая часть задачи /28/. Бесконечный коэффициент размножения К ищется методом итераций по источнику. Для этого выделим в уравнении (9) часть источника, связанную с нейтронами ( n ) = H S pk ) + H ( n 1), деления, в виде (n (10) ( n 1) K G { }gpkj = p 0 k 0 zfg zg 00 j.
где {S pk }gpkj = sg g pk G z z z ;
z z z g pkj g sgpk gpkj g = g = Выражение (10) есть краткая запись n-ого цикла итерационного процесса по определению значения К.
Для решения системы уравнений в области замедления, где матрица переходов нейтронов имеет треугольный вид, использован способ последовательного решения уравнения.
В области термализации нейтронов, где матрица переходов нейтронов полная, система групповых уравнений автором решается прямым обращением матричного уравнения (10) относительно вектора. Обратную матрицу в уравнении (10) получаем один раз в первой итерации и запоминаем ее. Если обращать матрицу в уравнении (10) неудобно, то в программе уравнение (10) может решаться итерационным способом.
В асимптотическом приближении нулевой и первый угловые моменты функции распределения можно аппроксимировать следующим образом:
00 ( ) Ao I o + B o K o Ao + A 2 + B o ln ;
(11) L L 10 ( ) A1 I 1 + B1 K 1 A11 + B11 /. (12) L L Таким образом, для аппроксимаций удобно использовать набор из простых функций i ( ) : A, 2, ln,, 1.
Влияние анизотропии рассеяния на малогрупповые характеристики ячеек /24, 28, 35/. Вышеописанная методика была реализована автором в опции РАЦИЯ программного комплекса WIMS-SH для расчета одномерных цилиндрических ячеек. Типичная трехзонная ячейка ВВЭР-1000 с МОХ топливом из UO2+PuO2 была рассчитана с граничным условием изотропного отражения. Температура для всех материалов была 300 К. Ячейка рассчитывалась в 28 групповом приближении. Различие в значениях К (см. табл. 3), рассчитанных в транспортном и линейно-анизотропном приближениях, доходят до 0,5 %. Такое различие связано с наличием в топливе значительного (23,9 %) количества Pu-240, имеющего узкий и большой резонанс поглощения при 1 эв.
Т а б л и ц а 3. Значения K для ячейки ВВЭР-1000 с MOX топливом (7 wt%) Плотность воды г/cm Прибл.
0,01 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1, Транспорт. 0,0 0,3 0,5 0,5 0,5 0,5 0, Линейн.-анизот. 0,8932 0,9498 1,0074 1,0791 1,1440 1,1979 1, *) Отличие в % от линейно-анизотропного приближения.
Вторая глава посвящена автором разработке учета реальных внешних границ ячеек в методе поверхностных псевдоисточников /1, 7, 16, 34, 38/.
Обычно при расчете реальных шестигранных и квадратных ячеек их заменяют на цилиндрические ячейки при условии, что площади реальной и цилиндризованной ячеек были одинаковыми. Учет реальных границ ячеек, как правило, приводит к существенному усложнению расчета (переход от одномерного расчета к двухмерному) и, как следствие этого, к увеличению времени расчета. Исследованию влияния цилиндризации реальных ячеек посвящено несколько работ как у нас, так и за рубежом /52, 57/. Результатом этих исследований стали рекомендации, что при цилиндризации ячейки необходимо использовать на ее внешней границе граничное условие изотропного отражения нейтронов. Тогда результаты расчетов будут близки к результатам с зеркальным отражением в реальной n-гранной ячейке. Для тесных ячеек с урановым топливом это действительно так /59/. Но монте карловские расчеты с непрерывным энергетическим замедлением нейтронов показали, что ошибки от цилиндризации квадратных внешних границ в ячейках с MOX топливом могут достигать 0,5-0,6 % в К /57/. Это большая методическая погрешность и ее необходимо учитывать. А так как в МППИ это сделать намного проще, чем в МВПС /1, 7/, это будет сделано автором ниже.
Из анализа многогруппового расчета (см. главу 1) видно, что граничное условие в МППИ ставится на этапе одногруппового расчета.
Граничные условия в методе поверхностных псевдоисточников. Для формирования необходимого граничного условия на внешней границе ячейки на этой границе или вне ячейки вводится дополнительный сток нейтронов g ( r ', ') и положить его равным изотропному источнику вида A ( n, ), то i s sin k стоковая компонента примет вид s ( r, ) = A ( n, ') Gi ( r, / r ', ') d' dr 's = AG10i ( r, / r 'sin k ), (13) s где константа A определяется из внешнего граничного условия для каждой группы g.
Таким образом, в методе поверхностных псевдоисточников получается граничное условие изотропного отражения.
Для получения зеркального отражения в ячейке с квадратными, шестигранными и т.д. границами введем понятие суперячейки (см. рис. 2), состоящей из рассматриваемой центральной ячейки и одного или нескольких рядов ячеек, окружающих ее /7/. Внешний радиус суперячейки определяется из ее площади, равной сумме площадей ячеек, входящих внутрь суперячейки. Нам важно, чтобы угловое распределение, нейтронов, влетающих в рассматриваемую центральную ячейку, соответствовало реальному распределению, определяемому ближайшим окружением, находящимся от внешней границы рассматриваемой ячейки на расстоянии примерно одной длины свободного пробега нейтрона. Из этого условия определяется число внешних рядов ячеек. Для учета влияния на рассматриваемую ячейку ячеек, находящихся за пределами суперячейки, введем граничное условие изотропного отражения на внешней границе суперячейки.
Так как рассматривается бесконечная решетка, то очевидно, что все псевдоисточники, размещенные на внутренних поверхностях внешних зон ячеек, входящих в суперячейку, будут одинаковые. Тогда стоковый член уравнения (13) станет s ( r, ) = gs ( r ', ') Gi ( r, / r ', ', rj ) d' dr 's + AG10i ( r, / r 'sink ), J (14) i j=1 s где J- число всех ячеек в суперячейке, кроме центральной;
G i ( r, / r ', ', rj ) функция Грина, обе координатные части которой записаны в различных координатных системах. Константа А определяется из граничного условия на внешней границе рассматриваемой ячейки.
Угловые моменты функций Грина. Угловые моменты двухмерной функции Грина, обе координатные части которой записаны в различных системах координат, имеют следующий вид:
J r An ( v ) An ( v ) n,l n,l K 0 j l l v j=1, min[ n,n} m m v Gnm ( /, r ) = (15) nm dv vN ( v, o ) l =0,2 v где rj -расстояние между центрами симметрии центральной и одной из ячеек, расположенной в суперячейке (см. рис. 2).
Влияние учета реальных граничных условий отражения на характеристики ячеек /7, 16, 34, 38/. Вышеописанная методика была реализована автором в опции РАЦИЯ программного комплекса WIMS-SH и SUHAM-U /21, 31/ для расчета одномерных цилиндрических ячеек с реальными границами. Сначала сравниваются одногрупповые результаты расчетов ячейки Тайта (двухзонная квадратная ячейка с цилиндрической топливной зоной), ИЗОТРОПНОЕ ОТР.
ТОПЛИВНЫЕ БЛОКИ Рис. 2. Суперячейка ВВЭР- выполненной методом Монте-Карло /52/, методом решения интегрального уравнения по программе CELTIC /52/ и методом поверхностных псевдоисточников по опции РАЦИЯ (см. табл. 4) /7/. Различие между значениями коэффициентов проигрыша методов Монте-Карло и поверхностных псевдоисточников (в G1 и G3 приближениях) меньше 1 % для всех ячеек, что находится в пределах 2 сигма монтекарловских расчетов.
Ячейка реактора ВВЭР с МОХ топливом из энергетического UO2+PuO была рассчитана по опции РАЦИЯ в многогрупповом приближении с граничными условиями изотропного отражения в цилинризованной ячейке и зеркального отражения в шестигранной ячейке в G3 приближениях (см. табл.
5). Различие в значениях К, рассчитанных по опции РАЦИЯ с этими Т а б л и ц а 4. Коэффициенты проигрыша для ячеек Тайта Програм- Гранич. Ячейки Тейта мы условия 1 2 3 Монте-Карло Квадрат 1,162 ± 0,009 1,156 ± 0,006 1,147 ± 0,006 1,157 ± 0, ная CELTIC*) 0,7 0,4 0,7 -0, ячейка РАЦИЯ*) -0,1 0,2 0,1 -0, *) Отличие в % от значений Монте-Карло.
Т а б л и ц а 5. Значения K ячеек реактора ВВЭР-1000 с МОХ топливом Плотность воды г/cm Гранич.
условие 0,01 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1, 6-гран. ячейка*) 0,0 0,3 0,5 0,5 0,5 0,5 0, Изотропное отр. 0,8932 0,9530 1,0128 1,0847 1,1500 1,2038 1, *) Отличие в % от результатов расчета цилиндризованной ячейки с граничным условием изотропного отражения.
граничными условиями составляет 0,5 %, что достаточно большое и что подтверждается результатами, полученными в /57/ по кодам MSNP, ECCO( групп) и SCALE 4 (172 группы). Следует отметить, что время расчета на ПС по РАЦИИ с этими граничными условиями практически одно и тоже.
Влияние учета анизотропии рассеяния и реальных граничных условий отражения на характеристики ячеек /18, 43/. Типичная трехзонная ячейка ВВЭР-1000 с МОХ топливом из UO2+PuO2 была рассчитана по опции РАЦИЯ с граничным условием изотропного отражения цилиндризованной ячейки в транспортном приближении и с граничным условием зеркального отражения шестигранной ячейки в линейно-анизотропном приближении, которое автор считает ближе к точному значению. Результаты расчетов представлены в табл.
6. Если сравнить их, то увидим, что разность значений К компенсируется полностью или частично, т.е. до 0-0,3 %.
Сейчас в мировой практике принято рассчитывать цилиндризованные ячейки в транспортном приближении. Наши результаты показывают, что и дальше можно использовать эти приближения, так как методическая составляющая расчета в 0-0,3 % сопоставима с константной. Но так как появляется необходимость рассчитывать ячейки с выгоранием до Мвтсут/кгU и более и количество групп увеличивается (например, по программе WIMS рассчитывают и в 172 группах), что приводит к появлению и детальному учету больших резонансов, то расчеты в приближении цилиндризации ячейки с транспортным приближением необходимо контролировать.
Т а б л и ц а 6. Значения K для ячейки ВВЭР-1000 с MOX топливом Плотность воды г/cm Прибл Гранич.
условие 0,01 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1, Транспор Изот. отр. 0,8932 0,9530 1,0128 1,0847 1,1500 1,2038 1, Лин.-аниз 6-гран. яч. 0,0 -0,3 -0,2 -0,02 -0,02 -0,04 -0, ) * Отличие в % от транспортного приближения при граничном условии изотропного отражения.
Третья глава посвящена описанию разработанных автором устойчивых алгоритмов решения многогруппового уравнения переноса нейтронов в цилиндрических /2, 8, 11, 22, 36, 37, 39, 41/ и кластерных /3, 9, 12, 14, 19, 23, 40, 42/ ячейках ядерных реакторов методом расщепления с решением пространственно-угловой части задачи методом поверхностных псевдоисточников.
Элементарные решения уравнения переноса нейтронов для цилиндрической геометрии с азимутальной асимметрией. Для метода поверхностных псевдоисточников, который особенно привлекателен для решения уравнения переноса нейтронов в ячейках ядерных реакторов, требуется знание функции Грина уравнения переноса нейтронов для бесконечной однородной среды. Удобно строить эти функции Грина из элементарных решений уравнения переноса нейтронов. Ниже автором в соавторстве получена система цилиндрических элементарных решений /44/ для произвольной симметрии, подходящая для двумерных задач.
Уравнение переноса нейтронов в цилиндрической системе координат в бесконечной среде имеет вид:
(,, µ,) (1 µ ) cos µ sin2 (1 µ ) 2 cos 2 2 c += (,, )d µ + + + (16) µ 2 4 где (,, µ, ) - функция распределения нейтронов;
- направление полета нейтрона;
µ = cos ( = arccos ( * )) ;
- радиус вектор в плоскости (х,у), проведенный в точку положения нейтрона;
- угол между плоскостями (, ) и (х,у);
- азимутальный угол (угол между и осью х);
с - число вторичных нейтронов на столкновение.
Система комплексных цилиндрических регулярных элементарных решений уравнения (16) получается из плоских элементарных решений с помощью интегралов (, ) = d eip m (,,, ) =1 e ip m,p (17) z Перейдя от комплексных (17) к вещественным цилиндрическим элементарным решениям, получим последние в явном виде:
n, p 2n + 1 n n Pm,0 ( ) ( 1 ) + ( 1 ) m, k cos p + m k 1 + k,0 n=m k = ( 1 ) ( 1 ) %mn,,kp sin p Pkn,0 cos k m k 2n + 1 n 2 Pmn,0 ( ) 0 1 + ( 1 ) + ( 1 ) mn,,kp sin p m k n=m k= k, % n, p n ( 1 ) ( 1 ) m, k cos p Pk,0 cos k m k m, p ( ) rr, = n,p 2n + 1 n n Pm,0 ( ) ( 1 ) + ( 1 ) m, k cos p + m k 2 1 + k,0 n=m k = % n,p n ( 1 ) ( 1 ) m, k sin p Pk, sin k m k 2n + % n,p n Pmn,0 ( ) ( 1 ) + ( 1 ) m, k sin p m k 1 + k,0 n=m 2 k = ( 1 ) m ( 1 )k n, p cos p P n sin k, (18) k, m,k [ P (cos ) + (1) P (cos )] cos pd, ( 1) p где = cos e k n,p n n m, k m,k m,k [ P (cos ) (1) P (cos )] cos pd, (1) p cos = e k n,p n n m, k m,k m,k [ P (cos ) (1) P (cos )] sin pd, ~ (1) p cos = k n,p n n e m, k m,k m,k [ ] ~ (1) p P ( cos ) + ( 1) P ( cos ) sin pd, = cos k n,p n n e m, k m,k m,k Pmn, k ( µ ) - функции, связанные с полиномами Лежандра.
Система комплексных цилиндрических сингулярных элементарных решений уравнения (16) получается из плоских элементарных решений с помощью интегрирования i (, ) = d eip m (,,, ) =1 e ip m (19),p z При переходе от комплексных к вещественным цилиндрическим элементарным решениям получаем последние в виде выражения (18) только функции m,,kk, которые являются комбинациями функций Бесселя от p, мнимого аргумента заменяются на функции которые являются Il, Fmp,kk, комбинациями модифицированных функций Бесселя 3 рода Kl.
В выражениях (17) и (19) под функцией m (,,, ) имеются в виду угловые моменты плоских элементарных решений. При взятии интеграла (19) встает вопрос о продолжении плоских элементарных решений в комплексную плоскость. Проще всего это продолжение делается, если плоские элементарные решения записаны в виде разложения по сферическим гармоникам.
Далее устанавливается биортогональность полученных регулярных и сингулярных цилиндрических элементарных решений (17) и (19).Определяются нормировочные множители элементарных решений (17), (19). Используя биортогональные соотношения для систем вещественных элементарных решений строится функция Грина уравнения переноса нейтронов (16).
Метод расщепления оператора для многогруппового расчета ячеек кластерного типа /3, 12/ и решение пространственно-энергетической части задачи такие же как и для ячеек с цилиндрической геометрией (см. аналогичные разделы первой главы).
Модификация метода матричной факторизации для расчета кластерной одногрупповой задачи. В кластерной ячейке можно выделить два типа зон:
цилиндрическую и кластерную с блочками внутри нее. Метод матричной факторизации для расчета цилиндрических зон приведен в главе 1. Ниже автором будет рассмотрено его модификация для кластерных зон /3, 12, 40, 42/.
В методе поверхностных псевдоисточников функция распределения нейтронов в GPN- приближении для кластерных зон имеет вид cos p m SZ g nzjm p 'G nznmp ' ( r / r j ) z (r, ) = Yn ( ).
+ (20) p m sin p a Z p ' n m j =1 pnm 35 Рис. 3. Кластерная зона Приравнивая угловые моменты функции распределения вида (20) на границах между зонами 1-2 и 3-5 получим матричное уравнение, в котором матрица имеет ленточный вид, и после нескольких способов его решения автор пришел к модифицированному относительно кластерных зон методу матричной факторизации, который оказался устойчивым к ошибкам приближений МППИ и ошибкам округления. В результате получаем зависимость всех угловых моментов поверхностных псевдоисточников от всех ( S z ) источников нейтронов в ячейке в виде g = HS, (21) g = { g nm } ;
H матрица комбинаций угловых моментов функции Грина.
S z z где S = ;
tok Теорема взаимности для многозонных цилиндрических и кластерных ячеек. Используем теорему взаимности для односкоростного приближения:
( + ( x), q( x)) (( x), p( x)) = (n, ( x)+ ( x)) on.an.external, (22) boundary of.a.cell где ( x) - функция распределения уравнения переноса нейтронов;
+ ( x) функция распределения сопряженного уравнения переноса нейтронов;
q( x) источник прямого уравнения;
p( x) - источник сопряженного уравнения;
круглые скобки означают скалярное произведение с интегрированием по всему интервалу изменения переменных х= r,.
Теперь применим это соотношение (22) к нашим конкретным задачам /23/. Будем рассматривать задачу на определение К в ячейке ядерного реактора (интегральный ток нейтронов на внешней границе ячейки прямой и сопряженной функций равен 0). + ( x) = const на внешней границе ячейки. Тогда выражение в правой части уравнения (22) будет равно 0. А уравнение (22) перепишется в виде ( + ( x), q ( x)) = ( ( x), p( x)). (23) Соотношение (23) будем использовать в нашем случае для получения соотношений взаимности внутри цилиндрических и кластерных ячеек для средних по зонам потоков. В программах РАЦИЯ и КЛАРА, используется приближение «плоских» источников нейтронов. Будем рассматривать две произвольные несовпадающие зоны i и j. В качестве прямой задачи возьмем задачу с постоянным источником в зоне i qi=1/Vi, где Vi есть объем зоны i, и во всех остальных зонах. В качестве сопряженной задачи рассмотрим задачу с постоянным источником в зоне j pj=1/Vj, где Vj есть объем зоны j, и 0 во всех остальных. Тогда после некоторых упрощений выражение (23) для вероятностей Pji примет вид aiVi Pi j = ajV j Pj i. (24) Если соотношение (24) выполняется, то счет будет устойчив к ошибкам приближений и округлений.
Применение соотношения взаимности для анализа устойчивости алгоритма расчета кластерной ячейки РБМК /23, 42/. Метод поверхностных псевдоисточников был верифицирован в сравнении с другими методами и показал достаточную для практических расчетов точность при оперативных расчетах на ЭВМ. При переходе на 69-групповые расчеты кластерных ячеек РБМК при больших выгораниях топлива автором были выявлены некоторые неустойчивости (когда малые возмущения в алгоритме расчета приводили к большим изменениям в характеристиках ячеек). Детальный анализ этих расчетов автором показал, что эта неустойчивость связана с расходимостью типа полюса нескольких интегралов при расчете угловых моментов синусоидальной компоненты функции Грина. Так в выражении:
n n An ' ( v ) An ( v ) Fm '',1 m,1l l l min[ n, n '] l, v v dv (25) 0 vN ( v, l ) l =1, при стремлении к 0 каждое слагаемое в подинтегральном выражении ведет себя как 1/, т.е. интеграл логарифмически расходится. Устранить эту расходимость автору удалось путем сложения двух строк угловых моментов синусоидальных компонент, когда эти особенности уничтожали друг друга и не создавали неустойчивость расчета. По модифицированной автором опции КЛАРА комплекса WIMS-SH были рассчитаны ряд ячеек РБМК при трех разных выгораниях топлива и при различных температурах материалов и различных плотностях воды и проведено сравнение значений K, полученных по разным опциям комплекса WIMS-SH: КЛАРА, PIJ, DSN и РАЦИЯ.
Показана, во-первых, устойчивость расчета, во-вторых, хорошее согласие результатов расчета по опции КЛАРА с другими опциями.
Уточненная методика расчета в методе поверхностных псевдоисточников в GN - приближении для кластерных ячеек /23, 42/. В методе поверхностных P псевдоисточников функция распределения нейтронов внутри зоны многозонной кластерной ячейки РБМК (см. рис. 4) имеет следующий вид:
( ) SZ g ( r, ) G ( r, / r, ) dr d, z r, = Z + rr z z (26) a g s s s где z ( r, ) -функция распределения нейтронов внутри зоны;
S Z - постоянный по зоне z источник нейтронов;
Z - постоянное по зоне z сечение поглощения;
a g s (r, ) - поверхностный псевдоисточник в зоне z;
G z ( r, / r, ) - функция Грина в z бесконечной однородной среде с материалом зоны z.
Автором было рассмотрено три приближения. Общим для всех трех приближений было антисимметричное продолжение поверхностных псевдоисточников: g a ( rs, ) = g a (rs, ).
1. В этом приближении в формуле (26) g sz ( r, ) = g a (rs, ). Ограничиваясь в разложении поверхностных псевдоисточников по одному члену в нулевой и косинусоидальной компонентах и приравнивая на границах зон соответствующие угловые и пространственные моменты от (n) z ( r, ), мы приходим к G11 -приближению.
% 2. В этом приближении нулевая компонента поверхностных псевдоисточников совпадала с первым приближением, а косинусоидальная компонента представлялась в формуле (26) в виде g sz ( r, ) = (n) g a (r, ).
Приравнивая на границах зон соответствующие угловые и пространственные моменты от (n) z ( r, ), мы приходим к G110 -приближению. Следует отметить % следующую особенность этого приближения. Во-первых, каждое слагаемое из суммы угловых моментов косинусоидальной компоненты функции Грина имеет расходящийся интеграл с подинтегральной расходимостью типа полюс.
Во-вторых, а в сумме эти расходимости компенсируют друг друга.
3. В этом приближении в формуле (26) g sz ( r, ) = g a (rs, ). В этом приближении на границах зон приравниваются угловые и косинусоидальные и синусоидальные пространственные моменты функции распределения z ( r, ) и мы приходим к G3 -приближению. В этом приближении, как отмечалось ранее, в синусоидальных пространственных компонентах функции Грина имеются расходящиеся интегралы с подинтегральной расходимостью типа полюс.
Поэтому для устранения этой расходимости было предложено брать сумму следующих угловых пространственных моментов 0.12 111s + 0.08 6 311s, которая достигается суммированием соответствующих двух строк с соответствующими коэффициентами. В результате произошла компенсация особенностей.
Комплекс программ WIMS-SH. Вышеописанные алгоритмы были запрограммированы автором в программе КЛАРА. Программы КЛАРА /12/ и РАЦИЯ /11/ были вставлены в программу WIMS-SH /13, 26, 33/ как опции многогруппового транспортного расчета ячеек ядерных реакторов в цилиндрической (РАЦИЯ) и кластерной (КЛАРА) геометрий. По этим двум опциям можно рассчитывать, как традиционные малогрупповые сечения ячеек, так и малогрупповые сечения поглощения и деления для уточненных методов расчета ядерных реакторов, например, для метода поверхностных гармоник.
Для методов уточненного расчета реактора требуется проводить, кроме обычных многогрупповых расчетов ячеек на определение К, еще многогрупповые расчеты ячеек с втекающими в ячейку токами нейтронов.
Cравнения результатов расчета ячеек РБМК, полученных различными методами. Ниже предложенная методика расчета сложных кластерных ячеек автором была опробована на расчете кластерных ячеек реактора РБМК по опциям КЛАРА и РАЦИЯ комплекса WIMS-SH и сравнении результатов их расчета с результатами аналогичных расчетов, выполненных по другим опциям DSN и PIJ английской программы WIMS. Кроме кластерных ячеек РБМК, были выполнены расчеты многозонных цилиндрических ячеек РБМК по опции РАЦИЯ комплекса WIMS-SH. Следует отметить, что расчеты выполнялись кластерных ячеек РБМК как с топливом, так и без него. В последнем случая расчет выполнялся в концепции расширенной ячейки, в центре которой размещалась сама ячейка без топлива, а в окружении ее располагались ячейки РБМК с топливом в каком-то приближении.
Кластерная ячейка РБМК с топливом /19, 23, 42/. Расчеты автором выполнялись по опции КЛАРА программы WIMS-SH кластерных ячеек реактора РБМК с топливом при трех его выгораниях: 0, 14 и 32 Мвтсут/кгU. В данном разделе результаты расчетов значений К кластерных ячеек РБМК сравниваются с результатами их расчетов по опциям PIJ, DSN и РАЦИЯ программы WIMS-SH. Напомним, что в опции PIJ для расчета реальной кластерной геометрии РБМК используется метод вероятности первого столкновения. В опции DSN кластерная зона цилиндризуется и уже решается в цилиндрической геометрии методом дискретных ординат. В опции РАЦИЯ комплекса WIMS-SH, так же как и в опции DSN, решается цилиндризованная кластерная ячейка методом поверхностных псевдоисточников в цилиндрической геометрии. Все многогрупповые расчеты выполнялись в группах с одной и той же библиотекой микоконстант WIMS-D4.
Рассматривались различные состояния материалов зон ячейки в зависимости от температуры топлива, замедлителя и от плотности воды. Результаты расчетов по опции КЛАРА, PIJ и DSN программы WIMS-SH представлены в табл. 7.
Если рассчитать смещение(s) и стандарт(d) по формулам (27), то смещение будет составлять 0.09 %, а среднеквадратическое отклонение от смещения будет 0.13 %, а время расчета в 6 раз меньше.
1 N ( K inf K inf ) KL X 1 N ( K inf K inf ) KL X s= ;
. (27) K KL *100 d= K KL *100 s N i =1 N i =1 inf inf Кластерная ячейка РБМК с кластерным регулирующем органом (КРО) и без него /23, 40/. Автором были рассчитаны ячейки РБМК с кластерными регулирующими органами (КРО) (см. рис. 5) с их различными состояниями по опциям КЛАРА и РАЦИЯ комплекса WIMS-SH, а также по опциям DSN и PIJ.
Результаты этих расчетов и сравнения приведены в табл. 8. Видим, что значения К расширенной кластерной ячейки РБМК со стержнями КРО опций Графитовый блок, R=4.4 см 2525см R=4.0 см R=3.1 с м 12 стержневых пэлов. 4.4 см R=1.6 см Отверстие под пэл - 1см. В зазоре между Внешний ряд твэлов 4.10 см оболочкой пэла и гильзой - воздух.
12 ш тук 3. 95см 3.175см Внутренн ий ряд твэлов Вода 6 ш тук 2.6см 2. 5см Алюминиевая гильза.
° 30° 2.3см Алюминиевая несущая труба.
° 15° Внутри трубы и в зазоре между гильзой и трубой - воздух.
Труба канала.
Циркониевый сплав Теп лоносите ль.
Вода =0.5 г/с м Трубка с центральным стержнем Графитовый блок.
2525 см Тру ба канала Цирконие вый сплав 25 см Стержневой пэл Трубка с це нтральным стержнем ТВЭЛ 0.82см Трубка.
R=0.75см R=0.6815см Циркониев ый сплав R=0.625с м R=0.5915см =0.06см Оболочка твэла.
Циркониевый с пла в Порошок титаната R= 0.1см диспрозия.
Центральн ый с терже нь. Оболочка пэла Цирконие вый сплав 125 Топливная таблетка. Сталь 08Х18Н10Т Диоксид урана.
Рис. 4. Кластерная ячейка РБМК Рис. 5. Кластерная ячейка РБМК с топливом со стержнями КРО Т а б л и ц а 7. Значения К кластерной ячейки реактора РБМК с топливом КЛАРА РАЦИЯ DSN *) *) G3*) 1 1 *) 10 *) PIJ S G3 G1 G Смещение 0.26 0.18 -0.09 -0.21 -0. Стандарт 0.06 0.11 0.13 0.12 0. Время с 1.4 1.2 1.2 8.5 3.5 0. *) Отличие в % от результатов опции КЛАРА в приближении G13.
КЛАРА и PIJ комплекса WIMS-SH близки друг к другу (смещение равно 0.08 % при стандарте 0.04 %), а время расчета меньше в пять раз. Эти результаты расчетов по опциям, которые учитывают кластерную структуру поглотителей.
Расчеты тех же объектов, но с их цилиндризацией приводят к большему различию около 0,9 %. Также были рассчитаны и сравнены ячейки РБМК с КРО, но без стержней поглощения. Результаты этих расчетов и сравнения приведены в табл. 9. Видим, что различия небольшие, так как в этих объектах нет сильных поглотителей, которые бы приводили к большим градиентам потоков нейтронов.
Т а б л и ц а 8. Значения К расширенной кластерной ячейки РБМК со стержнями КРО PIJ*) КЛАРА РАЦИЯ DSN *) S 1 1 *) 10 *) G3 G1 G Смещение -0.01 -0.01 0.08 0.85 0. Стандарт 0.02 0.02 0.04 0.05 0. Время с 3 2.4 2.4 16.0 12.0 3. *) Отличие в % от результатов опции КЛАРА в приближении G13.
Т а б л и ц а 9. Значения К расширенной кластерной ячейки РБМК без стержней КРО PIJ*) КЛАРА РАЦИЯ DSN *) G3*) S G13 G11*) G101*) Смещение -0.21 -0.21 0.04 0.01 -0. Стандарт 0.01 0.01 0.05 0.04 0. Время с 3 2.4 2.4 16.0 12.0 3. *) Отличие в % от результатов опции КЛАРА в приближении G13.
Сравнение результатов расчета ячеек типа ВВЭР /37, 39, 41/. Приведены результаты расчетов, выполненные автором, ячеек ВВЭР-1000 с урановым и смешанным топливом по опции РАЦИЯ программы SVL. Результаты этих расчетов сравниваются с аналогичными результатами /53/, полученными по программам MCU, TVS-M, HELIOS, WIMS-ABBN. Расчеты выполнены в групповом приближении в цилиндрической геометрии. В расчетах используется изотропное отражение на внешней границе ячейки. Расчеты выполнялись с баклингом B2=0.003 cm-2 и нулевым током нейтронов на границе ячейки. Результаты расчетов приведены в табл. 10. Из нее можно сделать следующие выводы:
Результаты расчетов Кэфф., полученные по SVL (G3) и WIMSD (S32), отличаются меньше, чем 0.1 % при смещении -0.004 % и стандарте 0.002 %.
Так как эти программы имеют одни и те же библиотеки микроконстант, то это отличие характеризует точность расчета по опции РАЦИЯ кода SVL.
В большинстве вариантов отличие результатов SVL программы от других в Кэфф. меньше 0.3 % для ячеек с урановым топливом и 0.5 % для смешанного топлива (особенно от MCU), за исключением нескольких вариантов.
В одном варианте отличие в Кэфф. между программами SVL, WIMS ABBN, HELIOS и MCU, TVS-M доходит до 2-3 %. Так как последние две программы имеют одни и те же библиотеки микроконстант, то, по-видимому, в них необходимо уточнять микросечения 241Pu.
Т а б л и ц а 10. Сравнение результатов расчета значений Keff. в ячейке ВВЭР- MCU*) TVS-M*) WIMS-ABBN*) HELIOS*) WIMS, DSN, S32 *) Смещен. -0.143 -0.017 -0.069 0.379 -0. Стандарт 0.42 1.49 0.19 0.16 0. *) Отличие в % от результатов программы SVL G3 приближения.
Четвертая глава посвящена автором количественному исследованию начальных приближений уточненного расчета реактора: метода поверхностных гармоник (МПГ) с помощью имеющихся диффузионных программ. Объектами были выбраны сборки РБМК и ВВЭР, для которых исследовалась точность расчета и трудоемкость различных его этапов в сравнении с точностью и трудоемкостью для традиционного метода гомогенизации с использованием многогруппового расчета методом поверхностных псевдоисточников (МППИ) для подготовки малогрупповых характеристик ячеек. Напомним еще об одном преимуществе МППИ перед МВПС: в МППИ получаются автоматически угловые моменты решения на границах ячеек (величины, необходимые для уточненных конечно-разностных уравнений, описывающих нейтронные поля в реакторе, в частности, для МПГ). А в МВПС необходимо специально рассчитывать угловые моменты решения на внешней границе ячейки.
Матрица поглощения-деления в методе поверхностных гармоник/6/.
Матрица поглощения-деления имеет следующий вид S af = (28) V Поскольку в ячейках с размножением матрица имеет особенность типа полюс, для выделения ее удобно представить в виде двух слагаемых = ( * p ) + v, (29) где - коэффициент размножения в бесконечной однородной K / K 1 K = ;
K / K решетке;
K - эффективный коэффициент размножения в рассчитываемом объекте;
: реакторе, сборке, кассете;
0 - вектор граничных уровней (потоков) нейтронов в задаче на определение K ячейки;
р – вектор, компоненты которого равны средней по ячейке сопряженной функции;
v – матрица граничных уровней (потоков) нейтронов в приближении «подавления размножения», ( * p) - матрица, компоненты которой определяются следующим образом: {(0 * p )}gg = 0 g pg.
Предложенный автором балансный способ расчета матрицы поглощения деления /6/. Будем рассматривать ячейку с размножением, через внешнюю поверхность которой втекает ток нейтронов J. Зная полное количество нейтронов, втекающих в ячейку, и полное количество нейтронов, рожденных в ячейке, запишем полный баланс нейтронов в ячейке. Затем используя условия нормировки в ячейке после небольших преобразований получим явный вид 1 G Z fg ', z Fg ', zVz pg = компонент вектора р: (30) K g '=1 z = Прямой расчет малогрупповых эффективных сечений в методе поверхностных гармоник. В настоящем разделе рассматривается предложенный автором способ прямого расчета малогрупповых матриц и обратной к ней матрицы 1 ( af ) в ячейках с размножением. Результат получается из нескольких многогрупповых расчетов ячейки с размножением с заданными на внешней границе втекающими токами. Необходимо помнить, что этот способ расчета неприменим при значении K ячейки, близкому к K рассматриваемого объекта (сборки или реактора). Внутри ячейки решается многогрупповое кинетическое уравнение:
g ( r ) G G g ( r, ) +t,g ( r ) g ( r, ) = s,gg ( ) g ( r, ) d + g0 ( r ) (31) fg K g=1 g= r с условием на внешней границе ячейки ( n ) ( r, ) d =tok g.
(32) p g Для решения этого уравнения используется способ расщепления оператора (подробно этот способ описан в первой главе).
Выделив токовую составляющую источника, после некоторых преобразований придем к уравнению в матрично-векторной форме относительно средних по зонам потоков нейтронов и внешних токов нейтронов I:
A = TI. (33) Так как итерационный метод решения уравнения (33) расходится, а решение существует, то матричное уравнение (33) решается прямым обращением матрицы А и расчетом по формуле = A1TI. (34) Зная средние по зонам потоки нейтронов, легко определяем уровни и токи нейтронов на внешней границе ячейки. Свертывая их в g групп, получим матричное уравнение = I, (35) где =.. -матрица уровней нейтронов;
I = I..I - матрица токов нейтронов.
11 11 21.. 22 I 21..I Решая уравнение (35), получим искомую матрицу = I 1. (36) Результаты сравнения матриц af и матриц реакций относительно поглощения и размножения в ячейке, рассчитанных прямым способом и с помощью разбиения на два слагаемых, оказались близкими (отличие компонентов матриц меньше или около 1 %). Исключение составляют недиагональные элементы матрицы реакции размножения для ячейки РБМК, где отличие составляет примерно 10 %. Как показывают расчеты, вклад этих отличий в конечные результаты расчетов мал. Для ячейки ВВЭР-1000 отличие всех элементов было меньше 1 %.
Спектры втекающего в ячейку тока нейтронов /6/. Для однозначного определения матриц поглощения-деления af как для ячеек с топливом, так и без него в многогрупповых расчетах следует задать внутригрупповой энергетический спектр нормальной составляющей тока нейтронов на внешней границе ячейки jg. Этот спектр можно определять для ячеек без топлива, например, из расчета суперячеек. Для ячеек с топливом из модельной задачи: в однородной многогрупповой среде с усредненными по зонам ячейки решается многогрупповое диффузионное уравнение на определение критического баклинга. И далее определяется асимптотический спектр втекающего тока нейтронов по формуле J 1 = Dg Fg Dgg. (37) g Матрицы реакций для расчета различных функционалов /6/. Остановимся подробно на вычислении матрицы реакций относительно реакции, происходящей в ячейке. Под реакцией будем понимать, например, энерговыделение, поглощение, размножение и т.п.
Матрицы реакций для ячеек без делящихся материалов. Число реакций типа в ячейке каждой группы равно компонентам вектора V v J, (38) где V- объем ячейки;
{ v} = F / J ;
gg - среднее по ячейке сечение процесса gg g g gg в макрогруппе g от втекающего тока нейтронов макрогруппы g’.
J = ( v ) Используя соотношение для матрица ( антисимметричной пробной функции;
- вектор групповых уровней нейтронов в реакторе), получим из формулы (38) V v(v ) 1 = V v a, где = ( E + a 2 / 8 2 ) 1. Выражение V v a и есть матрица реакций процесса.
Матрицы реакций для ячеек с делящимися материалами. Матрицы реакций для ячеек с делящимся материалом имеют такой же вид, какой и для ячеек без делящегося материала (матрица v заменяется на матрицу ):
V af, где af - матрица поглощения-деления.
Методика расчета методом поверхностных гармоник с использованием сеточной диффузионной программы JOSHUA /5/. В работе /51/ получены трехмерные конечно-разностные уравнения метода поверхностных гармоник с двумя неизвестными групповыми векторами на ячейку. Автор в соавторстве упростили их, в результате чего они приняли вид двумерных конечно разностных уравнений сеточной программы JOSHUA с одним неизвестным групповым вектором на ячейку в виде + = 0, (39) k k k k 1 M где k = S r 2 D ( D + D ) D ( i k );
k = 2 Dk ( Dk + D j ) D j ( j k );
hz k k i i MVhr j = i = Представим вектор (r ) в виде (r ) = exp(iBz z ) ( ) и после некоторых k k k упрощений получим окончательное уравнение ( B z2 D k + k ) k = 0.
(40) k А это уравнение по внешнему виду совпадает с конечно-разностным, используемым в диффузионной программе JOSHUA.
Физическое содержание величин, входящих в уравнение (40), отличается от традиционно вкладываемого в аналогичные величины уравнения. Это, однако не мешает пользоваться программами, приведя в соответствие элементов матрицы уравнения (40) к элементам матрицы k уравнения в k программе JOSHUA.
Итерационный способ расчета K в методе поверхностных гармоник /6/.
Автор отметил, что эффективные сечения метода поверхностных гармоник зависят от K не линейно(см. формулу (29)), поэтому для его расчета надо выполнить дополнительные внешние итерации. Задав начальное значение K равным 1, рассчитываем матрицу. Решаем уравнение (40) на определение собственного значения (0), которое отличается от K. Получаем соответствующую ему собственную функцию. По формуле баланса нейтронов рассчитываем K. (1) Уменьшив (0) в K раз, снова рассчитываем матрицу. Далее решаем (1) f уравнение (40) на определение (1), находим K по балансной формуле и т.д.
(2) При этом K n) 1, ( n ) 1, K = K n ). При такой организации итерационного N ( ( n = процесса оказывается, что для расчета K с погрешностью, меньшей, чем 0, %, достаточно 1-2 итераций. Эти итерации необходимо рассчитывать, когда K далеко от 1 (например, 1.05).
Валидация на сбороках реактора РБМК /5/. Стенд РБМК представляет собой графитовую призму с 324 технологическими каналами (18*18). В рассчитанных сборках, собранных на стенде РБМК, присутствовало четыре типа ячеек: ячейка с топливным каналом (ТК), ячейка со стержнем СУЗ, ячейка с дополнительным поглотителем (ДП) и графитовая ячейка с пустым каналом.
Баклинг брался из эксперимента.
Результаты расчетов 10 критических сборок РБМК представлены в табл. 11. Расчеты проводились по двумерной диффузионной программе JOSHUA в двугрупповом приближении традиционным методом гомогенизации и методом поверхностных гармоник под руководством автора.
Из табл. 11 видно, что уже низшее приближение МПГ достаточно точно учитывает поправку на крупный шаг сетки и окружение ячеек (смещение -0.14, стандарт 0.03).
Т а б л и ц а 11. Реактивность сборок РБМК (Kcalc-Kexp)*100/Kexp Традиционный метод МПГ 2 группы гомогенизации Смещение 2.33 -0. Стандарт 0.11 0. Валидация на сборках решеток типа ВВЭР – ZR-6 /27, 30, 46/. Автором в соавторстве были рассчитаны коэффициенты размножения и распределения энерговыделений для пяти критических решеток типа ВВЭР на сборках ZR-6.
Решетки 101, 102 и 58 содержат внутри себя различное количество "водяных ячеек" (помимо отражателя). В решетке 57 содержатся сильные поглотители, а в решетке 103 имеются и поглотители и "водяные ячейки". Для расчетов во всех случаях использовался диффузионный код ПЕРМАК для решения трехгрупповых конечно-разностных уравнений и комплекс WIMS-SH для расчетов характеристик ячеек. Различные столбцы в таблице 12 отвечают различным способам приготовления характеристик ячеек. Столбец А соответствует трехгрупповым традиционным эффективным сечениям ячеек.
Столбцы B и С отвечают характеристикам ячеек метода МПГ. Для столбца B использовались характеристики, предполагающие условие непрерывности тока и потока, а для столбца С - условие непрерывности тока и уровня. Можно сделать вывод из результатов, что использование недиффузионной поправки при мелкосеточных расчетах решеток типа ВВЭР необходимо и что использование простейшего вида этой поправки (использование уровней вместо потоков), по-видимому, достаточно.
Т а б л и ц а 12. Недиффузионные поправки в мелкосеточных расчетах решеток типа ВВЭР № A B C реш Pf+ Pf- Pf+ Pf- Pf+ Pf Keff Keff Keff етки 101 0.9980 6 -15 0.9934 5 -4 0.9998 3 - 102 0.9979 8 -12 0.9860 4 -6 0.9975 3 - 58 1.0031 4 -12 0.9894 6 -3 0.9967 2 - 57 1.0162 5 -11 0.9873 6 -3 1.0032 3 - 103 1.0076 17 -15 0.9807 10 -3 0.9967 7 - Pf =min[(Pf,i -Pf,i )*100./Pf,i ];
Pf =max[(Pf,i -Pf,i )*100./Pf,i ] - calc exp exp + calc exp exp Pf,i = f f ( r, E ) 0 ( r, E ) drdE E Vi ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация посвящена повышению точности, надежности и оперативности предсказания нейтронно-физических характеристик ячеек ядерных реакторов путем развития нового научного направления в области решения уравнения переноса нейтронов: метода поверхностных псевдоисточников и разработки эффективных алгоритмов на его основе и применения метода поверхностных гармоник, сочетающих в себе достоинства прямых реперных методов по точности расчета и инженерных методов по вычислительным затратам, их программной реализации, верификации и применения для решения нейтронно-физических задач.
В диссертации:
Впервые в мировой практике разработаны и программно реализованы автором алгоритмы решения односкоростного уравнения переноса нейтронов с учетом до пяти членов в разложении индикатрисы рассеяния методом поверхностных псевдоисточников для цилиндрической и кластерной ячеек в программах ПРАКТИНЕЦ-5Ф и ПРАКТИНЕК соответственно.
Впервые в мировой практике подробно исследовано влияние анизотропии рассеяния на одногрупповые характеристики ячеек ядерного реактора. Если американцы установили, что учет второго углового момента сечения рассеяния изменяет коэффициент проигрыша примерно (10%) примерно так же, как и учет первого (16%) в плоской ячейке, то автором было установлено, что линейно-анизотропное приближение можно считать достаточным при расчете цилиндрических ячеек, что совпало с выводами японцев, и заведомо достаточно для кластерных ячеек РБМК. Эти выводы противоречат выводам американцев, ошибочность которых была автором была установлена численно для плоских ячеек ранее и недавно подтверждена численно бельгийцами.
Впервые в мировой практике разработаны и программно реализованы автором алгоритмы решения многогруппового уравнения переноса нейтронов с учетом до двух членов в разложении индикатрисы рассеяния методом поверхностных псевдоисточников для цилиндрической геометрии в программе РАЦИЯ.
Впервые в мировой практике исследовано влияние анизотропии рассеяния в многогрупповых расчетах при вычислении малогрупповых характеристик цилиндрических ячеек ядерного реактора. При расчете типичных трехзонных ячеек ВВЭР-1000 и BWR с энергетическим МОХ топливом из UO2+PuO2 автором было установлено, что отличие значений K, полученных в линейно-анизотропном и транспортном приближениях, доходит до 0,5-0,6 %. А это уже значительное различие и его необходимо учитывать.
Впервые в отечественной практике разработаны и программно реализованы автором алгоритмы решения многогруппового уравнения переноса нейтронов с учетом реальных внешних границ ячеек в методе поверхностных псевдоисточников в программе РАЦИЯ.
Из сравнения одногрупповых результатов расчета коэффициентов проигрыша двухзонных квадратных ячеек, рассчитанных методами Монте Карло, вероятности первых столкновений и поверхностных псевдоисточников, автором было установлено, что граничное условие зеркального отражения на внешней границе квадратной ячейки в методе поверхностных псевдоисточников позволяет рассчитывать коэффициент проигрыша с погрешностью меньше 1 % для всех рассмотренных ячеек, что находится в пределах 2 метода Монте-Карло.
Впервые в отечественной практике автором было исследовано влияние цилиндризации внешних границ ячеек на их характеристики. Установлено, что отличие значений K, рассчитанных по опции РАЦИЯ методом поверхностных псевдоисточников с граничными условиями изотропного отражения в цилинризованной ячейке (широко используемое приближение на практике) и зеркального отражения в шестигранной ячейке ВВЭР-1000 с энергетическим МОХ топливом доходит до 0,5-0,6 %. А это уже значительное различие и его необходимо учитывать.
Впервые в мировой практике автором было исследовано влияние одновременно анизотропии рассеяния и цилиндризации внешних границ ячеек в многогрупповых расчетах методом поверхностных псевдоисточников на их малогрупповые характеристики. Установлено, что эти два эффекта компенсируют друг друга и в результате отличие значений K в линейно анизотропном приближении с зеркальным отражением в шестигранной ячейке ВВЭР-1000 и транспортным приближении с изотропным отражением в цилиндризованной ячейке составляет 0,1-0,3 %, что для практических расчетов можно считать приемлемым, а для аварийных следовало бы учитывать.
Впервые в мировой практике автором в соавторстве выведены регулярные и сингулярные элементарные решения уравнения переноса нейтронов для цилиндрической геометрии с азимутальной асимметрией и построены двумерные функции Грина.
Впервые в отечественной практике на основании теоремы взаимности автором получены формулы для симметричной матрицы вероятностей поглощения от однородных изотропных источников в многозонных цилиндрических и кластерных ячейках ядерных реакторов. Впервые автор использовал свойства симметричности матрицы поглощения для анализа устойчивости алгоритма метода матричной факторизации при одногрупповом расчете уравнения переноса нейтронов методом поверхностных псевдоисточников в ячейках ядерных реакторов.
Впервые автором разработаны устойчивые схемы метода матричной факторизации при решении одногруппового уравнения переноса нейтронов в цилиндрических и кластерных ячейках методом поверхностных псевдоисточников во всей области энергии нейтронов.
Впервые анализ устойчивости алгоритма решения уравнения переноса нейтронов методом поверхностных псевдоисточников в G -приближении в кластерных ячейках автору позволил выявить расходящиеся интегралы.
Автором предложен способ, устраняющую эту расходимость и обеспечивающий устойчивость расчета.
Автором выполнена большая верифицикация опции КЛАРА для расчета кластерных ячеек РБМК с топливом разного выгорания, с кластерным регулирующим органом КРО и с кластерным кобальтовым дополнительным поглотителем ДП при различных параметрах. Установлено, что значения K опции КЛАРА рассмотренных ячеек отличаются от точных значений максимум на 0,1-0,2 %, а время расчета меньше в несколько раз по сравнению с методом вероятностей первых столкновений.
Автором выполнена большая верифицикация опции РАЦИЯ для расчета цилиндрических ячеек реакторов ВВЭР-1000 и РБМК, как с топливом разного выгорания, так и с поглотителями при различных параметрах. Установлено, что значения K опции РАЦИЯ рассмотренных ячеек отличаются от точных значений максимум на 0,1-0,2 %, а время расчета меньше в несколько раз.
Впервые в мировой практике автором в соавторстве выполнены количественные исследования двумерных начальных приближений метода поверхностных гармоник с помощью имеющихся программ на сборках РБМК, ВВЭР и PWR, для которых исследовалась точность расчета и трудоемкость различных его этапов в сравнении с точностью и трудоемкостью для традиционного метода гомогенизации. Установлено из сравнения расчета с экспериментом на сборках РБМК, что уже начальные приближения МПГ позволяют уменьшить отличия в значениях Кэфф с 2-3 %, получаемые в традиционном подходе, до 0,2 % за счет более правильного учета поправки на крупный шаг решетки и более правильного учета влияния окружения. Из сравнения расчета с экспериментом на сборках ZR-6 установлено, что уменьшается отличие, во-первых, в значениях Кэфф с 0,8-1,6 %, получаемые в традиционном подходе, до 0,3 % за счет правильного учета недиффузионных поправок, и во-вторых, в значениях энерговыделения с 10-15 %, получаемые в традиционном подходе, до 3-7 % также за счет правильного учета недиффузионных поправок в мелкосеточном расчете.
Впервые в мировой практике автором разработаны и программно реализованы алгоритмы устойчивого расчета матрицы поглощения и деления для метода поверхностных гармоник, как на основании прямого многогруппового расчета ячеек ВВЭР-1000, РБМК и других типов реакторов, так и в приближении «подавления размножения». Из сравнения этих двух подходов установлена допустимость приближения «подавления размножения» для расчета матрицы поглощения и деления метода поверхностных гармоник в практических расчетах.
Созданные автором программы РАЦИЯ и КЛАРА вставлены в программные комплексы РАФОРИН, WIMS-SH, SUHAM-U и SVL как опции для многогруппового расчета цилиндрических и кластерных ячеек и для подготовки малогрупповых характеристик, как для традиционных расчетов, так и для метода поверхностных гармоник (МПГ). Без опций РАЦИЯ и КЛАРА, вообще говоря, нельзя было бы использовать МПГ для ВВЭР и РБМК.
Автором выполнялось руководство при проведении верификационных сравнений опций КЛАРА и РАЦИЯ комплекса SVL с результатами, полученными другими методами, при аттестации комплекса SVL (аттестационный паспорт НТЦ по ядерной и радиационной безопасности № от 18.12.2008г).
Таким образом, в диссертации автором выполнено развитие оригинального метода поверхностных псевдоисточников и создание эффективных алгоритмов на его основе для решения уравнения переноса нейтронов в цилиндрических и кластерных ячейках ядерных реакторов, сочетающих в себе достоинства реперных методов по точности расчета и инженерных методов по вычислительным затратам, проведена их программная реализация, верификация и применение для решения нейтронно-физических задач в ядерных реакторах разного типа. Совокупность выполненных работ представляет собой решение крупной научной проблемы по повышению точности, надежности и оперативности предсказания нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов в обеспечение безопасности АЭС с реакторами разного типа.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
Статьи в научных изданиях, входящих в перечень ВАК 1. Султанов Н.В., Жокина И.А., Уточнение граничных условий при расчете «тесных» решеток методом поверхностных псевдоисточников, // Атомная энергия, 1982, т. 53, вып. 3, сс. 155-158.
2. Султанов Н.В., Многогрупповой расчет цилиндрических ячеек с сильно поглощающими кольцевыми зонами методом поверхностных псевдоисточников // Атомная энергия, 1985, т.58, вып. 6, сс. 410-413.
3. Султанов Н.В. Многогрупповой расчет кластерных ячеек методом поверхностных псевдоисточников по коду КЛАРА. // Там же, с.414-418.
4. Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Бояринов В.Ф., Учет анизотропии рассеяния в методе поверхностных псевдоистоников при расчете ячеек реакторов, // Атомная энергия, 1992, т. 72, вып. 6, сс. 547-554.
5. Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Люлька В.А., Расчет полиячейки и сборок РБМК методом поверхностных гармоник. // Атомная энергия, т. 74, вып. 6, 1993, сс. 473-482.
6. Султанов Н.В., Матрица поглощения-деления и матрицы реакций в методе поверхностных гармоник. // Атомная энергия, 1994, т. 76, вып. 1, сс. 19-28.
7. Султанов Н.В., Влияние граничных условий в многогрупповых расчетах ячеек реакторов со смешанным оксидным топливом. // Атомная энергия, 1998, т. 85, вып. 3, сс. 186-193.
8. Султанов Н.В. Аннотация кода ПРАКТИНЕЦ-5Ф. // ВАНТ, Сер.: ФЯР, 1987, вып. 1, сс. 22-24.
9. Султанов Н.В. Аннотация кода ПРАКТИНЕК. // ВАНТ, Сер.: ФЯР, 1987, вып. 8, сс. 47-49.
10. Султанов Н.В. Аннотация кода ПРАКТИНЕП(АР). // ВАНТ, Сер.: ФЯР, 1987, вып. 8, сс. 49-51.
11. Султанов Н.В. Аннотация кода РАЦИЯ-1. // ВАНТ, Сер.: ФЯР, 1989, вып. 2, сс. 36-39.
12. Султанов Н.В. Аннотация кода КЛАРА-1. Там же, сс. 39-42.
13. Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Бояринов В.Ф., Войтовецкий С.В., Комплекс программ WIMS-SU. // ВАНТ, Сер.: ФЯР, Вып.1, 1990, сс. 26-33.
14. Султанов Н.В., Сравнение некоторых программ расчета характеристик ячеек ядерных реакторов. // Там же, сс. 42-49.
15. Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Ковалишин А.А., Использование методов МППИ и МПГ - эффективный и подходящий для распараллеливания путь расчетов ядерных реакторов. // ВАНТ, Сер. Мат. Модел. Физ. Проц., 2002, вып. 4.
Научные статьи в других изданиях 16. Султанов Н.В., Влияние граничных условий в многогрупповых расчетах ячеек с плутониевым топливом. Х Международный семинар по проблемам физики реакторов. 2-6 сент., «Волга-97», МИФИ.
17. Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Ковалишин А.А., Анализ некоторых результатов расчетов методом поверхностных гармоник сборок PWR. XI сем. по проблемам физики реакторов, 4-8 сент., ВОЛГА-2000.
18. Султанов Н.В., Карабанова В.Г. Влияние граничных условий и анизотропии рассеяния на расчет размножающих свойств ячеек реактора ВВЭР-1000 с энергетическим МОХ топливом. Там же.
19. Султанов Н.В. Некоторые верификационные расчеты кластерных ячеек. 14 я школа-семинар по проблемам физики реакторов (“Волга-2006”) 4- 8 сент.
20. Ковалишин А.А., Лалетин Н.И., Султанов Н.В., Лалетин М.Н., Нейтронно физический решетчатый код SVL., 15 семинар НЕЙТРОНИКА – 2004.
Обнинск, ФЭИ, 26-29 окт.
21. Бояринов В.Ф., Султанов Н.В. Применение программы SUHAM-U для расчетного анализа бенчмарков для коэффициентов реактивности Допплера.
17 семинар НЕЙТРОНИКА-2006, Обнинск, ФЭИ, 31 окт.- 2 нояб.
22. Лалетин Н.И., Султанов Н.В. и др. Применение программы SVL для верификации и валидации библиотеки констант РОСФОНДа. 19 семинар НЕЙТРОНИКА –2008, Обнинск, ФЭИ, 28-31 окт.
23. Султанов Н.В. Уточнение расчетов кластерных ячеек РБМК с топливом методом поверхностных псевдоисточников. 21 семинар НЕЙТРОНИКА – 2010, ФЭИ, Обнинск.
24. Султанов Н.В. Учет анизотропии рассеяния в многогрупповых расчетах ячеек в программе SVL. 22 семинар НЕЙТРОНИКА –2011, Обнинск, ФЭИ, 24 -27 окт.
25. Laletin N.I., Sultanov N.V., Boyarinov V.F. The anisotropic scattering effect in calculations of the nuclear reactor cells by pseudosources method. Int. Conf. on Mathematies and Computations, Reactor Physics. Pittsburg, USA, v.4, p.20, 1991.