Monte Carto Program LoongSTARS MCX in Fast Reactor Shielding Problem Calculations
Fast neutron reactor is a key link in the three-step strategy of nuclear power development in our country, and the calculation of shielding problem of fast reactor is an important work for the design and development of a fast reactor, using the Monte Carto-deterministic method coupled particle transport calculation software LoongSTARS MCX in the LONGCODE system for liquid metal cooled fast reactor design analysis developed by our country, we simulated the selected SINBND benchmark experiment, verify the computing power of LoongSTARS MCX program on fast reactor shielding problem. The whole validation was carried out in two ways. First, the functionality and accuracy of the LoongSTARS MCX program were verified by comparing the results with those of the MCNP program. Secondly, compared with the Sinbad experimental results, the validity and accuracy of the LoongSTARS MCX program are verified. The results show that the results of LoongSTARS MCX are in good agreement with those of MCNP, the relative deviation is less than ±20%, and the deviation is in a reasonable and reliable range, the LoongSTARS MCX program can be used to study the shielding problem of fast reactor with good calculation accuracy and precision.
Monte Carto
快堆作为第四代核电技术的重要组成部分,是未来核电进一步发展的方向之一,也是我国核能发展三步走战略
快堆技术的高质量发展与突破离不开反应堆数值计算软件的研发与应用。目前主要应用于反应堆模拟计算的方法有确定论方法和蒙特卡罗方法,确定论法是直接采用数值方法来解析粒子输运方程
国内外多家研究机构都相继开展了基于蒙特卡罗方法的软件研发工作。国际上有美国LosAlamos国家实验室研发的MCNP
快堆屏蔽计算是快堆设计、安全分析以及辐射防护中一项非常重要的工作,但是基于快堆进行全堆试验从而获得满足实际测量需求具有很强的局限性,因此通常采用计算机模拟计算的方式来获得较为满意的测量需求。本文基于我国自主研发的液态金属冷却快堆设计分析龙码系统中蒙卡源项屏蔽分析软件LoongSTARS MCX,选取了三例OECD国际基准例题TUD SiC、FNG BLKT以及Winfrith Water,使用LoongSTARS MCX进行模拟计算,将计算结果与MCNP计算结果以及实验测量值进行对比分析,以验证LoongSTARS MCX对于快堆屏蔽问题的计算能力,为龙码软件系统应用于快堆屏蔽计算提供验证支持。
LoongSTARS MCX是西安交通大学自主研发的蒙特卡罗粒子输运模拟软件,该软件目前具备中子–光子耦合输运计算、输运–燃耗耦合计算、光子点核积分计算、几何建模可视化、计算结果可视化、生成NECP-Hydra输入、大规模并行等功能。对于屏蔽深穿透问题,可以采用蒙特卡罗–确定论耦合方法,提高计算效率。软件可应用于裂变堆堆芯临界计算,各类辐射屏蔽计算及聚变堆包层屏蔽和增殖计算。与MCNP等蒙特卡罗粒子输运程序类似,LoongSTARS MCX软件具有输入编写方式简单,功能更为全面等优点,同时LoongSTARS MCX支持支持多种输入方式,其中包括:1) 直接在XML格式的输入卡片中定义求解问题的几何、材料等信息,作为LoongSTARS MCX的输入;2) 在XML格式的输入卡片中,指定已有的MCNP输入卡片的路径和名称,LoongSTARS MCX可直接读取已有的MCNP输入卡片中的几何、材料等信息,进行问题的求解;3) 将CAD模型导入SALOME可视化建模平台,基于该平台可自动生成MCNP输入卡片,之后通过方式2即可实现可视化三维模型的自动建模;4) 用户可通过网页客户端设置求解问题的参数,并可以在远程后台上自动生成方式1的XML格式的输入卡片,可以方便用户多选择使用。
SINBAD屏蔽基准题库
TUD基准实验
该基准实验为了验证ITER屏蔽系统设计的正确性,模拟了ITER内部屏蔽结构并进行了一系列的中子学实验
基准实验示意结构如
8个)中子源等距对称分布在测量管周围,实验中子源由252Cf瞬发裂变源提供。实验测量了32S (n, p)32P探测器的反应率,测量位置位于铝管源平面以及在源平面上下15 cm和30 cm处,硫探测器直径和高均为28 mm,实验同时需要使用NE213液体闪烁体探测器测量1 MeV以上快中子能谱,测量位于源平面,中子源与闪烁体探测器距离分别为10.16、15.24、20.32、25.40、30.48、35.56 cm。
图4. TUD SiC基准题实验与计算中子能谱
深度 Depth/cm |
实验值 Experiment |
MCNP |
C/E |
LoongSTARS MCX |
C/E |
3.43 |
8.47E−05 |
8.70E−05 |
1.03 |
8.74E−05 |
1.03 |
10.32 |
1.41E−05 |
1.44E−05 |
1.02 |
1.42E−05 |
1.01 |
17.15 |
3.51E−06 |
3.52E−06 |
1.00 |
3.44E−06 |
0.98 |
23.95 |
1.03E−06 |
1.02E−06 |
0.99 |
9.96E−07 |
0.97 |
30.80 |
3.31E−07 |
3.17E−07 |
0.96 |
3.14E−07 |
0.95 |
41.85 |
6.61E−08 |
6.37E−08 |
0.96 |
6.54E−08 |
0.99 |
46.85 |
2.80E−08 |
2.67E−08 |
0.95 |
2.71E−08 |
0.97 |
53.80 |
1.00E−08 |
9.06E−09 |
0.91 |
8.54E−09 |
0.85 |
60.55 |
3.67E−09 |
3.26E−09 |
0.89 |
3.26E−09 |
0.89 |
67.40 |
1.30E−09 |
1.17E−09 |
0.90 |
1.55E−09 |
1.19 |
74.40 |
4.50E−10 |
4.17E−10 |
0.93 |
4.11E−10 |
0.91 |
深度 Depth/cm |
实验值 Experiment |
MCNP |
C/E |
LoongSTARS MCX |
C/E |
3.43 |
8.50E−05 |
8.88E−05 |
1.04 |
8.86E−05 |
1.04 |
10.32 |
1.47E−05 |
1.46E−05 |
0.99 |
1.45E−05 |
0.99 |
17.15 |
3.60E−06 |
3.58E−06 |
0.99 |
3.53E−06 |
0.98 |
23.95 |
1.07E−06 |
1.04E−06 |
0.97 |
1.04E−06 |
0.97 |
30.80 |
3.44E−07 |
3.26E−07 |
0.95 |
3.18E−07 |
0.92 |
41.85 |
7.06E−08 |
6.76E−08 |
0.96 |
6.60E−08 |
0.93 |
46.85 |
2.94E−08 |
2.83E−08 |
0.96 |
2.72E−08 |
0.93 |
53.80 |
1.09E−08 |
1.01E−08 |
0.93 |
9.22E−09 |
0.85 |
60.55 |
3.71E−09 |
3.49E−09 |
0.94 |
3.43E−09 |
0.92 |
67.40 |
4.72E−10 |
5.07E−10 |
1.07 |
4.75E−10 |
1.01 |
74.40 |
8.50E−05 |
8.88E−05 |
1.04 |
8.86E−05 |
1.04 |
深度 Depth/cm |
实验值 Experiment |
MCNP |
C/E |
LoongSTARS MCX |
C/E |
3.43 |
3.33E−04 |
3.68E−04 |
1.11 |
3.58E−04 |
1.08 |
10.32 |
5.48E−05 |
5.80E−05 |
1.06 |
5.60E−05 |
1.02 |
17.15 |
1.34E−05 |
1.37E−05 |
1.02 |
1.32E−05 |
0.99 |
23.95 |
3.80E−06 |
3.84E−06 |
1.01 |
3.79E−06 |
1.00 |
30.80 |
1.21E−06 |
1.17E−06 |
0.97 |
1.14E−06 |
0.94 |
41.85 |
2.69E−07 |
2.25E−07 |
0.84 |
2.28E−07 |
0.85 |
46.85 |
1.04E−07 |
9.45E−08 |
0.91 |
9.35E−08 |
0.90 |
53.80 |
3.64E−08 |
3.17E−08 |
0.87 |
3.15E−08 |
0.87 |
60.55 |
1.21E−08 |
1.13E−08 |
0.93 |
1.15E−08 |
0.95 |
67.40 |
4.51E−09 |
3.95E−09 |
0.88 |
4.13E−09 |
0.92 |
74.40 |
1.44E−09 |
1.42E−09 |
0.99 |
1.61E−09 |
1.12 |
81.10 |
5.10E−10 |
5.06E−10 |
0.99 |
5.25E−10 |
1.03 |
87.75 |
2.27E−10 |
1.90E−10 |
0.84 |
2.46E−10 |
1.08 |
92.15 |
1.44E−10 |
8.81E−11 |
0.61 |
1.04E−10 |
0.72 |
深度 Depth/cm |
实验值 Experiment |
MCNP |
C/E |
LoongSTARS MCX |
C/E |
3.43 |
2.15E−04 |
1.91E−04 |
0.89 |
1.91E−04 |
0.89 |
10.32 |
5.97E−05 |
5.25E−05 |
0.88 |
5.24E−05 |
0.88 |
17.15 |
1.89E−05 |
1.66E−05 |
0.88 |
1.65E−05 |
0.87 |
23.95 |
6.59E−06 |
5.56E−06 |
0.84 |
5.55E−06 |
0.84 |
30.80 |
2.30E−06 |
1.90E−06 |
0.83 |
1.86E−06 |
0.81 |
41.85 |
6.06E−07 |
4.02E−07 |
0.66 |
3.96E−07 |
0.65 |
46.85 |
2.30E−07 |
1.99E−07 |
0.87 |
1.91E−07 |
0.83 |
53.80 |
8.87E−08 |
6.88E−08 |
0.78 |
6.66E−08 |
0.75 |
60.55 |
3.34E−08 |
2.50E−08 |
0.75 |
2.36E−08 |
0.71 |
67.40 |
1.61E−08 |
9.35E−09 |
0.58 |
8.76E−09 |
0.54 |
74.40 |
7.00E−09 |
3.49E−09 |
0.50 |
3.28E−09 |
0.47 |
81.10 |
2.51E−09 |
1.40E−09 |
0.56 |
1.23E−09 |
0.49 |
深度 Depth/cm |
实验值 Experiment |
MCNP |
C/E |
LoongSTARS MCX |
C/E |
3.43 |
2.87E−05 |
2.90E−05 |
1.01 |
2.89E−05 |
1.01 |
10.32 |
4.15E−06 |
4.26E−06 |
1.03 |
4.22E−06 |
1.02 |
17.15 |
9.73E−07 |
9.57E−07 |
0.98 |
9.44E−07 |
0.97 |
23.95 |
2.57E−06 |
2.58E−06 |
1.00 |
2.55E−06 |
0.99 |
30.80 |
8.18E−06 |
7.63E−06 |
0.93 |
7.37E−06 |
0.90 |
8.8 MeV的能量范围内,计算值与实验值符合较好,在其余区间由参考文献
图5. Winfrith Water基准题实验与计算中子能谱
图6. Winfrith Water基准题32S (n, p)32P实验与计算反应率
本文使用LoongSTARS MCX程序对TUD SiC、FNG BLKT以及Winfrith Water三例具备快中子屏蔽问题特点的基准题进行了模拟计算,将计算结果与参考程序MCNP计算结果进行了对比,TUD SiC基准题四处位置中子能谱相对偏差普遍在±10%以内,最大偏差绝对值不超过18%;FNG BLKT基准题五种类型探测器反应率计算结果与MCNP计算结果平均相对偏差绝对值在3%以内,最大偏差绝对值为13.4%;对于Winfrith Water基准题,6种源分布方式中子能谱计算结果与MCNP结果相比,相对偏差在±20%以内,硫探测器计算结果平均相对偏差绝对值为6.5%,最大偏差绝对值为16.4%。以上程序结果对比相对偏差均满足在±20%允许范围以内,初步验证了LoongSTARS MCX程序可以用于快堆屏蔽问题计算,计算精度与主流、成熟的蒙卡程序MCNP相当。
将LoongSTARS MCX计算结果与实验结果进行比较,确实存在一定的偏差。但经过与参考文献给出的计算结果以及基准题报告给出的测试结果对比,LoongSTARS MCX计算结果在合理、可靠的范围内。结果表明,在多个实验模型中,LoongSTARS MCX程序的计算结果是可靠的,能够满足快堆屏蔽问题中计算有效性与准度的要求。
本研究得到了国家重点研发项目(2022YFB1902700)、国家教育部装备预研联合基金(8091B042203)、国家自然科学基金(11875129)、国家强脉冲辐射模拟与效应重点实验室基金(SKLIPR1810)、辐射应用创新中心基金(KFZC2020020402)、北京大学核物理与技术国家重点实验室基金(NPT2023KFY06)、中国铀业有限责任公司与华东理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金(2022NRE-LH-02)、中央高校基础研究基金(2023JG001)等支持。
*通讯作者。