用于厚屏蔽小探测器的蒙特卡罗模拟减方差方法研究

反应堆屏蔽计算中经常出现厚屏蔽、小探测器问题,常规蒙特卡罗方法难以有效解决。基于自动重要抽样(AIS)方法,本文提出了小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法,并针对小探测器问题,优化了AIS方法的虚粒子赌分裂算法。该方法在自主开发的蒙特卡罗屏蔽程序MCShield上进行了实现。使用NUREG/CR-6115 PWR基准题验证该方法的正确性和计算效率。结果表明,SDAIS方法可有效地解决厚屏蔽小探测器问题,相比AIS方法及传统的重要性方法,计算效率提升1～2个量级。     

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。     

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。     

基于CADIS方法的蒙特卡罗深穿透屏蔽计算方差降低方法研究

正深穿透问题是指由于屏蔽层过厚、源强较弱或探测器体积较小导致粒子输运计算结果偏低的问题。针对于蒙特卡罗屏蔽计算中的深穿透问题,利用一致共轭驱动重要性抽样(CADIS)方法的相应理论,实现了蒙特卡罗软件MCNP减小计算方差,可通过蒙特卡罗方法的共轭计算来得到共轭通量,经过CADIS方法推导出的公式计算得到权窗参数和源偏倚参数。     

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。      

基于正向蒙特卡罗计算的自动源偏倚方法在屏蔽计算中的应用

反应堆屏蔽计算是粒子输运数值计算的难点问题之一。由于仅有少量处于堆芯外围组件的高能中子能到达屏蔽层外，如果对源粒子采用无偏抽样，大量的计算时间用于模拟无用的源粒子，计算效率很低。偏倚抽样是提升蒙特卡罗模拟计算效率的重要途径，包含源偏倚、输运偏倚和碰撞偏倚等。MCNP程序的权窗发生器可为输运偏倚和碰撞偏倚提供参数，但不包含源偏倚。本文利用正向蒙特卡罗计算权窗发生器产生的重要性函数，生成源偏倚参数以及与之匹配的权窗系数，在屏蔽计算中取得了很好的效果。本文的方法与MCNP的权窗功能完全兼容，使用方便。     

蒙特卡罗输运计算中的散射方向偏倚

利用蒙特卡罗法不能直接计算复杂结构系统的中子输运,如屏蔽层的穿透问题,这是因为输运程序不可能预知中子穿透屏蔽层的适当路线。本研究工作对输运计算中的探测器贡献分布进行估计,并应用这一分布进行散射方向偏倚,使探测器能有效地探测到中子。在一些简单模型中采用该偏倚程序进行测试计算,证实了该程序的基本功能。本文所采用的偏倚程序是一个很强的偏倚工具,能用来计算厚而复杂的结构,如漏流效应、天空回散照射等等。     

重要方向抽样在小探测概率问题模拟中的应用

蒙特卡罗方法对于小探测概率问题的模拟计算的效率非常低。介绍了重要方向抽样技术在这类问题中的应用,并给出了此技术对于同时具有小探测概率、深穿透两种特点的问题的解决方法。     

基于正向蒙特卡罗计算的自动源偏倚方法在屏蔽计算中的应用

反应堆屏蔽计算是粒子输运数值计算的难点问题之一。由于仅有少量处于堆芯外围组件的高能中子能到达屏蔽层外,如果对源粒子采用无偏抽样,大量的计算时间用于模拟无用的源粒子,计算效率很低。偏倚抽样是提升蒙特卡罗模拟计算效率的重要途径,包含源偏倚、输运偏倚和碰撞偏倚等。MCNP程序的权窗发生器可为输运偏倚和碰撞偏倚提供参数,但不包含源偏倚。本文利用正向蒙特卡罗计算权窗发生器产生的重要性函数,生成源偏倚参数以及与之匹配的权窗系数,在屏蔽计算中取得了很好的效果。本文的方法与MCNP的权窗功能完全兼容,使用方便。     

长方体废物箱测量中探测效率刻度的抽样算法

建立了一种蒙特卡罗积分算法和以BECK公式为基础的数值计算方法相结合的抽样算法,该算法用于长方体废物箱测量中探测效率的刻度.该算法用实验测得的探测器角响应函数和有效前面积作为探测器的响应参数,用线衰减系数表征γ射线穿透介质的衰减属性,并根据BECK公式建立被积函数的表达式.在样品的几何空间内均匀抽样,并计算得到射线的衰...     

多种影响因素下的设备易损性计算

抗震裕度评估是核电厂地震安全评估的方法之一，通过地震易损性分析计算高置信度低失效概率的抗震能力值是抗震裕度评估中很重要的一步。本文对于同时受到多种失效模式影响的设备易损性计算进行了研究，讨论了蒙特卡罗抽样方法和拉丁超立方分布抽样方法在设备易损性计算中的应用，对两种抽样方法的计算效率和准确度进行了评价。结果表明，在小样本抽样计算时拉丁超立方抽样方法有更好的计算效率和收敛速度，在1 000次样本数量时，两种抽样方法计算结果均可达到收敛。     

脉冲阵列中子测井探测器效率的研究

为了在石油脉冲阵列中子测井研究中充分地应用探测器的效率,运用蒙特卡罗（MC）方法通用程序MCNP对脉冲阵列中子测井仪的探测器的效率进行了计算研究,得到限满意的结果。计算结果可用于指导探测器的设计性能研究。     

基于蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法的快中子注量基准分析

蒙特卡罗（MC）-离散纵标（S_N）双向耦合方法是解决大型复杂核装置屏蔽问题的有效方法。本文针对三维MC-S_N双向耦合方法在大型压水堆核电站屏蔽计算中的应用,进行了基准验证分析。基于美国核管会（NRC）发布的NUREG/CR-6115压水堆基准模型,采用自主开发的三维MC-S_N双向耦合屏蔽计算分析方法,利用MCNP4C精确计算堆芯到热屏蔽精细模型以及位于压力容器内部计算区域的精确模型,三维S N 程序TORT用于进行热屏蔽到第2下降区外表面间的计算。通过自主研发的接口程序实现MC粒子概率分布与S_N角通量密度间的相互转换,实现MC和S_N 双向耦合计算。三维MC-S_N双向耦合方法计算结果与基准报告提供的MCNP、DORT结果符合良好,初步验证了该方法解决大型复杂核装置屏蔽问题的可行性。     

Importance Determination Method for Geometry Splitting with Russian Roulette in Monte Carlo Calculations of Thick and Complicated Core Shielding Structure

In case of a shielding analysis of the geometry having thick and complicated structures with a Monte Carlo code, it is a serious problem that it takes too much computer time to obtain results with good statistics. Therefore, it is very important to reduce variances in the calculation. In this study, a method to determine the importance function in 3-dimensional Monte Carlo calculation with geometry splitting with Russian roulette was developed for the shielding analysis of thick and complicated core shielding structures. Only two essential importance ratio curves for one material enable us to determine the importance function easily in the shielding calculation.

The validity of this method was confirmed through a simple benchmark calculation. From the comparison with the result obtained by using weight window (W-W), it was shown that the present method can give an accurate result on the same level with W-W method with less trial and errors. And this method was applied to an actual reactor core shielding analysis to confirm its applicability to a 3-dimensional thick and complicated structure.

Using this method, the variance reduced calculation can be easily realized with the developed importance determination procedure, especially in case that parameter survey calculations are required in order to determine the shield thickness in a design work of a thick and complicated structure. Accordingly, it became easier to use Monte Carlo method as a powerful tool for a reactor core shielding design.     

用于迷宫屏蔽计算的蒙特卡罗减方差方法研究

本文应用多种减方差技巧提出了强迫指向自动重要抽样（FPAIS）方法，并在MCNP5程序平台实现了该方法。采用该方法对1个多折迷宫算例进行了模拟计算，计算结果与MCNP5程序的直接模拟、DXTRAN球、点通量3种方法的结果进行了比对。基于此算例对FPAIS方法进行了引导面设置和粒子数敏感性分析。结果表明，FPAIS方法在保证一定计算精度的前提下，比其他3种方法的FOM提高2~3个量级，且该方法对引导面设置不敏感、可用性强，对于迷宫屏蔽计算是一种准确、高效的解决方案。     

反应堆中子注量率相对分布测量系统铅屏蔽计算分析

为批量化测量探测片活性,设计了多道中子注量率相对分布测量系统。每一个NaI探测器测量一个探测片,探测器之间采用铅屏蔽。为了消除其他通道探测片对本通道探测片测量结果的影响,通过设计保证邻近通道活化探测片对本通道干扰小于0.05%。本文采用点源积分方法计算(经蒙特卡罗模拟验证),并确定了满足屏蔽要求的铅屏蔽体尺寸。     

Application of forward and adjoint Monte Carlo coupling technique to detector system designs

Forward and adjoint Monte Carlo coupling technique has been developed for analyzing neutron streaming in a system with large geometry. Particles (neutron and adjoint particle) are scored by surface type estimators such as the next event surface crossing estimators and the boundary crossing estimators. The detector response is calculated by folding the calculated neutron and adjoint angular fluxes. The reliability and efficiency for this method were studied by solving a sample problem of neutron streaming through narrow sodium pipe embedded in an iron shield. This method turned out to give a figure of merit several times better than the conventional method. The applicability of the method to detector system design has been demonstrated by calculating the signal to noise ratio for the fuel failure detector with delayed neutron detection method, which is located behind the reactor shield of concrete. This method gives an advantage in clarifying the spatial channels for neutron streaming.     

基于蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法的堆坑粒子注量率计算

为有效解决大型复杂核设施屏蔽计算问题,研究了三维蒙特卡罗(MC)-离散纵标（S_N）双向耦合方法,通过自主开发接口程序实现MC粒子概率分布与S_N角通量密度之间的相互转换,实现MC-S_N双向耦合计算。将基于MC-S_N双向耦合方法的程序用于某反应堆堆坑底部粒子注量率计算。利用MC程序建立堆芯及堆坑处的精细模型进行计算,三维S_N程序用于堆芯下表面与压力容器底面之间区域的计算。通过MC-S_N-MC两步耦合计算,给出堆坑通道及小室内的中子和光子注量率。三维MC-S_N双向耦合方法计算结果与单一MCNP程序结果吻合较好,初步验证了该方法是解决大型复杂核装置屏蔽问题的有效工具。     

人工智能方法在AWCC中3He管排布设计的应用

在有源井型符合中子计数器(AWCC)其他参数确定的情况下,使用人工智能算法寻找3He管的最佳排布方式,以提高设备的中子探测效率。首先对排布方案整体空间进行均匀抽样,再使用蒙特卡罗方法模拟AWCC探测过程,计算每种排布方式下的中子探测效率,从而生成数据样本供人工智能算法学习,然后使用深度神经网络（DNN）快速拟合出³He管排布与中子探测效率的关系,最后结合遗传算法寻找AWCC中³He管的最优排布方式。该方法的中子探测效率与蒙特卡罗计算结果的误差在可接受范围内,且筛选出的最优效率高于原设备的效率。该方法还可用于其他参数的优化设计,并拓展至解决多目标优化问题,为提高AWCC设计的智能性开辟了新途径。