全局减方差方法在大空间γ辐射场计算中的应用

为了提高大空间γ辐射场全局计算效率,开展了全局减方差(Global Variance Reduction,GVR)方法在大空间γ辐射场计算中的应用研究。针对计数栅元/网格体积差异造成的过度分裂问题,引入体积修正因子修改全空间权窗参数。体积修正后的基于通量的GVR方法计算的全局品质因子(FOM_G)比直接模拟提高约39倍。针对非计数区计算耗时问题,提出了非计数区修正方法,使得FOM_G因子进一步提高40%。在引入体积和非计数区修正的基础上,在大空间γ辐射场计算中与基于粒子误差、权重、径迹、数目、能量、碰撞和通量的7种GVR方法进行对比。结果表明：7种GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2～3个量级,基于误差的标准差σ降低2～3个量级;而基于权重的GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2 304倍,在所有GVR方法中减方差效果最好。在基于通量的GVR方法中引入光滑因子SI后,模拟计算的权窗下限随SI增加而减小,FOM_G因子随SI的增加先增加后减小。当SI=0.8时,该方法计算...     

全局减方差方法在乏燃料干式贮存容器屏蔽计算中的应用

开发了基于离散纵标(S_N)方法的蒙特卡罗(MC)全局减方差方法,针对乏燃料干式贮存容器,分别建立了中子源及光子源MC直接计算模型、S_N计算模型及全局减方差方法计算模型,并进行了计算精度和效率的比较。数值结果表明,全局减方差方法计算结果与无偏的MC及S_N计算结果相比吻合良好。其中S_N计算的次级光子剂量率与全局减方差方法计算的偏差较大,这主要是由于MC计算和S_N计算时的数据库差异导致的。和无偏的MC结果相比,全局减方差方法计算的中子及次级光子输运计算收敛效率提高了近2个数量级,初级光子输运计算收敛效率提高了1~2个数量级。     

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。     

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。     

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。     

蒙特卡罗模拟CFETR中子输运计算中的全局减方差方法应用及对比

在具有全局特性的蒙特卡罗输运精细计算的问题中,传统的MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)局部减方差方法很难得到理想的计算结果,全局减方差方法(Global Variance Reduction,GVR)则是一种有效的解决方法。针对中国聚变工程试验反应堆(Chinese Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)的中子输运过程中减小全局方差的问题,将多种形式的GVR方法应用到柱状CFETR中子学模型的计算中。依据不同的中子分布信息,在算例中应用和对比了6种不同形式的GVR权窗,并对不同GVR方法的品质因子(FOMG)、标准差(σ)和有效计数率(Scoring)进行了分析。与AN(MCNPanalog method)相比,GVR方法的FOMG有很大的增长,误差在空间的分布也更加平缓,且具有更高的Scoring。在前人提出的全局减方差的基础上,在计算中应用一些新的GVR形式(能量、径迹数等),计算结果表明,基于中子通量的GVR方法的全局计算效率较AN提高了6.43倍。此外,基于中子能量的全局减方差方法也是一种可行的GVR应用形式,其与AN比较,计算效率提高了5.11倍。综上,基于中子通量的GVR方法具有最佳的全局减方差效果。     

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。     

求解深穿透问题的能量偏倚减方差方法

采用堆用蒙特卡罗程序(RMC)进行反应堆屏蔽计算时,面临着深穿透的技术难题。通过分析中子在屏蔽层中的输运过程,证明了各能群的中子都满足穿透率守恒。在RMC中开发了基于穿透率守恒的自适应局部减方差方法,该方法可以快速计算出指数重要性函数和等梯度重要性函数,对中子的空间位置和能量值同时进行偏倚,高效地求解出深穿透区域的能谱分布。用工程常用的混凝土和水屏蔽层进行测试,计算结果证明:该方法可以高效地求解深穿透问题,提高RMC的计算效率。     

300~#研究堆安全棒中子注量率计算中的减方差方法对比及应用

针对300#研究堆安全棒顶端中子注量率计算中的小体积远距离中子输运问题,采用MCNP减方差方法,通过多次试算与验证计算,对比了各减方差方法在本问题中的适用情况,得到了符合误差要求的计数值。首先,根据本研究堆几何建模模型,选取了点探测器及相关的3种减方差方法进行对比计算,计算结果显示:随着粒子数的增加,计算呈现不稳定现象,未起到减方差的作用。之后,将原有几何模型重新分层建模,并分配适当的栅元重要性,将中子引向目标栅元。按此方法,通过检查中子在各栅元中的径迹及碰撞情况,并增加粒子数计算,得到的计数结果表明:计数相对误差在5%以内,品质因子保持稳定,实现了减方差的目的。     

网格权窗减方差技术及其在聚变堆屏蔽分析中应用研究

在聚变堆辐射屏蔽计算中,如何有效解决深穿透问题是近年来国际聚变辐射安全领域关注的焦点之一。针对该问题,本文研究了直角坐标系与圆柱坐标系下基于网格的权窗减方差技术。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC实现了该方法,并选取减方差技巧的基准例题进行测试与分析,初步得出"粗划真空或密度很小的区域、细分密度大的区域"的网格划分规律,能有效提高网格权窗计算效率。基于该规律对聚变屏蔽基准问题进行对比分析,新的网格划分与原始网格划分的计算效率相比,FOM因子提高了1.92倍。减方差技巧的基准例题和聚变屏蔽基准问题计算中,SuperMC通量计算结果与MCNP相比偏差均在0.5%以下,证明了本文中方法的正确性。     

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cosRMC的同位素电池屏蔽计算研究

热电式同位素电池系统作为一种新型能源系统,在深空、深海探测任务中有广泛应用。钛酸锶热源中的放射性同位素⁹⁰Sr和⁹⁰Y会发射β射线,β射线与物质作用产生韧致辐射,韧致辐射具有很强的穿透力,需要为热源安装屏蔽层,以降低辐射剂量。当屏蔽层厚度超过一定值后,蒙特卡罗方法计算结果的统计误差显著增大,采用减方差技术可以提高热电式同位素电池屏蔽计算的准确性。同时,直接电子输运模拟耗时很长,可以通过厚靶韧致辐射模型处理电子产生的光子,从而提高计算效率。本文开展了cosRMC程序的减方差技术和厚靶韧致辐射模型在同位素电池屏蔽计算中的应用研究与验证,基于美国SNAP-21结构的设计方案,采用cosRMC程序对同位素电池进行了精细建模,通过改变外屏蔽层厚度分析其对表面剂量率的影响,并与MCNP结果进行比较。结果表明,在电池径向和轴向使用不同厚度的屏蔽层,cosRMC与MCNP计算的贫铀屏蔽层表面的剂量率的相对误差在±3σ区间内符合良好。采用栅元重要性减方差后,两程序统计误差均减小,且在电池径向5 cm处和轴向4 cm处,结果在±3σ区间内符合良好,进一步验证了c...     

空间粒子探测中的路径差消除技术

为了解决空间粒子探测器在对粒子进行鉴别时由于路径差造成的误差,介绍了根据不同的原理和技术而设计的各种路径差的消除技术,并对这些技术做了评价,设计者可以根据自身的需要选取合适的方法.     

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。     

核电厂严重事故下辐射环境蒙特卡罗模拟及方法应用研究

本文基于核电厂严重事故下辐射环境的蒙特卡罗模拟需求,针对模拟计算中经常存在的深穿透区域计数结果很难或者无法收敛的问题,在相关理论基础上,结合蒙特卡罗正算输运的特点建立了迭代计算产生偏倚参数的具体方案,形成了一套完整的全局减方差方法的应用流程.为了验证方法的应用效果,本文针对核电厂模型开展了相关迭代计算,并与直接模拟的情...     

多种减方差技术在电子辐照加速器屏蔽计算中的组合应用效果评估

减方差技术是辐射防护、核医学、核探井等应用领域中解决深穿透问题的常用方法。当前减方差技术的研究基本基于简单理论几何模型,缺少在实际复杂模型上的讨论,本文以实际应用的电子辐照加速器整体系统为研究的几何模型,以屏蔽后的剂量为计算目标。比较了电子和不同辐照物质相互作用时产生次级光子能量谱和方向谱的差异,并以蒙特卡罗程序MCNP5(Monte Carlo N Particle Transport Code)为平台详细研究对比了几何分裂、源偏倚、指数衰减、分步输运、DXTRAN球和权窗等常见减方差技术在单独使用和不同组合使用下的实际效果,评估了具有实用性减方差技术的选择和组合。结果表明:辐照物质对次级光子的方向谱影响很大,出于建模有效性考虑,几何模型应尽量贴合实际,不能过分简化;分步输运和源偏倚相比于其它常规减方差技术可以更好地降低计算误差,它们和几何分裂、DXTRAN球和指数衰减组合使用时,可以进一步降低计算误差,有效提高结果的可信度;权窗相对于常规减方差技术具有更好的计算效率和客观性,以权窗、分步输运和源偏倚为基础,再组合其他减方差技术,可以很好地解决实际应用中复杂模型的深穿透问题。     

几何分裂与轮盘赌减方差技巧中分裂比对计算效率影响研究

采用MCNP程序研究了几何分裂与轮盘赌减方差技巧中分裂比对计算效率的影响。结果表明:分裂比的变化对计算效率有显著的影响,根据粒子在输运方向上能谱的变化,合理地控制各栅元厚度和分裂比可以使计算效率接近极大值,从而较快地得到收敛且可靠的计算结果。本文的研究结果可为几何分裂与轮盘赌减方差技巧的应用提供一定的参考。     

基于地统计空间插值的三维辐射场重构研究

针对源项未知情况下的三维辐射场获取问题,根据辐射场具有空间自相关性的特点,利用地统计空间插值中结合对数变换的普通克里金方法来进行辐射场重构。通过两个实测的辐射场数据集对该方法进行了测试,结果表明,该方法在选取Exponential模型或Spherical模型来进行半方差拟合,且测量点为随机选取的情况下,其重构结果平均偏差的平均值为21.51%～74.01%,证明了该方法在实际应用中具有一定的有效性和可行性。另外,对测量点分布情况与辐射场重构准确性之间的关系进行了初步分析,确定了测量点的分布应尽可能均匀的选取方案。