三维蒙特卡罗—离散纵标能量耦合中子输运计算方法研究

发布时间：2020-08-08 08:56

【摘要】：中子输运模拟方法主要包括蒙特卡罗(蒙卡)方法和确定论方法。蒙卡方法通常使用连续能量点截面数据,计算精度高,但计算成本大。确定论方法对玻尔兹曼方程进行分群处理,计算效率高,但由于引入了近似,计算精度低。随着核能技术的发展,对精确高效的输运模拟方法的需求越来越强。本文结合蒙卡与确定论方法的特点,发展了三维蒙特卡罗-离散纵标能量耦合方法,对中子输运模拟过程进行分解,在多群处理精度较高的快区与热区,使用确定论方法进行计算;在多群共振处理过程繁琐、精度低下的共振区,使用蒙卡方法进行精确模拟。考虑到对三维几何问题的处理能力和计算效率,确定论方法采用离散纵标方法。本文对方法中的能区划分、上散射源处理、共振区蒙卡源抽样等关键问题进行了深入研究。本文主要工作与创新之处包括:(1)发展了基于能量过渡区的蒙特卡罗-离散纵标能量耦合方法。对于热区向共振区的上散射源,采用外迭代方法处理时需对共振区进行迭代计算,计算效率低下。本文提出了基于能量过渡区的上散射源处理,并发展了基于过渡区的能量耦合方法,定义中子发生上散射反应进入共振区的能量区间为能量过渡区,并使用蒙卡方法对该区域进行计算,避免对上散射源进行外迭代,实现了高效的源传递和能量耦合计算。(2)提出了基于源粒子分配的蒙卡网格源抽样方法。能量耦合方法的共振区蒙卡计算中,需定义全空间网格源,为避免源概率差异较大时可能存在的抽样源粒子空间覆盖率低的问题,需模拟大量粒子,计算效率低。本文提出了基于源粒子分配的网格源抽样方法,根据各个网格源的概率对源粒子进行直接分配和权重调整,能够使用较少的粒子数得到可靠的源粒子分布,实现高效精准计算。为了验证本文发展的能量耦合方法,在对关键参数进行分析的基础上,采用ITER下窗口生物屏蔽插件分析例题和IAEA-ADS基准例题等例题对方法进行了测试验证。计算结果与参考结果吻合较好,且相对于传统的离散纵标方法计算精度更高,相对于传统的蒙卡方法计算效率更高。对于综合例题上的固定源和临界计算,耦合计算精度可达离散纵标方法的3.94和2.08倍,计算效率可达蒙卡计算的26.59和7.94倍。测试验证结果证明了本方法的正确性和高效性,可为先进的反应堆物理设计与分析提供技术支持。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL329.2
【图文】：

截面计算,反应堆物理,占比,过程

中存在上百种核素时，８０％－８５％的时间将用于查找能量网格［１９１。清华大学工程物逡逑理系对ＭＣＮＰ５模拟中子输运过程中的各个过程的时间占比进行了分析『１６］，如逡逑图１．１所示。在对压水堆的计算中，当核素数量为３时，截面计算过程占总ＣＰＵ逡逑时间的４１％，核素数量为５６时，截面计算过程占总时间的６５％。在对沸水堆的逡逑计算中，由于其几何较复杂，程序在几何追踪上花费的时间较多，截面计算过程逡逑的时间占比有所降低，当核素数量为５时，占比为３０％，当核素数量为３９时，逡逑占比为５２％。Ｔａｋａｍａｓａ邋ＭＯＲＩ曾估计，由于蒙卡方法中的截面计算过程，其将逡逑比多群方法多消耗３０％－８０％的时间＠１。在实际计算中，使用蒙卡方法对从快中逡逑子到慢中子的整个能谱进行模拟时，截面计算过程是其耗时的主要原因之一。逡逑＿＿邋ｃ丨ｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ逦ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ邋ｔｒａｃｋｉｎｇ逡逑■Ｈ｜ｃｏＵ？ｉｏｒ逦ＩＨＢｔｈｅ邋ｒ？ｍａｍｍｇ逡逑ＰＷＲ邋ｗｉｔ邋ｔｒｌｌ邋（ＨｍＵｄｒｓ：邋５ｉ）逦ＰＶＭｔ邋ｖｎｉｔ邋（ｕａｒｌｋｌｒ．５：））逡逑？ｎ邋ｍ逡逑ＢＶＶＫ邋ｉｔ？ｓｅｎｂｌ｝＇邋ｎｉｎｃＵｄｅｓ；邋３９）逦ＨＵＨ邋ａａｅＭｂｉ％＇邋（ｍｒｌｉｄｒｓ：邋５）逡逑ｍ．逡逑？馨逡逑３０Ｈ逡逑图１．１蒙卡截面计算过程时间占比Ｍ逡逑确定论方法是反应堆物理分析中发展较为成熟的方法，因其计算和收效速逡逑度快

微元,中子,中子输运方程,中子数

图２．１中子守恒微元图逡逑

示意图,求积,球面,全对称

逦第２章中子输运理论及计算方法逦逡逑根据式（２．１６），中子通量密度０（ｒ，Ｅ）可表不为：逡逑Ｍ逡逑＝邋ｆ邋（ｐ（ｒ，Ｅ，ｎ）ｄｎ．邋＝邋＾邋（0ｍ（ｆ＞（ｒ，Ｅ，Ａｎｍ）逦（２．１７）逡逑ａ逦ｍ＝ｌ逡逑角度上的离散方式称为求积组。逡逑离散纵标方法分三步求解输运方程［６６】：逡逑１）选择合理精确的求积组｛ｗｍ，／２ｍ｝。求积组的选择影响角度变量的离散方逡逑式，进而影响离散纵标方法的计算精度和计算时间［６６］。对于多维几何问题，求积逡逑组可以大致分为全对称求积组和不全对称求积组［６６］。图２．３为１／８球面中全对称逡逑求积组示意图，分别为Ｍ邋＝邋２、４、６、８，其中Ｍ代表角度方向在一个纵标上离散逡逑方向的数目。逡逑

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