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近地轨道质子和α粒子入射InP产生的位移损伤模拟

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物理学报 2024年第5期73卷 85-91页

作者：白雨蓉李培何欢刘方李薇贺朝会西安交通大学核科学与技术学院西安710049

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.... 详细信息

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150μm二氧化硅和2.54 mm铝层屏蔽后,在500/1000/5000μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL值越大;计算质子和α粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP中的NIEL约为质子的2-10倍,应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

关键词：磷化铟位移损伤 Geant4 非电离能量损失近地轨道

基于核电厂实测数据的NECP-Bamboo软件验证与确认

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核动力工程 2024年第2期45卷 24-34页

作者：梁毅琳李云召周原成李一松张恒瑞周世龙王伟国欧雨想王嵩哲秦浚玮邵睿智西安交通大学核科学与技术学院西安710049

验证与确认是软件生命周期中的重要环节,反映软件研发真正走向实际应用的过程,是软件从“书架”走向“货架”的重要标志。基于核电厂包括CNP300、M310、CNP650、BEAVRS和HPR1000在内的5种型号商用压水堆共计48个运行循环的实际测量数据,... 详细信息

验证与确认是软件生命周期中的重要环节,反映软件研发真正走向实际应用的过程,是软件从“书架”走向“货架”的重要标志。基于核电厂包括CNP300、M310、CNP650、BEAVRS和HPR1000在内的5种型号商用压水堆共计48个运行循环的实际测量数据,对NECP-Bamboo软件进行了验证与确认。结果表明,采用NECP-Bamboo软件计算获得的控制棒价值、温度系数、临界硼浓度和组件功率分布等堆型关键参数的计算值与实测值误差均能满足工业限值的要求。各个型号堆型相应关键参数误差的95%置信区间范围汇总如下:临界硼浓度为[-37.80,35.39]ppm,控制棒的价值为[-6.18%,3.68%],温度反应系数为[-3.27,2.99]pcm/K,组件相对功率在大于和小于0.9时分别为[-0.64%,-0.12%]和[1.18%,2.94%]。

关键词： NECP-Bamboo CNP300 M310 CNP650 BEAVRS HPR1000 验证与确认

熔盐沿螺旋十字型单棒层流混合对流传热数值研究

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核动力工程 2024年第3期45卷 76-84页

作者：姜殿强张大林陈凯龙田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院西安710049

西安交通大学提出的小型氟盐冷却高温堆(FuSTAR)概念设计采用了螺旋十字型燃料组件。为研究熔盐在螺旋十字型燃料组件的混合对流传热特性,建立了螺旋十字型单棒通道模型。采用计算流体力学(CFD)方法,以实验数据验证数值计算模型,94%壁... 详细信息

西安交通大学提出的小型氟盐冷却高温堆(FuSTAR)概念设计采用了螺旋十字型燃料组件。为研究熔盐在螺旋十字型燃料组件的混合对流传热特性,建立了螺旋十字型单棒通道模型。采用计算流体力学(CFD)方法,以实验数据验证数值计算模型,94%壁温数据点的数值计算值与实验测量值之差在±5℃的范围内,94%平均传热系数数据点的数值计算值与实验测量值相对误差范围是−15%~15%。熔盐沿螺旋十字型棒混合对流传热的结果表明,自然对流在整体混合对流传热的影响程度与入口温度、热流密度有关;Φ/Gz(Φ为自然对流无量纲数的组合变量,Gz为格雷兹数)能更合理地评估自然对流在整体对流传热中的影响程度。此外,拟合了在30≤Re≤500,6≤Pr≤26,600≤Gr≤42000(Re为雷诺数,Pr为普朗特数,Gr为格拉晓夫数)时熔盐沿螺旋十字型单棒的层流混合对流传热关系式。

关键词：氟盐冷却高温堆 FuSTAR 螺旋十字型燃料层流混合对流计算流体力学(CFD)

NECP-Atlas中协方差数据制作模块的开发与验证

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核技术 2024年第7期47卷 90-98页

作者：黄义涵祖铁军曹良志吴宏春西安交通大学核科学与技术学院西安710049

不确定度量化已经成为反应堆物理分析的普遍需求,核数据的协方差数据是开展不确定度量化的基础数据。在核数据处理程序NECP-Atlas中开发了协方差数据产生模块covar_calc,产生适用于蒙特卡罗程序的连续能量协方差数据库与确定论程序的多... 详细信息

不确定度量化已经成为反应堆物理分析的普遍需求,核数据的协方差数据是开展不确定度量化的基础数据。在核数据处理程序NECP-Atlas中开发了协方差数据产生模块covar_calc,产生适用于蒙特卡罗程序的连续能量协方差数据库与确定论程序的多群协方差数据库。covar_calc可根据不同核数据在评价核数据库中的存储格式及不同的计算方法,分别处理评价核数据库给出的所有协方差数据,包括:平均裂变中子数、截面、次级粒子角度分布、裂变谱、共振参数、中子活化截面等数据的协方差数据。通过与核数据处理程序NJOY21中协方差数据制作模块的对比验证,表明NECP-Atlas制作的多群协方差数据库的精度与NJOY21相当,最大偏差小于0.1%。在此基础上使用蒙特卡罗计算程序NECP-MCX和不确定度量化程序NECP-UNICORN分别计算得到不同基准题的灵敏度系数,并分别结合连续能量协方差数据库和多群协方差数据库,利用“三明治公式”计算得到最终的不确定度。结果表明,基于NECP-Atlas制作的多群协方差数据库计算得到的不确定度具有与NJOY21相当的精度。连续能量协方差和多群协方差制作精确,满足蒙特卡罗程序和确定论程序使用需求。

关键词：协方差数据不确定度量化评价核数据核数据处理协方差计算

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精细化子通道棒弯曲模型的验证与分析

核动力工程 2024年第1期45卷 65-71页

作者：周杉蒋理单建强郭俊良西安交通大学核科学与技术学院西安710049

为提高子通道程序在棒弯曲情况下对子通道局部参数变化的预测能力,本研究在对子通道进行精细划分的基础上,建立了精细化子通道棒弯曲模型对棒弯曲进行分析,并利用计算流体动力学(CFD)来验证精细化子通道棒弯曲模型对子通道轴流和横流的... 详细信息

为提高子通道程序在棒弯曲情况下对子通道局部参数变化的预测能力,本研究在对子通道进行精细划分的基础上,建立了精细化子通道棒弯曲模型对棒弯曲进行分析,并利用计算流体动力学(CFD)来验证精细化子通道棒弯曲模型对子通道轴流和横流的预测能力。通过CFD对模型进行验证,分析了棒弯曲段轴流和横流的变化趋势。结果表明,程序ATHAS和CFD对轴流和横流的变化趋势预测基本一致,精细化子通道棒弯曲模型可以较好地预测棒弯曲引起的轴流和横流的变化趋势。因此,精细化子通道棒弯曲模型可以预测弯曲棒对局部流场的影响,为临界热流密度的预测提供了基础。

关键词：精细化子通道棒弯曲分布式阻力模型

基于中子电报方程的均匀裸堆瞬态中子输运问题解析解研究

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核动力工程 2024年第2期45卷 42-46页

作者：王伟国李云召秦浚玮曹良志西安交通大学核科学与技术学院西安710049

斐克定律作为扩散理论的基础,其本质是在中子输运方程的P1近似方程(电报方程)的基础上进一步忽略了中子流密度关于时间的导数项,因此在瞬态过程中无法准确描述实际的中子动力学过程。本文基于单能中子电报动力学方程,针对一维无限大平... 详细信息

斐克定律作为扩散理论的基础,其本质是在中子输运方程的P1近似方程(电报方程)的基础上进一步忽略了中子流密度关于时间的导数项,因此在瞬态过程中无法准确描述实际的中子动力学过程。本文基于单能中子电报动力学方程,针对一维无限大平板裸堆中子动力学问题,利用分离变量法推导了其解析解,并与扩散中子动力学方程的解析解进行了对比分析。研究发现:在瞬态变化过程中,电报方程的解与扩散方程的解相比,空间项仍保持余弦函数的形式,但是时间项的变化则更为复杂,一是时间项的级数组合形式受到问题的几何和材料的影响,二是高阶谐波表现出随时间振荡变化的规律。该研究结果可以为后续基于中子电报方程的数值理论研究提供参照和依据。

关键词：中子动力学 P1近似电报方程扩散方程解析解

基于分子干涉函数的光子-原子相干散射截面计算方法研究

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原子能科学技术 2024年第3期58卷 573-580页

作者：徐宁祖铁军曹良志吴宏春西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

X射线衍射在物质结构分析和材料无损检测领域有着广泛的应用,其基本物理原理为光子与物质发生的相干散射。传统的相干散射截面计算方法基于独立原子形状因子近似方法,忽略了光子动量转移较小时与原子发生相互作用时的分子干涉效应,影响... 详细信息

X射线衍射在物质结构分析和材料无损检测领域有着广泛的应用,其基本物理原理为光子与物质发生的相干散射。传统的相干散射截面计算方法基于独立原子形状因子近似方法,忽略了光子动量转移较小时与原子发生相互作用时的分子干涉效应,影响相干散射截面的计算精度。因此,为了获得光子动量转移较小时精确的相干散射截面,本文在核数据处理程序NECP-Atlas中对基于分子干涉函数的光子-原子相干散射截面计算方法进行研究,利用分子动力学模拟方法计算分子干涉函数,对蒙特卡罗程序使用的ACE格式数据库中的原子形状因子进行修正,并给出了模拟得到的水分子和乙醇分子的分子干涉函数,对基于独立原子形状因子近似方法和考虑分子干涉效应计算得到的水和乙醇的散射成像结果进行了对比分析。数值结果显示:基于分子动力学模拟得到的分子干涉函数计算得到的水的散射成像结果与文献结果吻合较好;同时,当光子动量转移较小时,分子干涉效应对相干散射的次级光子角度分布有着显著影响。本文建立的光子-原子相干散射截面计算方法可显著提高光子动量转移较小时的相干散射次级光子角度分布计算精度,可为X射线衍射模拟提供数据基础。

关键词：核数据处理光子相干散射原子形状因子分子干涉效应 NECP-Atlas

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函数展开计数在CLUTCH方法中的初步应用

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原子能科学技术 2024年第3期58卷 563-572页

作者：黄金龙曹良志贺清明秦帅吴宏春西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

反复裂变几率(IFP)方法广泛应用于求解k特征值对连续能量核数据的灵敏度系数,然而IFP方法存在内存占用大的问题,因此CLUTCH方法被提出以解决该问题。但对于大规模问题,如压水堆全堆问题,基于网格的CLUTCH(CLUTCH-Mesh)方法存在权重函数... 详细信息

反复裂变几率(IFP)方法广泛应用于求解k特征值对连续能量核数据的灵敏度系数,然而IFP方法存在内存占用大的问题,因此CLUTCH方法被提出以解决该问题。但对于大规模问题,如压水堆全堆问题,基于网格的CLUTCH(CLUTCH-Mesh)方法存在权重函数不易收敛的问题。本文采用函数展开计数(FET)方法对CLUTCH方法中的权重函数进行统计(CLUTCH-FET)以解决该问题,函数展开计数选取的基函数是勒让德多项式。本文在蒙特卡罗粒子输运计算程序NECP-MCX中实现了IFP、CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET 3种方法,以IFP方法的计算结果作为参考解,对CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET方法的精度和效率进行了验证。数值结果表明:对于小规模问题,如Godiva和Flattop问题,CLUTCH-Mesh和CLUTCH-FET方法具有与IFP方法相当的精度,且计算效率较IFP方法更高;对于大规模问题,如AP1000全堆问题,CLUTCH-Mesh方法的计算精度下降,而CLUTCH-FET方法可保持较高的精度和计算效率,CLUTCH-FET方法的品质因子较IFP方法和CLUTCH-Mesh方法分别最多提高了5.2和6.0倍。

关键词：敏感性分析 CLUTCH方法权重函数函数展开计数勒让德多项式蒙特卡罗

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基于MOOSE平台液态金属冷却快堆燃料性能分析程序开发

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原子能科学技术 2024年第3期58卷 539-548页

作者：邵世豪刘宙宇许晓北宗育凡曹良志吴宏春西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

液态金属冷却快堆对于我国核能创新发展具有非常重要的战略意义,开发适用其的燃料性能分析程序对于快堆的设计与安全分析具有重要意义。本文基于多物理耦合平台MOOSE,开发了燃料性能分析程序LoongCALF,程序面向金属冷却快堆燃料元件。... 详细信息

液态金属冷却快堆对于我国核能创新发展具有非常重要的战略意义,开发适用其的燃料性能分析程序对于快堆的设计与安全分析具有重要意义。本文基于多物理耦合平台MOOSE,开发了燃料性能分析程序LoongCALF,程序面向金属冷却快堆燃料元件。程序采用有限元方法和JFNK方法,能够求解核反应堆燃料的热-力耦合方程,从而得到温度、应力、应变及裂变气体释放等物理量在空间上的分布及随时间的变化。程序采用模块化设计,适用于芯块材料为UO 2和MOX、包壳材料为1515Ti和HT-9的燃料元件。为验证程序的准确性,设计了两个燃料元件算例,并使用LoongCALF程序与中国原子能科学研究院Fiber-Oxide程序对算例进行对比计算。结果表明,LoongCALF程序能够准确模拟液态金属冷却快堆稳态工况条件下燃料元件内部的燃料行为与关键参数演化。

关键词：液态金属冷却快堆 MOOSE 有限元方法燃料性能分析

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