基于RMC的计数器数据分解方法研究

蒙特卡罗模拟方法(蒙卡方法)在反应堆物理分析中的应用受计算机内存不足的限制,数据分解方法是一种有效的解决思路。对蒙卡方法的内存占用进行定量分析,并基于自主堆用蒙特卡罗程序(RMC),采取了同步式和异步式2种通信方法,设计并实现计数器数据分解算法;通过数值试验测试算法的性能,结果表明,计数器数据分解算法能够明显减少内存占用,而且不会对程序的并行性能产生影响。     

JMCT蒙特卡罗中子-光子输运程序全堆芯pin-by-pin模型的模拟

几何栅元数超过千万、计数达数十亿、模拟粒子数达数百亿规模的反应堆全堆芯pin-by-pin问题是目前国际公认的挑战计算机和计算方法的难题。由于巨大的数据量已超过单核内存的极限,必须进行空间区域分解和数据分解。本文利用基于JCOGIN实体组合几何框架自主开发研制的三维中子 光子输运蒙特卡罗程序JMCT,通过空间区域分解和嵌套并行,完成了对大亚湾核电站1号机组反应堆全堆芯pin-by-pin模型的建模和模拟,计算给出了每个pin的注量率分布及其误差。     

数值堆热工流体高精细并行模拟优化技术研究

热工流体模拟是数值反应堆的重要组成部分,高精细、大规模数值计算是实现高保真数值模拟的基础。使用计算流体力学（CFD）软件进行高精细、大规模数值模拟对计算资源和存储资源提出了巨大挑战,需依赖超级计算机并行实现。本文以基于谱元法求解N-S（Navier-Stokes）方程的数值方法为研究对象,针对区域分解和基于典型混合架构国产超级计算机的并行优化两个核心问题,提出了一种面向海量精细网格的混合并行递归谱二分法实现的大规模区域分解方法,建立了一套以小矩阵乘为核心的申威（SW26010处理器）众核架构并行优化技术。混合并行大规模区域分解方法在天河二号超算上进行测试,相比开源CFD软件Nek5000的串行区域分解模块性能提升约95%;面向申威的小矩阵乘优化在神威·太湖之光超算上进行测试,当谱元阶数达到24时性能提高约51.9%。两种技术均在中国数值反应堆核心软件CVR-PACA中得以应用。     

基于计数器数据分解的RMC全堆燃耗计算研究

内存不足是蒙特卡罗方法大规模输运模拟的关键问题。对于反应堆燃耗分析,需在输运过程中统计大量反应截面数据,计算机内存限制了燃耗计算规模。本文基于反应堆蒙特卡罗程序(RMC),利用数据分解方法对计数器数据并行存储,并与点燃耗并行耦合,实现计数器数据分解和燃耗数据分解的综合并行方法。对全堆基准题进行数值测试,结果表明综合并行方法可明显降低计算内存,验证了数据分解对蒙特卡罗大规模燃耗分析的有效性。     

基于堆外中子能谱测量的堆芯中子场反演方法

目前商用反应堆堆内采用的自给能探测器(Self-Powered Detector,SPD)可以实现堆芯中子通量分布的在线测量,但难以测量中子能谱。同时由于一些先进反应堆堆内服役环境更加恶劣,现有的堆内测量系统难以满足先进反应堆堆芯中子场在线测量的需求。本文提出了一种基于堆外中子能谱测量的堆芯中子场反演方法,通过正向中子输运计算构建堆芯相邻截断面之间的能谱响应矩阵,实现反应堆堆芯中子场的反演计算。通过采用两个简化的反应堆模型进行验证,其中对压力容器处反演的中子能谱与蒙特卡罗输运计算结果平均相对偏差约为14%,在外层燃料组件区域反演的中子能谱与蒙特卡罗输运计算结果平均相对偏差约为11%,初步验证了本方法的可行性。     

压水堆堆内中子探测器响应函数特性研究

中子探测器响应函数是中子探测器周边区域对其读数贡献的分布函数,是将反应堆物理数值模拟计算结果与探测器实际电流相结合的有效途径。本文对中子探测器响应函数的计算公式进行了推导,并采用蒙特卡罗方法计算堆内固定式中子探测器的响应函数。针对影响中子探测器响应函数的相关因素进行了数值分析,分析结果表明,对中子吸收特性影响较大的因素,如硼酸、控制棒、可燃毒物等,对中子探测器响应函数的影响较大,需在实际的反应堆监测中着重考虑,本文中未考虑的因素影响也可采用本文类似的方法进行研究分析。     

压水堆堆内中子探测器响应函数特性研究

中子探测器响应函数是中子探测器周边区域对其读数贡献的分布函数,是将反应堆物理数值模拟计算结果与探测器实际电流相结合的有效途径。本文对中子探测器响应函数的计算公式进行了推导,并采用蒙特卡罗方法计算堆内固定式中子探测器的响应函数。针对影响中子探测器响应函数的相关因素进行了数值分析,分析结果表明,对中子吸收特性影响较大的因素,如硼酸、控制棒、可燃毒物等,对中子探测器响应函数的影响较大,需在实际的反应堆监测中着重考虑,本文中未考虑的因素影响也可采用本文类似的方法进行研究分析。     

求解α本征值的中子噪声分析随机模拟方法研究

瞬发中子常数α本征值对核装置的设计和安全分析具有重要意义。为解决α本征值蒙特卡罗计算时存在的问题,提高计算精度,本文结合随机模拟特点,借鉴反应堆噪声分析实验测量的原理,提出了基于噪声分析模拟的α本征值随机计算方法。首先,采用基于广义半马尔科夫过程的离散事件蒙特卡罗模拟方法来模拟中子随机场的演化过程,得到了探测器处中子噪声序列。其次,利用参数自适应计算的中子噪声分析Rossi-α方法、方差-平均值比法、零概率法以及互相关分析法,对中子噪声序列分析,得到了α值。几种方法计算得到的α值相近,最大相对偏差为7.9%,表明求解α本征值的中子噪声分析随机模拟方法是可行的。     

CAP1400核电厂堆腔辐射漏束屏蔽设计研究

介绍了CAP1400 机组堆腔屏蔽设计特点,介绍了CAP1400 机组RPV区域堆腔中子屏蔽设计的分析方法、过程和关注事项.采用高精度的蒙特卡罗程序,建立精细化的反应堆厂房辐射场计算模型,基于先进的减方差技巧进行方案设计,对比分析堆腔屏蔽设置前后反应堆厂房辐射场变化,论证了设置中子屏蔽的必要性,最终实现CAP1400 ...     

中子Soller准直器摇动曲线的蒙特卡罗模拟和分析

中子Soller准直器是中子散射谱仪一种常用部件,主要用于限制中子束流的发散度,提高中子谱仪的分辨率。准直器的准直角是描述其性能的一项重要技术指标,通过摇动曲线的实验测量获得。本文基于实验测量需求和方法,利用中子射线追踪模拟蒙特卡罗程序McStas对中子Soller准直器摇动曲线实验测量过程进行了蒙特卡罗模拟计算,并对计算结果进行实验对比和解析分析。分析结果表明,模拟计算、实验数据和理论解析三者符合较好,验证了模拟方法的可行性。通过多方法结合来研究摇动曲线,可提高测量分析结果的可靠性,类似的方法也可扩展应用于其他中子光学部件的测试分析。     

数值堆材料辐照损伤并行动力学蒙特卡罗软件MISA-AKMC的设计与实现

材料辐照损伤模拟是数值堆软件的重要内容。原子动力学蒙特卡罗（AKMC）方法是研究核材料辐照行为的重要手段,可在保持原子级别精度下,有效地扩展模拟的时间尺度到秒甚至年量级。但在面向实际应用需求时,其仍面临内存限制和复杂的计算量等挑战。通过并行计算技术提升计算效率是解决这一挑战的有效手段。本文论述一款并行AKMC程序MISA-AKMC的设计原理与实现技术。MISA-AKMC实现了一种并行KMC模拟框架,重点包括sub-lattice并行算法的实现、加速优化方法、转发通信方法、KMC模型接口等。基于该框架,开发了空位-间隙的演化模型,可实现热老化模拟和析出模拟。通过并行性能测试获得了良好的并行性能,结合算例结果验证说明了MISA-AKMC的正确性和可靠性。     

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。     

蒙特卡罗程序并行计算研究

研究了MCNP程序并行化计算的实现,推导得到了蒙特卡罗程序并行计算的数据综合方法,并用实例验证了此方法的正确性。采用蒙特卡罗程序多CPU并行计算,可以成比例地提高计算效率。     

Monte Carlo methods for radiation transport analysis on vector computers

The development of advanced computers with special capabilities for vectorized or parallel calculations demands the development of new calculational methods. The very nature of the Monte Carlo process precludes direct conversion of old (scalar) codes to the new machines. Instead, major changes in global algorithms and careful selection of compatible physics treatments are required. Recent results for Monte Carlo in multigroup shielding applications and in continuous-energy reactor lattice analysis have demonstrated that Monte Carlo methods can be successfully vectorized. The significant effort required for stylized coding and major algorithmic changes is worthwhile, and significant gains in computational efficiency are realized. Speedups of at least twenty to forty times faster than CDC-7600 scalar calculations have been achieved on the CYBER-205 without sacrificing the accuracy of standard Monte Carlo methods. Speedups of this magnitude provide reductions in statistical uncertainties for a given amount of computing time, permit more detailed and realistic problems to be analyzed, and make the Monte Carlo method more accessible to nuclear analysts. Following overviews of the Monte Carlo method for particle transport analysis and of vector computer hardware and software characteristics, both general and specific aspects of the vectorization of Monte Carlo are discussed. Finally, numerical results obtained from vectorized Monte Carlo codes run on the CYBER-205 are presented.     

反应堆时空动力学蒙特卡罗改进准静态方法研究

改进准静态方法可采用大时间步,减少反应堆时空动力学问题的计算耗时。本文提出了蒙特卡罗改进准静态方法,将两种方法的优势结合,用于新型反应堆的时空动力学问题。基于改进准静态方法的理论框架,研究设计了伴随通量统计、动态参数统计和形状函数计算等相应的蒙特卡罗算法。针对一维两群问题,实现了相应的算法。与确定论程序计算结果的比较表明,蒙特卡罗改进准静态方法是可行的。     

基于JMCT的堆外核仪表系统刻度系数计算

以三维蒙特卡罗粒子输运程序JMCT为主要数值模拟工具,计算了某反应堆多个运行循环下的堆外核仪表系统（RPN）功率量程刻度系数。使用直接蒙特卡罗模拟方法、响应矩阵方法和伴随蒙特卡罗方法,得到了多组RPN刻度系数,通过这些系数计算出不同工况下的堆芯功率水平和轴向功率差,并与实测值进行了比对。结果表明,3种方法所得计算值与实测值的偏差均满足工程精度要求,其中伴随蒙特卡罗方法计算开销最小,验证了通过蒙特卡罗数值模拟得到RPN刻度系数的可行性。     

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。     

cosRMC复杂曲面开发及在聚变中子学的应用

中国聚变工程实验堆（CFETR）是我国自主设计和研制的重大科学工程,CFETR旨在与ITER相衔接和补充,为研制DEMO级别聚变堆电站提供必要的技术。蒙特卡罗方法在聚变中子学与屏蔽设计等方面具有重要作用。本文基于自主化蒙特卡罗程序cosRMC,研究了蒙特卡罗复杂曲面建模的数学模型和计算方法,开发了复杂曲面建模功能,并通过PPCS（power plant conceptual study）模型验证了该功能实现的正确性。然后构建了CFETR的三维精细化模型,并利用该模型对CFETR包层设计中的关键中子学参数进行计算分析。结果表明,cosRMC对中子学参数氚增殖比、中子壁载荷和核热沉积的计算结果与MCNP的计算值吻合良好,相对偏差均小于5%,满足工程设计需求。研究证明了cosRMC应用于聚变堆包层中子学分析的正确性和有效性。CFETR中子学参数的计算分析,也为其设计和优化提供了参考。