反应堆高保真蒙特卡罗粒子输运模拟加速方法研究

发布时间：2020-10-25 03:59

　　 蒙特卡罗方法能够精细描述和处理反应堆物理过程,是反应堆高保真粒子输运模拟的重要工具,但其收敛速度慢是固有的理论缺陷,成为工程实际应用中的突出障碍。反应堆高保真粒子输运模拟要求得出精细且全局收敛的计算结果,存在大尺度、深穿透、厚屏蔽以及几何、材料分布不均匀等问题,会导致全局收敛速度不均匀,达到收敛耗时极长:另一方面,裂变堆分析中还存在裂变源分布不均匀,计数器数量巨大等问题。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC,针对上述问题,进行加速方法的研究。主要内容及创新如下:1)针对反应堆高保真粒子输运模拟中全局收敛速度慢问题,发展了基于相空间粒子密度均匀性的自适应优化全局计算效率的全局权窗产生器,将粒子均匀输运到整个模型空间以加速全局收敛。在全局减方差方法的基础上,本文进一步研究了全局-局部耦合收敛加速方法:将全局权窗作为计算输入的一部分,可显著提升传统的权窗产生器的收敛加速效果。以乏燃料储存池模型进行测试,与直接模拟相比,全局计算时衡量计算收敛速度的品质因子(FOM)提升千余倍;对所选取的局部计数目标的FOM提升百余倍。2)针对裂变堆全堆芯模拟收敛速度不均匀的问题,本文发展了一种全局权窗产生器-裂变源均匀化耦合加速方法:一方面根据裂变源均匀化方法初步实现临界源粒子的均匀分布,同时应用全局权窗产生器实现对输运过程的偏倚;另一方面,裂变源均匀化方法可根据源粒子密度分布偏倚源粒子的初始权重,使其与全局权窗的参数相适应,从而进一步提高了计算效率。对Hoogenboom全堆基准例题的测试表明,与直接模拟相比,热群通量分布的计算FOM提升约30倍,快群通量分布的计算FOM提升约20倍。3)针对大规模计数问题,本文发展了一种基于计数辅助树的大规模计数方法,建立了与几何栅元一一对应的树形结构,并在节点中存储了相应栅元的计数信息,通过当前粒子所在栅元的几何信息从树中快速读出对应的计数器。对Hoogenboom例题全堆芯六百万栅元进行计数时,计数耗时仅为输运耗时的4%,与传统遍历查找计数方法比,显著提高了计算效率。为了验证本文方法对实际反应堆工程模型的适用性,采用了 ITER发布的C-Lite基准模型与压水堆基准模型BEAVRS进行了验证。与直接模拟相比,该方法使得C-Lite模型屏蔽计算FOM因子提高百余倍,BEAVRS模型通量分布计算FOM提升约10～20倍,说明了本文发展的方法在实际工程应用中具有明显的加速效果。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL329.2
【部分图文】：

１．１．１核能发展背景??能源是人类社会发展的物质基础，全球能源需求随着社会的持续发展而不断??增加，预计总消费量在２０１４年到２０３５年间将增长３４％Ｗ。另一方面，近百年来??世界能源结构对化石能源的严重依赖也带来了严重的环境问题。如何最优化能源??结构达到人类社会发展和环境保护间的平衡，是全世界所面临的共同挑战。??２０１６年４月２２日，１７０多个国家共同签署了己黎协定，制定了全球气温控制的??＂硬指标＂，即与工业化之前的气温水平相比，将气温提升控制在２摄氏度Ｗ内。??要达到这个目标需要加速发展低碳能源，大幅降低能源结构中化石能源所占比例。??国际能源署（ｉＷｅｒｎａｔｉｏｎａｌ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ａｇｅｎｃｙ，圧Ａ）发布的２摄氏度计划（２°Ｃ?Ｓｃ州ａｒｉｏ，??２ＤＳ）?Ｗ中设计了到２０５０年的电力供应演化（如图１．１所示），其中核能的电力??供应在２０５０年将提升到７０００?ＴＷｈ，占全球总供电的１７％。由于２ＤＳ计划中所??涉及的部分技术的可行性与推广性还缺乏实证，在世界核能协会（ＷｏｒｌｄＮｕｃｌｅａｒ??Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，?ＷＮＡ）所发布的《Ｗｏｒｌｄ?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?Ｒｅｐｏｒｔ?２０１６》报告口］??中估计到２０５０年核能将提供全球２５％的电力供应。??????—?－—???—?－?

蒙特卡罗方法能够得到更精确的输运计算结果，但其主要缺陷之一在于计算??耗时极长。这一方面体现在对厚屏蔽、深穿透问题的蒙卡模拟。比如对于一个通??量衰减达到十个数量级的源－点探测器问题，假设每个粒子模拟耗时为１毫秒，??则需要长达１０００天的计算才会有１０个左右的粒子达到探测器。而在反应堆的设??计中为了保证人员和设备的福射安全，需要设置很厚的屏蔽层，这为蒙卡输运模??拟带来了困难，在聚变堆的屏蔽分析中显得尤为突出。ＩＴＥＲ?（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ??Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?Ｒｅａｃｔｏｒ）国际热核聚变实验堆的屏蔽分析为例［５］，??一方面其计算模型的空间尺寸巨大，高度和直径约为３０ｍ；屏蔽极厚，从等离子??体源到生物屏蔽层的中子通量衰减超过１０个数量级。另一方面由于实验和维修??的需求，需要计算堆内维修空间（如图１．２?Ｆ１－Ｆ５所示）的停堆剂量，Ｗ保证工??作人员的安全。停堆剂量的计算首先需要求取全堆收敛的通量分布Ｗ获取衰变光??子源分布，其计算开销更是远大于一般的源－点探测器问题。??除了深穿透问题，蒙特卡罗方法的计算耗时还来源于高保真反应堆模拟的精??度要求。２００３年Ｋｏｒｄ?Ｓｍｉｔｈ教授Ｗ曾做出估计：典型的裂变堆堆芯包括２００个??

??与虚拟仿真云计算为易用性特色。Ｓ叩ｅｒＭＣ的功能架构如图２．１所示。??ｔ?■?????－－－??????Ｊ??凡恆每謂Ｉ?可缓撕Ｓ??ｍｍｍｍ?｜?：?ｓｆ＾９！＾ＳＳｓＫＲｋ?ｉ?ｍｍｍ??抱，Ｉ層，風??＂Ｖ＾??ｉ??＾??ｍｍｍ?ｊ?ｓｔ惟誦?］??图２．１?ＳｕｐｅｒＭＣ功能架构图??Ｓ叩ｅｒＭＣ经过２００余人年的持续研发，已发展成为具有１００余万行代码的??软件系统。已通过２０００多个国际基准模型与实验的校验，包括国际临界安全基??准评价实验（ＩＣＳＢＥＰＰＳＩ）、屏蔽积分实验基准库（ＳＩＮＢＡＤ）的正确性验证，Ｗ??及聚变堆［５７］?（ＩＴＥＲ［５８－５９］、ＦＤＳ－ＩＩ［６ｇ－６２］等）、快堆（ＩＡＥＡ－ＢＮ６００、ＩＡＥＡ－ＡＤＳ?等）、??压水堆（ＢＥＡＶＲＳ、ＨＭ等）、国际反应堆物理实验评价手册（ＩＲＰｈＥＰ）等的反??应堆综合应用验证。Ｓ叩ｅｒＭＣ己经在全球５０多个国家、３０余个国际重大核工程??项目中获得重要应用，首次实现了我国核能软件走出国口并获得国际规模化应用??认可。??２．１．１蒙特卡罗输运模拟方法??蒙特卡罗方法被广泛应用于数值模拟，尤其是多自由度的复杂系统的数值模??拟。蒙特卡罗方法泛指通过重复随机抽样来求取数值解的计算方法：通过生成伪??随机数来进行随机实验，从而测量随机变量的值。与直接求解输运方程的确定论??方法相比
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本文编号：2855430