反应堆高保真蒙特卡罗粒子输运模拟加速方法研究

摘要

蒙特卡罗方法能够精细描述和处理反应堆物理过程，是反应堆高保真粒子输运模拟的重要工具，但其收敛速度慢是固有的理论缺陷，成为工程实际应用中的突出障碍。反应堆高保真粒子输运模拟要求得出精细且全局收敛的计算结果，存在大尺度、深穿透、厚屏蔽以及几何、材料分布不均匀等问题，会导致全局收敛速度不均匀，达到收敛耗时极长;另一方面，裂变堆分析中还存在裂变源分布不均匀，计数器数量巨大等问题。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC，针对上述问题，进行加速方法的研究。主要内容及创新如下:
　　1)针对反应堆高保真粒子输运模拟中全局收敛速度慢问题，发展了基于相空间粒子密度均匀性的自适应优化全局计算效率的全局权窗产生器，将粒子均匀输运到整个模型空间以加速全局收敛。在全局减方差方法的基础上，本文进一步研究了全局-局部耦合收敛加速方法:将全局权窗作为计算输入的一部分，可显著提升传统的权窗产生器的收敛加速效果。以乏燃料储存池模型进行测试，与直接模拟相比，全局计算时衡量计算收敛速度的品质因子(FOM)提升千余倍;对所选取的局部计数目标的FOM提升百余倍。
　　2)针对裂变堆全堆芯模拟收敛速度不均匀的问题，本文发展了一种全局权窗产生器-裂变源均匀化耦合加速方法:一方面根据裂变源均匀化方法初步实现临界源粒子的均匀分布，同时应用全局权窗产生器实现对输运过程的偏倚;另一方面，裂变源均匀化方法可根据源粒子密度分布偏倚源粒子的初始权重，使其与全局权窗的参数相适应，从而进一步提高了计算效率。对Hoogenboom全堆基准例题的测试表明，与直接模拟相比，热群通量分布的计算FOM提升约30倍，快群通量分布的计算FOM提升约20倍。
　　3)针对大规模计数问题，本文发展了一种基于计数辅助树的大规模计数方法，建立了与几何栅元一一对应的树形结构，并在节点中存储了相应栅元的计数信息，通过当前粒子所在栅元的几何信息从树中快速读出对应的计数器。对Hoogenboom例题全堆芯六百万栅元进行计数时，计数耗时仅为输运耗时的4％，与传统遍历查找计数方法比，显著提高了计算效率。
　　为了验证本文方法对实际反应堆工程模型的适用性，采用了ITER发布的C-Lite基准模型与压水堆基准模型BEAVRS进行了验证。与直接模拟相比，该方法使得C-Lite模型屏蔽计算FOM因子提高百余倍，BEAVRS模型通量分布计算FOM提升约10～20倍，说明了本文发展的方法在实际工程应用中具有明显的加速效果。

目录

声明

摘要

图索引

表索引

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 核能发展背景

1．1．2 高保真反应堆蒙特卡罗粒子输运模拟面临的挑战

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标和内容

1．4 论文结构安排

第二章 蒙特卡罗粒子输运基本理论

2．1 蒙特卡罗粒子输运模拟方法

2．1．1 蒙特卡罗输运模拟方法

2．1．2 蒙特卡罗计数方法

2．2 蒙特卡罗收敛加速方法

2．2．1 蒙特卡罗方法计算精度与效率

2．2．2 基本减方差方法

2．2．3 全局减方差方法

2．3 小结

第三章 基于粒子密度均匀性的全局减方差方法研究

3．1 基于粒子密度均匀性的全局收敛加速方法

3．1．1 增强学习算法思想

3．1．2 相空间栅元重要性计算

3．1．3 长历史效应的处理

3．2 基于全局权窗的局部收敛加速方法

3．2．1 线性组合权窗产生器

3．2．2 基于全局权窗的局部权窗优化

3．3 数值验证

3．4 小结

第四章 全局权窗产生器-裂变源均匀化耦合加速方法研究

4．1．1 裂变源均匀化算法

4．1．2 全局权窗产生器与裂变堆收敛加速

4．1．3 全局权窗产生器-裂变源均匀化耦合加速方法

4．2 数值验证

4．2．1 Hoogenboom反应堆全堆基准例题描述

4．2．2 测试结果与分析

4．3 小结

第五章 大规模计数方法研究

5．1 非重复结构模型计数加速方法

5．2 重复结构模型大规模计数方法

5．2．1 重复结构描述

5．2．2 基于计数辅助树的计数加速方法

5．2．3 内存优化

5．3 数值验证

5．4 小结

第六章 高保真反应堆输运模拟中的应用

6．1 聚变堆全堆屏蔽分析应用

6．1．1 ITFR C-Lite例题描述

6．1．2 计算结果与分析

6．2 裂变堆全堆芯计算应用

6．2．1 BEAVRS反应堆基准例题描述

6．2．2 计算结果与分析

6．3 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．1．1 主要内容

7．1．2 创新点

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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