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。     

三维离散纵标方法在反应堆精细屏蔽计算中的应用研究

随着计算能力的发展,三维离散纵标方法(SN)已逐渐为反应堆辐射屏蔽计算的主流方法之一。本文就三维SN方法应用于反应堆的精细化屏蔽建模与分析的关键问题进行了研究,主要包括精细化几何建模、堆芯固定源模型的创建和数据库截面参数敏感性分析等内容。在此基础上,本文以典型的压水反应堆为对象,构建了精细的三维SN计算分析模型,以压力容器快中子注量率为算例,完整实现了反应堆的精细化三维SN建模与分析,并将三维SN结果和蒙特卡罗方法的计算结果进行了比较分析。对比结果表明,精细化三维SN方法具有较高的计算精度,验证了三维SN方法在反应堆精细屏蔽计算问题中的有效性和正确性。     

一种用于船用反应堆屏蔽结构优化的方法

本文研究了一种基于神经网络和遗传算法的船用反应堆屏蔽优化方法,并开发了可视化操作界面。给出船用反应堆四层屏蔽结构模型,将蒙特卡罗方法计算的归一化中子透射率与训练后的神经网络预测值进行对比,验证了神经网络方法预测的准确性。通过将神经网络预测结果作为遗传算法适应度函数的参数进行约束寻优,能够快速找到船用反应堆模型最佳的屏蔽结构参数,大幅度提高了反应堆屏蔽结构优化计算效率。     

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。     

快堆堆芯蒙特卡罗计算模型几何优化问题研究

蒙特卡罗建模的几何精细程度问题是计算效率与准确度的平衡问题。反应堆堆芯完全精细化模型的建模难度大,计算效率低,凭经验的均匀化会引入大量计算偏差。本文基于特征值求差法评估了中国实验快堆堆芯具体几何结构的简化对keff的影响,建立了综合优化模型。计算结果表明,优化模型在保证计算准确度的前提下可大幅提高计算效率。优化模型的具体几何处理方式与详细验证结果为堆芯设计、实验模拟等蒙特卡罗计算量较大的工作提供了借鉴,为蒙特卡罗程序开发、蒙特卡罗理论研究提供了参考。     

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。     

基于非支配排序遗传算法的核动力堆中子-γ混合射线屏蔽智能优化

以萨瓦纳船用核动力堆为原型,等比构建了中子-γ混合辐射场多目标优化模型,使用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）与神经网络相结合的屏蔽智能优化方法,将屏蔽层总重量和屏蔽后的剂量率作为优化目标,进行多目标寻优,得到了pareto最优解;选取其中1组最优解分别利用蒙特卡罗方法计算和神经网络预测进行可行性对比验证,在神经网络预测误差允许的范围内,得到的剂量率均满足寻优时设置的约束限值。研究结果表明,该屏蔽智能优化方法对反应堆中子 γ混合射线的屏蔽参数优化是可行的,相比于传统的纯蒙特卡罗方法而言,能在计算准确的前提下极大减少计算时间。     

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。     

Energy distributions of multiple backscattered photons in materials

Backscattering of gamma photons from a material is of fundamental importance in radiation shielding,industrial and medical applications, radiation dosimetry,and non-destructive testing. In Compton scattering, incident photons undergo multiple scatterings within the material(target) before exiting. Gamma photons continue to soften in energy as the number of scatterings increases in a thick target; in other words, the energy of gamma photons decreases as the scatterings increase in case of a thick target and results in the generation of singly and multiply scattered events. In this work, the energy distribution of backscattered gamma photons with backscattering intensity and energy probabilities were calculated by using the Monte Carlo method for metallic, biological, and shielding materials with various thicknesses of slab geometry. The materials under study were targeted with gamma photons of 0.279, 0.662, 1.250, and 2.100 Me V energies. In addition, the energy distributions of multiply scattered gamma photons were studied for materials with infinite geometry.The results are presented and discussed in detail by comparing with other Monte Carlo calculations.     

基于CAD邻居列表和包围盒的蒙特卡罗粒子输运几何跟踪加速方法研究

几何跟踪主要进行蒙特卡罗粒子输运计算中粒子位置和径迹长度的计算,它是蒙特卡罗粒子输运计算的关键技术之一。由于聚变堆几何结构极其复杂,使得几何跟踪在整个蒙特卡罗粒子输运计算中占据30%~80%的计算时间,因此几何跟踪方法的效率是决定聚变堆蒙特卡罗粒子输运计算效率的重要因素之一。本文提出了基于CAD的邻居列表和包围盒加速方法,并基于FDS团队自主研发的超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC进行实现。利用聚变堆FDS-Ⅱ和ITER模型对本文方法进行了数值验证,测试结果表明本文方法不影响计算结果,并能使程序计算效率提高50%~60%,证明了本文方法的正确性和有效性。     

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.     

New Efficient Albedo Monte Carlo Method for Neutron Streaming Analyses

An efficient albedo Monte Carlo method newly developed has been studied by analyzing two types of experiments on neutron streaming. The method is characterized by employing the energy-angle dependent doubly differential albedos for slab, which can be calculated in a short computer time with a one-dimensional transport theory, such as the Sn method and more efficient invariant imbedding method. This paper describes the features of the present albedo Monte Carlo method, including fundamental formulas. In the analyses of the neutron streaming experiments, the calculated results agreed with the measured data within a factor of 2 for a benchmark experiment at the YAYOI reactor and within a factor of 3 for an SNR sodium duct mock-up experiment.

It is concluded that the present albedo Monte Carlo method is practical and applicable to the reactor shielding analysis concerning radiation streaming.     

等效均匀化方法在连续能量蒙特卡罗均匀化群常数上的应用

连续能量蒙特卡罗方法均匀化群常数直接用于堆芯均匀计算,不能与非均匀计算保持反应率和界面流守恒,需进一步处理使其满足等效均匀化原理。本工作研究广义均匀化理论（GET）和超级均匀化方法（SPH）在蒙特卡罗均匀化中的应用,并数值验证简化压水堆堆芯和C5G7基准题。研究表明,GET和SPH的应用提高了蒙特卡罗均匀化群常数堆芯扩散计算的精度,可作为蒙特卡罗等效均匀化方法。     

RMC均匀裂变源方法及其在堆用蒙特卡罗计算不对称性问题中的应用

堆用蒙特卡罗程序(RMC)不断被研发以适应于反应堆大规模精细模拟计算。在临界计算中,反应堆中子注量率、功率密度等分布不均匀导致其统计偏差的波动性增大,进而导致反应堆物理对称区域计算结果出现不对称性。蒙特卡罗堆芯计算不对称性主要由统计方差造成,减小方差波动可降低堆芯计算不对称程度。本工作在RMC临界计算中增加均匀裂变源方法,并对Hoogenboom-Martin基准题进行计算验证。结果表明,改进的方法在降低堆芯方差波动性与低功率区域方差方面效果显著。     

评价核数据在热管冷却空间核反应堆设计中的应用

热管冷却反应堆是空间核反应堆电源系统的重要候选堆型,具有良好的发展前景。热管冷却空间堆堆芯使用的材料与传统压水堆相比有很大不同,以HP-SMTCs堆芯为例,广泛使用了含有Re、Mo、Li、Be等元素的材料。为研究相应的评价核截面数据对热管冷却空间堆核设计产生的影响,以HP-SMTCs空间堆核设计为平台,选用不同来源、不同版本的评价核数据,对堆芯在不同构型下的临界安全进行了计算,对Re、Mo等耐高温材料的中子截面数据对空间堆核设计结果的影响进行了评价,比较了使用ENDF/B、JEFF、CENDL等常用评价库的核数据时的计算结果,对主要核素的截面数据进行了敏感性系数计算,并分析指出了未来空间堆发展对相关评价核数据的需求。     

Extension of Askew's Coarse Mesh Method to Few-Group Problems for Calculating Two-Dimensional Power Distribution in Fast Breeder Reactors

A few-group coarse mesh method has been developed for the calculation of power distribution in 2-dimensional geometry of a fast breeder reactor by extending Askew's one-group coarse mesh method. This method employs modified macroscopic cross sections including group-dependent corrections for coarse meshes of one point per hexagonal assembly and can be easily incorporated into conventional diffusion codes.

Results obtained in few-group 2-dimensional test cases on a prototype fast breeder reactor indicate that this method is as accurate as fine mesh calculations with six mesh points per assembly and the computing time is about ¼ of that of fine mesh calculations.     

基于统一几何建模的高保真物理-热工耦合方法研究及其在SPERT实验堆堆芯的计算应用

针对各类小型动力堆或实验堆开展物理-热工耦合模拟计算时,由于非规则几何结构的存在而带来物理-热工网格映射关系复杂且不可统一预置的问题,基于数值反应堆高保真物理计算程序NECP-X开展了基于统一几何建模的物理-热工耦合方法研究,基于中子学模型建立物理-热工耦合的映射关系,并结合NECP-X程序中的瞬态计算方法实现了特殊功率偏移实验（SPERT）实验堆堆芯的直接瞬态计算;计算了SPERT实验堆稳态算例并与蒙特卡罗程序的结果进行对比,在此基础上,对SPERT实验堆进行了瞬态计算分析并与实验值进行对比。结果表明,NECP-X程序中子学计算的特征值和棒功率分布计算结果具有较高的精度;基于统一几何建模的网格映射方法可以方便快捷地实现复杂几何压水堆的物理-热工耦合计算;与实验值相比,瞬态计算的总功率、反应性随时间的变化曲线具有较高的精度,并且可提供精细的功率及温度分布。      

球床高温气冷堆吸收体价值计算的验证

VSOP程序广泛用于球床高温气冷堆的工程设计。对于被布置在堆芯侧反射层孔道中、用于反应性控制的吸收体,由于物理计算方法的限制,VSOP程序不具备计算其价值的功能,必须借助其他确定论程序进行外部耦合计算,涉及到几何的近似处理、截面的归并和转换,可能引入额外的误差。为此,本文采用蒙特卡罗程序建立了精细的堆芯模型,真实描述了堆芯活性区的球床结构、侧反射层的孔道结构、吸收体的形状和位置,在同样的堆芯状态下,比较了确定论耦合程序和MCNP程序计算得到的吸收体价值。结果表明：确定论耦合程序的计算结果是准确的,从设计角度上是偏保守的。     

氟盐冷却高温堆精细中子通量密度分布计算方法研究

氟盐冷却高温堆(FHR)作为第4代核能系统,对安全性和经济性更加注重。FHR全空间中子通量密度的精细分布数据对于材料构件的辐照损伤计算、放射性源项分析以及辐射屏蔽设计等均有重要意义。针对这一需求,本文采用离散纵标(SN)方法为蒙特卡罗(MC)方法偏倚计算提供所需的源偏倚和权窗参数,使蒙特卡罗粒子均匀地分布于整个计算模型空间,从而有效降低中子通量密度分布计算的统计误差。在该方法的基础上,编写了耦合程序SN2MCNP,并使用该程序对FHR全空间的中子通量密度分布进行了精细计算。经对比验证,在同样的计算时间和统计方法的要求下,单独使用MCNP计算的结果中,只有30.1%的相对误差达到要求(10%),而使用SN2MCNP的计算结果中则有99.6%的相对误差达到要求(10%)。