《Applied Radiation and Isotopes》：Analysis of Neutron Emissions from Pebble Nuclear Fuels
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本研究开发了一个基于SOURCES-4C和MCNP6.3的快速工具，用于计算TRISO燃料球中子发射率，考虑单个裂变材料及整体燃料球，验证了750万粒子历史的模拟精度，结果应用于在线换料决策和废物分类。
作者：Holden Walker | Braden Goddard
所属部门：弗吉尼亚联邦大学机械与核工程系，地址：401 West Main Street, Richmond, Virginia 23284
摘要
本研究开发了一种工具，用于即时建模和分析从球床反应堆（PBR）核心中取出的单个核燃料颗粒的中子发射情况。该工具利用计算机代码SOURCES-4C和MCNP6.3生成数据，将颗粒中的锕系元素质量转换为能量依赖的中子发射率。这种建模方法面临独特挑战，主要是由于燃料中TRi-structural ISOtropic（TRISO）颗粒的几何形状较小。该工具能够生成整个颗粒或颗粒内各锕系元素的中子发射谱。使用该工具对一个燃烧时间为1,304天的颗粒进行估算，结果显示其每秒释放56,799个中子。根据该工具生成的颗粒燃烧时间与中子发射率的关系图，可以借助PBR中的中子检测来评估在线换料方法的颗粒循环决策。此外，该工具还能提供颗粒中各锕系元素的中子发射数据，有助于废物管理决策（如废物分类）以及事故分析中的安全考虑。
部分内容摘录
引言
球床反应堆（PBR）是一种先进的反应堆类型，其燃料可用于多种第四代反应堆[1][2][3]。顾名思义，PBR使用球形燃料颗粒，这些颗粒自由放置在圆柱形容器中，类似于糖果机。这种独特的设计使得在线换料方法具有成本效益[4]。当颗粒逐渐移动到反应堆底部时，会逐一取出并进行分析。根据其测量得到的燃烧程度，可以……
方法概述
在开发用于估算单个颗粒中子发射率的工具时，必须对颗粒的几何形状和材料做出假设，以获取参考数据。为此，所有试验中所有锕系元素的质量被设定为恒定值。这使得用户输入的质量数据能够根据参考数据的预定义质量进行线性缩放。
单个TRISO颗粒的建模尺寸包括燃料核直径……（具体数值未提供）
使用SOURCES-4C生成中子源
代码SOURCES-4C可以模拟来自（具体反应类型未提供）反应、自发裂变和延迟中子的中子源生成率。本文主要关注前两种方法。如前所述，分析的颗粒被假设在测量前已从反应堆核心中取出几分钟。由于延迟中子前体的半衰期很短，在这种条件下不会测量到延迟中子[14]。
为简化问题……
使用MCNP6.3计算颗粒中子发射
在使用SOURCES-4C确定单个TRISO颗粒的中子生成率后，再利用MCNP6.3计算整个颗粒释放的中子总量。所有MCNP计算中使用的截面数据来自ENDF/B-VIII.0库[21]。MCNP6.3中用于颗粒的模型是基于先前研究开发的“半随机”颗粒模型（见图4[10]）。由于MCNP6.3模型的特殊性，需要为各锕系元素分别输入生成数据结果
在完成7,500,000次中子粒子历史的MCNP模拟后，数据被收集到Excel中。这种选定的粒子计数方法使得每种锕系元素的总相对误差保持在0.0001以内。在完全定义能量依赖的中子发射率后，使用Excel创建了一个动态图表生成器。该电子表格需要输入单个燃料核中所有锕系元素的质量数据。
结论
通过这一过程，开发出了一种基于高保真传统传输模拟的简单快速工具，能够根据单个TRISO颗粒中锕系元素的质量，估算其中子发射率。与其他计算方法相比，该工具的优点在于使用方便、结果生成速度快，并且适用于不同燃烧程度的TRISO颗粒。此外……
作者贡献声明
Holden Walker：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、数据整理。
Braden Goddard：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思
利益冲突声明
? 所有作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：所有作者的报告均表明，研究所需的财务支持、设备和/或材料以及差旅费用由弗吉尼亚联邦大学提供；同时，所有作者的报告还表明研究所需的财务支持和/或差旅费用由美国能源部提供。
致谢
作者感谢弗吉尼亚联邦大学工程学院提供的高性能计算资源，这些资源对本文的研究结果起到了重要作用。本研究得到了美国能源部核能大学计划（NEUP）的支持（项目编号：DE-NE0009304）。
本研究是在“技术及高等教育项目奖学金计划”（PATH Scholarship Program）的资助下完成的。
