冀锐敏，严 睿，康旭忠，杨 璞，于世和，邹 杨

(中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800)

中国科学院于2011年启动了战略性先导专项“未来先进核能系统——钍基熔盐堆(TMSR)核能系统”[1]，目标包括建造1座固态燃料钍基熔盐堆(TMSR-SF1)。TMSR-SF1是热功率为10 MW的氟盐冷却高温堆(FHR)，是21世纪初美国新提出的第4代先进反应堆，结合了高温气冷堆和熔盐堆的优点[2]。TMSR-SF1采用直径6 cm的球形燃料和2LiF-BeF2冷却剂。由于密度小于熔盐，燃料球从堆芯底部投入，靠浮力上升后逐步构筑堆芯。已开展的相关堆积实验[3-6]表明，TMSR-SF1堆积密度低于HTR-10，且不确定性较大。

TMSR-SF1堆芯结构是物理和热工设计的重要基础，也是其不确定性的主要来源。为解决该问题，本文采用蒙特卡罗程序(MCNP)[7]基于TMSR-SF1设计完成高保真物理分析。TMSR-SF1中子物理计算面临很大挑战：上万颗燃料球在堆芯内随机排布以及每颗燃料球的燃料区域内均有上万个包覆颗粒随机排布。蒙特卡罗程序通常采用3种方法完成球床堆[8-11]随机结构的模拟：1) 建立简立方(SC)、体心立方(BCC)等规则结构完成随机结构的近似(方法1)。HTR-10首次临界计算中曾采用了该方法，并获得了与实验较为吻合的结果[12-13]。2) 不提前精确定位，在计算中对其随机定位[14-17]，MCNP尚不具备该功能(方法2)。3) 用数值方法模拟随机结构(方法3)。通常采用离散单元法(DEM)和软球模型进行受力分析，获取各燃料球的精确位置[11,17]。此方法有3点不足：1) 计算模型导致球发生形变；2) 输入参数中有些依据经验输入，如恢复系数、摩擦系数等；3) 所需的计算资源多。……