控制棒价值计算不确定性分析方法研究

Due to manufacturing tolerance of control rods, uncertainty in nuclear data, calculated model and methods, changes in the core state and so on, the uncertainty inevitably exists in the control rod worth evaluation process. The traditional core and control rod calculation can only give the conservative calculated value with no ability to calculate the uncertainty of the control rod worth. So it is necessary to identify and quantify the uncertainty range of the control rod worth to optimize the reactor core design by using different uncertainty analysis methods. Based on the calculation flow of control rod worth, the methodology of uncertainty propagation is adopted and a frame of uncertainty analysis for the control rod worth evaluation will be established in this project plan. The features of different analysis sections will be in-depth studied and the input uncertainties, propagated output uncertainties and assumptions for each section will be identified. At the same time, two kinds of uncertainty analysis methods, e.g., the high order perturbation method and efficient statistical sampling method will be analyzed and chosen for different sections. At last, the uncertainty of control rod worth due to the contribution of manufacturing tolerance of control rods, uncertainty in nuclear data, calculated model and methods, changes in the core state will be identified. Such uncertainty analysis system for the control rod worth evaluation is not achieved, and the uncertainty analysis frame and methods achieved in this project can be extended into other systems and application.

由于控制棒制造公差、核数据、计算方法、堆芯状态变化等导致控制棒价值计算过程中存在很多的不确定性因素。传统压水堆堆芯和控制棒计算仅能给出控制棒价值的保守模型估计值，无法给出其不确定性范围。因此，有必要采用高效计算不确定性分析方法鉴定并量化控制棒价值的不确定性，以优化核反应堆堆芯设计。针对压水堆控制棒价值计算过程，课题采用不确定性逐步传播的思路，建立控制棒价值计算不确定性分析框架，研究框架中不同环节的特点及鉴定清楚各个环节的不确定性输入、输出、假定条件和传播不确定性，研究基于高阶微扰理论和高效抽样统计理论的不确定性分析方法在各个模块的适用范围，最终量化核数据不确定性、控制棒制造公差、控制棒计算方法及计算模型、不同堆芯状态对控制棒价值计算不确定性的贡献，以最终量化控制棒价值的计算不确定性。针对控制棒价值计算开展系统性不确定性分析未见先例，发展的不确定性分析框架及方法体系将具有可扩展性。

核反应堆物理设计需要精确开展控制棒计算，以提高堆芯物理设计的准确性。然而，控制棒价值计算中由于核数据、制造参数等均存在不确定性，最终使得控制棒价值计算存在一定的不确定性。成熟压水堆中认为控制棒价值的计算不确定性约为10%，但这仅是定性结果而没有理论依据。对于新堆芯，其不确定性还是未知，为保证堆芯安全，新堆芯设计时需要有较大的安全裕度。.因此，有必要采用合理的计算不确定性分析方法，以系统量化控制棒价值计算不确定性。本课题基于不确定性传播的思路，创新地提出①高阶微扰理论耦合高效抽样②传统两次临界计算耦合高效抽样③直接方差传播方法的控制棒价值计算不确定性分析方法。同时开展了多群核截面协方差矩阵转群方法、少群宏观截面协方差矩阵制作研究，提出基于拉丁超立方体耦合奇异值分解变换的高效抽样方法并开发自主化计算不确定性与敏感性分析软件CUSA。基于上述方法，首次系统建立了控制棒价值计算不确定性分析方法体系。.以BEAVRS为研究对象，分析了不同方法对计算不确定性的影响，并系统量化了中子截面、制造参数、裂变份额对不同控制棒计算不确定性的贡献。研究结果表明：不同计算方法量化得到的控制棒价值会有不同，但均可有效传播不确定性，最终使得控制棒价值具有一致的不确定度。针对不同控制棒，由上述不确定性输入引起的控制棒价值计算不确定性范围是1.65%-12.64%。其中，中子截面贡献最大，为0.69%-9.77%；制造参数次之，为0.88%-8.02%；裂变份额贡献可忽略。控制棒价值与中子通量、中子价值密切相关，且控制棒移动时，不同堆芯的keff存在强相关性，采用高阶微扰理论耦合高效抽样方法可有效考虑该相关性，并系统分析中子通量、中子价值对控制棒价值计算不确定性的影响。.本课题首次量化了控制棒价值计算不确定性，不仅是对核反应堆计算不确定性分析的重要补充，更能提高控制棒价值计算结果的可信度，为减少反应堆设计裕度，尤其是为先进堆芯设计提供理论支撑，对核反应堆安全运行、功率调节等有重要的工程指导意义。

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