压水堆堆芯核设计软件包TORCH V2.0的验证与确认

张 斌，李 庆，蔡 云，刘 琨，秦 雪，王诗倩，吉文浩，郭 锐，赵 晨，彭星杰

(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213)

长期以来，由于我国严重依赖进口的核电关键软件，阻碍了我国核电软件自主化进程，也阻挡了我国核电技术“走出去”的战略方针。为此，我国各研究院所、高校集中力量开发核电软件。如上海核工程研究设计院的XSEC/3D-5[1]、中国核动力研究设计院与西安交通大学联合开发的TPFAP/CMFP[2-3]、上海交通大学的GLORY[4]、中国核工业集团有限公司的TORCH V2.0软件包、中国广核集团有限公司的PINE/COCO[5]和国家电投核电技术软件中心的COSINE[6]等。

TORCH V2.0是由中国核动力研究设计院自主研发的压水堆堆芯核设计软件包，主要包含先进中子学栅格计算软件KYLIN V2.0[7]、组件堆芯接口软件PACFAC和堆芯中子学计算软件CORCA-3D[8]。TORCH V2.0软件包主要采用基于确定论两步法计算策略进行堆芯中子学计算。本文简要介绍TORCH V2.0软件包所采用的主要理论模型及程序特点，并通过各核电厂启动物理实验数据及核电厂运行数据对TORCH V2.0软件包进行验证与确认研究。

1 TORCH V2.0软件介绍

1.1 先进中子学栅格计算软件KYLIN V2.0

先进中子学栅格计算软件KYLIN V2.0的计算流程图如图1所示，该程序主要用于二维问题的中子学模拟计算分析，并为堆芯三维中子学软件提供组件均匀化少群参数。KYLIN V2.0程序可选用45群或190群多群截面库[9]进行计算；采用子群方法[10]进行共振自屏效应处理，进而求解共振核素的有效共振截面；采用特征线方法[11]进行复杂结构几何的中子输运计算，并基于广义粗网有限差分(GCMFD)加速方法[12]加速中子输运计算；采用基于改进的预估-校正方法(PPC)[13]进行燃耗计算，采用切比雪夫方法[14]求解点燃耗方程；同时，为方便用户使用，程序还包含复杂结构几何的组件图形化建模工具和后处理显示工具。

KYLIN V2.0软件主要具有如下特点：1) 能准确描述多种不同几何结构(包括棒束型、板型)栅格或组件的几何形状、网格划分、材料分布等，并为用户提供较清晰、便捷的输入处理方式；2) 能准确读取栅格(组件)计算所必需的输入参数，包括多群常数库、各区域温度、重要核素共振有效温度等；3) 能进行复杂几何共振问题的准确处理，同时还可考虑燃料芯体温度、多共振核素干涉作用等因素的影响；4) 能采用较精细的能群结构求解多种类型栅格(组件)的精细能谱和均匀化截面参数；5) 能处理铀系、钚系等重核燃耗链以及精细的裂变产物链，并进行重要可燃毒物(如硼、钆等)的详细空间燃耗计算；6) 能进行一步法二维非均匀多组件计算以及续算和变工况等再启动计算；7) 能输出主要的计算结果，如无限增殖因数、相对功率分布、重要核素核子密度等。

1.2 组件堆芯接口软件PACFAC

PACFAC软件主要对由KYLIN V2.0生成的均匀化少群参数进行参数化，为堆芯计算程序提供可由堆芯状态确定计算参数的少群常数库[15-16]。PACFAC软件主要包含少群常数参数化计算模型和截面参数反算模型，前者主要是少群截面、形状因子等参数在进行插值关系建立时各多项式参数的计算模型，后者主要是少群常数在堆芯中的计算模型。截面参数反算模型与插值关系中的多项式参数密切相关。

PACFAC软件的截面参数化公式如下：

Σpis(DM,…)+ΔΣrod(DM,…)

(1)

其中：Σactual为堆芯实际截面；Ni为核素i的核子密度；DM、Bu、FT分别为慢化剂密度、燃耗深度和燃料有效温度；σ为微观截面；Σpis为伪核素对宏观截面的贡献分量，是由堆芯燃耗链的核素种类少于组件计算燃耗链中的核素数量引入的截面分项；ΔΣrod为控制棒的存在对截面的贡献分量。

1.3 三维堆芯计算软件CORCA-3D

三维堆芯计算软件CORCA-3D的主要计算流程图如图2所示，主要用于三维稳态堆芯的中子学计算，是堆芯燃料管理的核心计算软件之一。CORCA-3D软件的主要功能是基于组件均匀化少群截面进行堆芯少群扩散计算[17]和重要锕系核素、裂变产物及可燃毒物的燃耗计算[13]。CORCA-3D软件采用单通道模型[18]考虑热工水力反馈效应，具备功率重构[19]功能，能计算碘和氙的平衡浓度。作为压水堆堆芯核设计软件，CORCA-3D软件具备读取多个堆芯数据库进行换料堆芯建模计算的功能，同时具备反应性系数计算、变参数计算、硼浓度/控制棒棒位临界搜索、控制棒微分/积分价值计算等核设计全部功能。

图2 CORCA-3D软件主要计算流程图Fig.2 Main calculation flow chart of CORCA-3D code

CORCA-3D软件主要具有如下特点：1) 能根据组件的当前信息和历史信息(包括燃耗深度、硼浓度、燃料有效温度、慢化剂密度、氙浓度、控制棒状态等)，从组件堆芯接口软件PACFAC提供的均匀化少群常数库计算堆芯各节块的少群截面参数；2) 能快速、精确地求解堆芯少群(两群、四群)扩散方程；3) 能进行矩形组件几何功率重构计算，得到栅元尺度的精细功率分布；4) 能求解堆芯单通道热工-水力方程，计算堆内冷却剂的焓场分布；5) 能精确求解堆芯重要核素的燃耗方程，模拟重要核素(如锕系核素、可燃毒物)在堆内的积累、消耗过程；6) 能计算氙的平衡浓度；7) 能搜索硼浓度或控制棒组棒位使堆芯keff达到目标值；8) 可在任意燃耗时刻改变硼浓度、相对功率、控制棒棒位等参数进行计算。

2 数值验证

本文采用包括大亚湾、岭澳、方家山、秦山、海南昌江、福清等核电厂部分循环启动物理试验数据及核电厂运行数据对TORCH V2.0软件包进行验证与确认研究，实测数据的具体来源列于表1。

表1 实测数据具体来源Table 1 Source of measured data

2.1 启动物理试验

利用TORCH V2.0软件包对启动物理试验中涉及的临界硼浓度、控制棒积分价值、硼微分价值及等温温度系数进行了验证与确认，结果如图3所示。启动物理试验中控制棒全提状态(ARO)及插棒状态的临界硼浓度绝对误差分别在±50 ppm和插棒状态准则范围内；控制棒积分价值相对误差在±10%以内；硼微分价值绝对误差在1.0 pcm/ppm以内；等温温度系数绝对误差在±3.6 pcm/℃以内。以上结果表明，TORCH V2.0软件包对各核电厂各循环启动物理试验数据的计算精度较高，符合验收准则。

2.2 核电厂运行数据

利用TORCH V2.0软件包对核电厂运行涉及的临界硼浓度、组件径向功率、热点因子及焓升因子进行了验证与确认，结果如图4所示。临界硼浓度绝对误差除极少数点外，均在±50 ppm以内；组件径向功率大于0.9的相对误差在±5%以内，小于0.9的相对误差在8%以内；热点因子相对误差在±8%以内；焓升因子相对误差在±5%以内。以上结果表明，TORCH V2.0软件包对各核电厂各循环运行数据的计算精度较高，符合验收准则。

图3 启动物理试验各对比参数的结果Fig.3 Results of compared parameters of reactor startup physics test

图4 核电厂运行参数的对比结果Fig.4 Comparison result of nuclear power plant operation parameters

3 结论

本文对压水堆堆芯核设计软件包TORCH V2.0的主要组成软件和各软件所采用的主要理论模型及程序特点进行了简要介绍，采用大亚湾、岭澳、方家山、秦山、海南昌江、福清等核电厂启动物理实验数据及运行数据对TORCH V2.0软件包进行了验证与确认研究，得到如下主要结论：针对主流的方形栅格压水堆核电厂，TORCH V2.0软件包具有可靠的压水堆堆芯计算能力；对于启动物理试验和核电厂运行过程中的主要参数，TORCH V2.0软件包具有较高计算精度，符合堆芯核设计验收准则。

核设计软件完整的验证与确认研究需要给出程序明确的不确定度，后续将围绕直接测量参数和非直接测量参数重点开展相关研究。