розрахунковий бенчмарк для твз ввер 1000 з використанням программного 19.10.2017

1. Використання програмного продукту
Serpent для визначення характеристик
ТВЗ ВВЕР-1000
Д.О. Шеляговський1,2, В.В. Гальченко1, , І.І. Шлапак1, В.І. Гулік1,2 Д.В. Будік1
1 – НВО «Імпульс», Київ, Україна;
2 – Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, Київ, Україна
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

2. Програмний продукт Serpent
• Почав розроблятись з 2004 року у VTT Technical Research Centre (Finland);
• Serpent активно використовується для дослідження як реакторів на
«швидких» так і на «теплових» нейтронах;
• Використовує безперервну за енергію бібліотеку нейтроно-фізичних констант;
• Скорочення часу розрахунку (у порівнянні з іншими Монте-Карло кодами) за
рахунок використання метода Woodcock delta-tracking method для
моделювання переносу нейтронів.
Досліджувалось:
Можливість застосування коду Serpent для розрахунку характеристик
тепловиділяючих збірок (ТВЗ) реактора ВВЕР-1000.
2
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

3. В роботі A VVER-1000 LEU and MOX Assembly Computational Benchmark
(2002) приведено розрахунки для ТВЗ ВВЕР-1000 з використанням добре
верифікованих для палива ВВЕР програмних продуктів: TVS-M, MCU,
WIMS8A, HELIOS 1.4, MCNP4B, MULTICELL.
Мета роботи:
Повторити представлені в звіті A VVER-1000 LEU and MOX Assembly
Computational Benchmark (2002) розрахунки, з використанням програмного
продукту Serpent з метою його верифікації для відповідних розрахунків
палива ВВЕР
3
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

4. Конфігурація розрахункової U-Gd ТВЗ
1 – Центральна трубка;
2 – ТВЕЛ збагаченням 3.7 % по
U-235;
3 – Направляючі канали;
4 – ТВЕГ (UO2 із збагаченням
3.6 % по U-235 + 4.0 % Gd2O3).
ТВЗ складається з 300 ТВЕЛів,
12 ТВЕГів, 18 направляючих
каналів і однієї центральної
трубки.
4
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

5. Конфігурація елементарної паливної чарунки
= 0.386 см
= 0.4582 см
5
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

6. Розрахункові стани
Стан Опис
Температура
палива, K
Температура
інших матеріалів, K
Xe-135, Sm-149
S1
Робота на потужності,
отруєний стан
1027 575 Eq.*
S2
Робота на потужності,
розотруєний стан
1027 575 0.0
S3 Гарячие зупинення 575 575 0.0
S4 Гаряче зупинення без бору 575 575 0.0
S5 Холодний стан 300 300 0.0
* - Eq. Рівноважний стан концентрацій Xe-135 і Sm-149.
6
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

7. Розрахункова схема ТВЗ ВВЕР-1000 для
програмного продукту Serpent
1 – Центральна трубка;
2 – ТВЕЛ збагаченням 3.7 % по U-235;
3 – Направляючі канали;
4 – ТВЕГ (UO2 із збагаченням 3.6 % по
U-235 + 4.0 % Gd2O3).
Використовувались бібліотеки на
основі файлу оцінених ядерних даних
ENDF/B-VI.8
7
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

8. Результати розрахунку Кinf для стану S1
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
Відхилення Serpent від середнього, % -1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
Відхилення Serpent від TVS-M, %
Відхилення Serpent від HELIOS, %
±0.5%
8
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

9. Результати розрахунку Кinf для станів S2-S5
9
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40
%
MWd/kg(U)
s3
Serpent VS Helios
Serpent VS TVS-M
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0 20 40
%
MWd/kg(U)
s4
Serpent VS Helios
Serpent VS TVS-M
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 20 40
%
MWd/kg(U)
s5
Serpent VS Helios
Serpent VS TVS-M
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 20 40
%
MWd/kg(U)
s2
Serpent VS Helios
Serpent VS TVS-M
Порівняння отриманих Кinf із кодами HELIOS та TVS-M для станів 2-5
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

10. Розрахунок ізотопного складу
Відносне відхилення від середнього значення, %. Вигоряння = 40 МВт·доба/кг(U)
235U 236U 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu 135Xe 149Sm
MCU -1.46 0.62 0.34 1.11 -0.63 6.75 -0.46 -6.93
TVS-M -1.06 -0.22 0.90 5.20 -3.89 4.07 -3.39 -7.95
WIMS8A 3.47 -2.46 4.97 0.06 6.07 0.02 2.93 5.99
HELIOS 0.03 2.77 -3.82 -7.30 1.18 -2.73 0.58 3.85
MULTICELL -0.97 -0.75 -2.37 0.83 -2.72 -8.09 0.42 5.04
R.M.S. % 2.02 2.20 3.26 4.08 4.65 5.22 3.33 6.79
SERPENT 2.04 3.07 2.71 -1.01 6.83 -1.07 5.88 6.56
Відносне відхилення =
𝑋 𝑖− 𝑋
𝑋
∗ 100% R.M.S. =
1
𝑋
∗ 𝑖=1
𝑁 𝑋𝑖− 𝑋 2
𝑁−1
∗ 100%
R.M.S. (відносний середній квадрат відхилення)Відносне відхилення від середнього значення:
10
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

11. Розрахунок ізотопів 235U та 236U
11
0.00E+00
5.00E-05
1.00E-04
1.50E-04
2.00E-04
2.50E-04
3.00E-04
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
235U
SERPENT
Mean
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
% MWd/kg(U)
236USerpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
0.00E+00
5.00E-06
1.00E-05
1.50E-05
2.00E-05
2.50E-05
3.00E-05
3.50E-05
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
236U
SERPENT
Mean
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
235U
Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
Порівняння отриманої концентрації із середньою
(по 5 іншим програмним кодам)
Розбіжність концентрацій із HELIOS та TVS-M
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

12. Розрахунок ізотопів 239Pu та 240Pu
12
0.00E+00
5.00E-06
1.00E-05
1.50E-05
2.00E-05
2.50E-05
3.00E-05
3.50E-05
4.00E-05
4.50E-05
5.00E-05
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
239PuSERPENT
Mean
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
239Pu
Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
0.00E+00
2.00E-06
4.00E-06
6.00E-06
8.00E-06
1.00E-05
1.20E-05
1.40E-05
1.60E-05
1.80E-05
2.00E-05
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
240Pu
SERPENT
Mean
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
240Pu Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
Розбіжність концентрацій із HELIOS та TVS-MПорівняння отриманої концентрації із середньою
(по 5 іншим програмним кодам)
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

13. Розрахунок ізотопів 241Pu та 242Pu
13
0.00E+00
2.00E-06
4.00E-06
6.00E-06
8.00E-06
1.00E-05
1.20E-05
1.40E-05
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
241PuSERPENT
Mean
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
241Pu Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
-5.00E-07
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
2.00E-06
2.50E-06
3.00E-06
3.50E-06
4.00E-06
4.50E-06
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
242Pu
SERPENT
Mean
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
242Pu
Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
Розбіжність концентрацій із HELIOS та TVS-MПорівняння отриманої концентрації із середньою
(по 5 іншим програмним кодам)
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

14. Розрахунок ізотопів 135Xe та 149Sm
14
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
135Xe
Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
0
5E-10
1E-09
1.5E-09
2E-09
2.5E-09
3E-09
3.5E-09
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
135Xe
SERPENT
Mean
0
5E-09
1E-08
1.5E-08
2E-08
2.5E-08
3E-08
3.5E-08
0 5 10 15 20 25 30 35 40
atoms/barn*cm
MWd/kg(U)
149Sm
SERPENT
Mean
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 40
%
MWd/kg(U)
149Sm
Serpent VS Heloios
Serpent VS TVS-M
Розбіжність концентрацій із HELIOS та TVS-MПорівняння отриманої концентрації із середньою
(по 5 іншим програмним кодам)
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

15. Потвельний розподіл енерговиділення
Нумерація ТВЕЛів у ТВЗ
для 60 градусного сектора
15
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

16. Величина потвельного енерговиділення
Стан S1 S2 S3 S4 S5
Вигояння,
МВт·доба
0 20 40 0 20 40 0 20 40 0 20 40 0 20 40
Чарунка
Код
63 19 6 35 1 6 35 64 6 35 58 6 35 1 6
MCU 1.005 0.965 0.959 0.318 1.048 0.963 0.320 1.062 0.958 0.308 0.953 0.957 0.218 1.084 0.943
TVS-M 0.993 0.983 0.987 0.319 1.032 0.989 0.318 1.037 0.989 0.308 0.972 0.987 0.217 1.070 0.971
WIMS8A 0.998 0.987 0.990 0.336 1.028 0.992 0.333 1.032 0.992 0.323 0.978 0.991 0.229 1.050 0.985
HELIOS 0.981 0.975 0.979 0.329 1.047 0.981 0.327 1.038 0.981 0.317 0.966 0.979 0.222 1.078 0.967
MULTICELL 0.957 0.979 0.985 0.317 1.045 0.986 0.316 1.037 0.986 0.306 0.967 0.984 0.215 1.056 0.986
Serpent 1.010 1.000 0.981 0.377 1.015 0.962 0.381 1.041 0.962 0.362 0.979 0.963 0.262 1.044 0.963
16
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

17. Висновки:
Проведений комплекс розрахунків для ТВЗ для реактора ВВЕР-1000,
за допомогою коду Serpent, дозволяє говорити про коректність
розробленої розрахункової схеми для цілей аналізу критичності систем з
паливом ВВЕР-1000.
Serpent може використовуватись для:
1) Аналізу характеристик систем з ядерним паливом;
2) Розрахунків вигоряння;
3) Підготовки гомогенізованих макроскопічних характеристик;
4) Моделювання характеристик паливного завантаження.
17
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

18. В подальшому Serpent планується використовувати в якості
інструменту верифікації для детерміністичних кодів, що розраховують всю
активну зону реактора ВВЕР-1000 (наприклад, ВОЯЖ/KRUIZ та HELIOS).
Розрахунки проводились з використанням Serpent 1.1.7 та Serpent
2.1.28. Версія 2.1.28 має опцію, яка дозволяє підкоригувати мікроскопічні
перерізи на необхідні значення температури як для палива так і для інших
матеріалів, що дозволило отримати більш точні значення температурних
коефіцієнтів реактивності. Також версія Serpent 2.1.28 дозволяє отримати
дещо точніші значення концентрації ізотопів 135Xe та 149Sm.
18
Висновки:
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)

19. Дякую за увагу!
ХІΙІ International Scientific and Technical Conference of Young Scientists and Specialists “Problems of Modern Nuclear Power Engineering” (Kharkiv, Ukraine)
More information: Dmytro Sheliahovskiy shelagovskii@gmail.com