蒙特卡罗粒子输运权窗减方差方法研究及在ITER屏蔽分析中应用

屏蔽问题是聚变中子学研究密切关注的问题,蒙特卡罗粒子输运中的权窗减方差技术是处理屏蔽计算深穿透难题的重要方法。本文对权窗减方差方法开展研究,并在超级蒙特卡罗计算软件SuperMC中实现。先采用混凝土基准例题进行校验,再将该方法应用于国际热核聚变实验堆ITER的屏蔽分析,计算结果和MCNP进行对比,符合偏差要求,通过权窗减方差的应用,计算效率也有明显提升,证明了方法和程序的正确性和有效性。     

基于自动网格划分与权窗平滑的自适应减方差方法

如何更高效发挥减方差的作用是蒙特卡罗方法在先进核能系统屏蔽分析应用中的研究热点之一。本文发展了一种基于自动网格划分与权窗平滑的自适应减方差方法,在蒙特卡罗和确定论耦合的一致性伴随驱动的重要性抽样方法(Consistent Adjoint Driven Importance Sampling,CADIS)基础上,利用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)自动转换和自由程自动划分SN网格,通过确定论方法伴随预计算,实现基于伴随通量的区域权窗参数自动配置,并对伴随通量变化剧烈区域进行权窗平滑处理,保证了粒子在不同区域的有效偏倚,进一步提高计算的效率,从而解决大空间蒙特卡罗计算难以收敛的问题。该方法已初步应用于中国铅基反应堆(China Lead-based Reactor,CLEAR)堆顶盖的屏蔽计算分析,该案例具有结构复杂、屏蔽材料厚重的特点,测试结果表明本方法将计算效率提高近10倍。     

深穿透屏蔽计算中MCNP减方差技巧应用及比较

在中子输运的深穿透屏蔽计算中,采用有效的MCNP减方差技巧可以有效缩减计算时间提高计算效率。以一维聚变反应堆(CFETR)平板模型作为深穿透屏蔽计算实例,分别应用了几何分裂与轮盘赌、源偏倚、强迫碰撞、权窗、指数变换等减方差技巧,对各种减方差技巧应用过程中遇到的如中子平分布问题,全零权窗问题等问题,进行了分析总结,并在此基础上提出了针对深穿透问题的新的解决思路。通过不同方法分析和组合,获得了权窗和指数变换的最佳组合,使计算效率加速了162倍。     

基于钠冷快堆BN-600的SuperMC基准校验分析

超级蒙特卡罗核模拟软件SuperMC是由FDS团队自主研发的一个通用的多物理耦合蒙特卡罗模拟程序,基于蒙特卡罗与确定论耦合方法并集成先进并行计算与减方差技术。最新版本SuperMC2.2支持中子、光子、中子光子耦合输运,实现了几何与物理的自动建模、输运计算、过程与计算结果可视化的集成计算分析。SuperMC2.2已通过国际临界安全基准实验手册(ICSBEP)、国际屏蔽积分泄漏率实验手册(SINBAD)等大量国际基准例题的正确性验证。本文用IAEA发布的钠冷快堆BN-600基准例题进一步进行测试校验,测试计算了有效增殖因数、多普勒系数、密度系数、膨胀系数等9个参数。结果显示,SuperMC2.2的计算结果与MCNP相比偏差均在1个标准差范围内,且基本在国际各研究机构计算结果之间,初步验证了SuperMC2.2应用于快堆中子输运计算中的准确性和可靠性。     

基于ISPRA-Fe实验的SuperMC3.2屏蔽深穿透验证

为验证中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC(超级蒙卡)在计算裂变堆屏蔽深穿透问题时的准确性和可靠性,采用OECD/NEA和RSICC联合发布的国际屏蔽积分实验数据库(SINBAD)中的ISPRA-Fe基准例题进行了测试验证。通过对屏蔽分析中关注的中子通量密度和反应率的计算,SuperMC所有物理量的计算结果与MCNP参考值的相对偏差均小于3σ,且与实验结果整体上吻合较好。同时,针对厚屏蔽区域的~(32)S(n,p)~(32)P反应率计算难以收敛的问题,采用了全局权窗生成器GWWG生成权窗进行计算,FOM因子提高了4 431倍,证明了SuperMC处理深穿透问题的正确性和高效性。     

MC法优选核设施复杂辐射场剂量计算方法

借助MCNP程序,针对核设施复杂辐射场的剂量计算,评估了几何分裂与轮盘赌、基于栅元的权窗和基于网格的权窗三种技巧对计算效率的影响。比较发现,各减方差技巧均可一定程度提高计算效率但提高幅度存在较大差异,其中,网格权窗的提高幅度最大,可达3个数量级以上;同时,权窗减方差技巧可以有效地抑制粒子输运易到达位置计算结果的过度收敛,从而节约计算资源,提高计算效率。     

深贯穿问题脉冲高度计数减方差技巧

在处理核测井、辐射防护以及核医学等深贯穿问题时简单使用无偏方法会导致计算时间长且误差大。较新版本的MCNP程序在进行脉冲高度计数时可使用多种减方差技巧。本文使用蒙特卡罗程序代码MCNP5 1.51对包括Mesh-based权窗在内的多种减方差技巧的计算效率进行测试研究,旨在寻求较好的脉冲高度减方差技巧(Pulse height variance reduction techniques,PHVRT)来解决深贯穿问题中计数效率低的问题。计算表明使用DX球配合强迫碰撞生成的权窗可大幅提高计算效率,对各参数进行优化后又可进一步大幅度提高计算效率。最终得出使用Mesh-based权窗配合其他减方差技巧可以很好解决深贯穿问题计算效率低问题。     

大尺度空间辐射场计算减方差技术研究

在进行大尺度空间核材料贮存的辐射场分布计算时，直接计算会导致计算时间长、误差大等问题。在分析源偏倚、几何分裂、截断、权窗、强迫碰撞、DX球等减方差技巧的基础上，获得了针对基于探测器的点计算和基于网格的整体计算的大尺度空间最佳减方差组合。计算结果表明，使用截断配合强迫碰撞与指数衰减融合生成的权窗能够大幅提高计算效率，尤其对距离源较远点的计算准确度能够得到大幅提升。      

基于NECP-MCX的蒙特卡罗-确定论耦合及权窗网格粗化方法研究

对于屏蔽计算的深穿透问题,由于仅有少量粒子能够穿透屏蔽层到达计数区,所以计算效率极低。为解决该问题,基于一致性共轭驱动重要性抽样方法研究了蒙特卡罗-确定论耦合方法（简称耦合方法）。本研究实现的耦合方法可以基于蒙特卡罗的组合实体几何建模,自动生成确定论SN计算所需的输入参数,利用SN共轭计算生成一致的源偏倚和权窗参数,提供给蒙特卡罗方法正向计算使用。同时耦合方法使用的基于网格的权窗在大规模问题中会遇到内存瓶颈,本文基于贡献因子理论,研究了自动网格粗化方法。新开发了嵌套网格的结构用于网格粗化,以节省权窗占用的内存,同时不影响权窗的效果。基于NECP-MCX程序实现了耦合方法和网格粗化方法。数值结果表明,对于HBR-2基准题,相比于MCNP程序的权窗自动生成方法,耦合方法的品质因子最高提高了2个数量级。在不影响计算精度和效率的前提下,可以将权窗网格最多减少为原来的1/226。      

基于自动重要抽样方法的减方差技巧体系构建与验证

屏蔽计算问题根据求解目标不同一般可分为源-探测器问题、区域问题和全局问题。MCShield研究团队针对3类问题中存在的深穿透问题提出了相应的减方差技巧,本文以此为基础构建了基于自动重要抽样(AIS)方法的减方差技巧体系,并开展了验证工作。针对源-探测器问题,采用NUREG/CR-6115 PWR压力容器计算基准题对小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法进行验证。结果表明,SDAIS方法的计算效率约为AIS方法的7倍。此外还提出并验证了基于AIS伴随蒙特卡罗的耦合减方差(AIS-CADIS)方法,将AIS方法引入到蒙特卡罗伴随计算中,取得了良好的效果。针对全局问题,提出网格化-AIS方法并使用简化反应堆屏蔽计算算例进行验证,结果表明,网格化-AIS方法的计算效率是AIS方法的12倍左右,是直接蒙特卡罗方法的290倍左右。     

全局减方差方法的HBR-2基准题应用

对于深穿透类型的屏蔽问题，在合理的时间内计算得到可信的结果对于蒙特卡罗(MC)方法是一个巨大的挑战。基于离散纵标(S_N)方法的局部和全局减方差方法能有效降低MC计算深穿透问题的计数误差。本文基于HBR-2基准题比较了全局减方差方法和局部减方差方法的计算效率。结果表明，对于HBR-2基准题，局部和全局减方差方法均取得了较好的结果。全局减方差方法1次计算即可同时优化辐照监督管和堆外探测器的计数，因此实际应用更加方便和高效。     

基于CAD的点核剂量计算方法研究及初步应用

点核积分方法是辐射剂量计算的基本方法之一,广泛应用于辐射防护领域。传统的点核剂量计算中采用文本方式描述计算模型,存在难以描述复杂几何、易出错且耗时的问题。针对该问题,本文基于FDS团队自主研发的超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC,进行了基于CAD的点核剂量计算方法研究与程序开发,可基于实际问题的CAD模型直接进行支持多重源的光子点核剂量计算,提高了程序对复杂三维几何问题的处理能力,并包含较为完备的核数据库。使用ANSI/ANS6.6.1、ESIS和VisiPlan的基准例题对程序进行了测试验证,测试结果与VisiPlan4.0对比吻合良好。同时将该方法初步应用于ITER热室屏蔽的设计中,说明了本方法及程序处理复杂场景问题的能力。     

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC

蒙特卡罗方法对于复杂核系统的模拟具有明显优势,然而在实际工程应用中存在巨大的挑战,如复杂结构与材料分布精准建模难度大、计算收敛速度慢、海量数据难以及时有效分析等。超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC设计为支持以辐射输运为核心,包含燃耗、辐射源项/剂量/生物危害、材料活化与嬗变等的综合中子学计算,支持热工水力学、结构力学、化学、生物学等多物理耦合模拟。SuperMC目前已发展了精准建模、高效计算、四维可视化等关键技术,通过2 000余个国际基准模型及实验的验证与确认,在反应堆工程等方面获得广泛应用,本文对其发展概况进行介绍。     

基于SuperMC的船用反应堆辐射屏蔽结构优化研究

船用反应堆辐射屏蔽结构的重量严重影响着船舶的机动性，如何在现有屏蔽空间内进行屏蔽设计以减少屏蔽体的重量，对船舶机动性能提高有着重要意义。本文基于中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC中的智能核设计模块对固定屏蔽空间的屏蔽优化问题开展了研究，采用“萨瓦娜”号反应堆模型进行了屏蔽优化计算。结果表明，优化方案相比于原始设计方案屏蔽体重量大幅度减小，该方法为指导船用反应堆辐射屏蔽的材料选择与屏蔽体布局提供了新的技术手段。      

基于Hoogenboom基准模型的SuperMC全堆芯计算能力校验

基于国际经典的压水堆全堆芯Hoogenboom基准模型,对超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC(Super Monte Carlo Simulation Program for Nuclear and Radiation Process)进行了校验。对有效增殖因数keff、功率等反应堆关键参数进行了计算与正确性校验,对并行效率进行了分析。结果显示,SuperMC的计算结果与MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)吻合较好,在使用640核计算时并行效率高达98.7%,初步验证了SuperMC在全堆芯计算中的准确性及高效性。     

基于多次碰撞源的屏蔽计算方法研究

离散纵标（SN）方法在求解过程中将空间变量和角度变量进行离散，空间变量和角度变量的离散误差控制对保证计算精度至关重要。本文基于射线追踪研究了多次碰撞源方法，通过计算在选定区域内粒子发生多次碰撞的通量密度，将孤立源等效为计算模型内的分布源进行离散纵标输运计算。选取自设屏蔽问题及Kobayashi基准题进行测试验证并对结果进行分析。数值结果表明，自设屏蔽问题中多次碰撞源方法较首次碰撞源方法能有效缓解二次射线效应问题；Kobayashi基准题计算结果与基准值相对误差的均方根小于3%。多次碰撞源方法有效地减弱了离散误差，提高了屏蔽计算的准确性与可靠性。     

Shielding Design and Analysis of Fusion–Fission Hybrid Energy Reactor Blanket

A preliminary design of fusion–fission hybrid energy reactor (FFHER) has been proposed by Institute of Nuclear Physics and Chemistry based on current fusion science and well-developed fission technology. In FFHER, shield blocks provide nuclear shielding and thermal shielding for internal and external blanket components. The hybrid of fusion core and fission blanket makes the spectra rather complex. Therefore, it is necessary to make detail shielding design and carry out radiation analysis according to the blanket structure and material property. In this study, a shielding design of combining several different material shield blocks has been proposed. The shielding analysis is performed by Monte Carlo (MC) method. For the radiation deep-penetration problem, the flux and statistical relative error of forward MC estimate are applied to get an optimal weight window for global variance reduction (GVR). The spatial distribution of neutron and gamma flux have been assessed along the shield block depth. Power deposited and dose rate distributions have also been simulated and analysed. Neutron irradiation damage has been studied to evaluate the material damage. Based on the configuration analysis, nuclear analysis and GVR method, an optimal FFHER blanket shielding design has been obtained.     

Novel hybrid Monte Carlo/deterministic technique for shutdown dose rate analyses of fusion energy systems

The rigorous 2-step (R2S) computational system uses three-dimensional Monte Carlo transport simulations to calculate the shutdown dose rate (SDDR) in fusion reactors. Accurate full-scale R2S calculations are impractical in fusion reactors because they require calculating space- and energy-dependent neutron fluxes everywhere inside the reactor. The use of global Monte Carlo variance reduction techniques was suggested for accelerating the R2S neutron transport calculation. However, the prohibitive computational costs of these approaches, which increase with the problem size and amount of shielding materials, inhibit their ability to accurately predict the SDDR in fusion energy systems using full-scale modeling of an entire fusion plant. This paper describes a novel hybrid Monte Carlo/deterministic methodology that uses the Consistent Adjoint Driven Importance Sampling (CADIS) method but focuses on multi-step shielding calculations. The Multi-Step CADIS (MS-CADIS) methodology speeds up the R2S neutron Monte Carlo calculation using an importance function that represents the neutron importance to the final SDDR. Using a simplified example, preliminary results showed that the use of MS-CADIS enhanced the efficiency of the neutron Monte Carlo simulation of an SDDR calculation by a factor of 550 compared to standard global variance reduction techniques, and that the efficiency enhancement compared to analog Monte Carlo is higher than a factor of 10,000.