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三维蒙特卡罗—离散纵标双向耦合屏蔽计算方法研究

韩静茹  
【摘要】:辐射屏蔽设计对核设施的安全性和经济性至关重要,选取合适的屏蔽计算方法是保证屏蔽系统设计质量的关键。单一的离散纵标法(SN)或蒙特卡罗方法(MC)分别在处理复杂几何模型和深穿透问题上存在局限性,难以提供可靠的计算结果。随着先进核能系统的研究发展,对辐射屏蔽计算速度和精度提出了更高的要求。为了有效解决同时具有复杂几何和深穿透特点的复杂屏蔽问题,结合SN和MC方法优势的耦合屏蔽计算方法成为首选。为了快速精确地解决大型核设施复杂屏蔽计算难题,本文提出开展三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法研究,并通过程序实现耦合屏蔽计算环,灵活用于核设施复杂屏蔽计算。 首先,本文研究了直角坐标系和圆柱坐标系下的三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法。对源粒子飞行方向与离散角度的三维映射方法开展了研究,并研制出接口程序实现了三维蒙特卡罗-离散纵标耦合方法在直角坐标系和圆柱坐标系中的应用;对三维离散纵标-蒙特卡罗耦合方法进行了全面研究,通过开发三维粒子角通量密度分布到源粒子概率密度分布函数的三维映射算法及源抽样方法,实现直角坐标系和圆柱坐标系下三维离散纵标-蒙特卡罗多面耦合计算。 其次,开发了三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合屏蔽计算程序。耦合程序以蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法为基础,可以实现蒙特卡罗和离散纵标方法之间的不同耦合方式。本文通过直角坐标系和圆柱坐标系下的简单测试模型对MC-SN、SN-MC和MC-SN-MC三种不同的耦合程序进行了测试计算,并与单一的蒙特卡罗程序MCNP和离散纵标程序TORT计算结果进行比较。结果吻合良好,初步证明了蒙特卡罗-离散纵标双向耦合程序系统的正确性和可行性。 为了验证耦合程序系统在复杂模型计算中的有效性,本文选取美国核管会发布的基准题分别对蒙特卡罗-离散纵标和离散纵标-蒙特卡罗耦合计算进行基准验证。将三维蒙特卡罗-离散纵标耦合程序MCNP-TORT用于布鲁克海文国家实验室提供的NUREG/CR-6115压水堆屏蔽计算。三维蒙特卡罗-离散纵标耦合方法计算结果与基准报告提供的结果符合良好,验证了该方法处理屏蔽问题的有效性和相应耦合程序使用的正确性。选取橡树岭国家实验室提供的美国HBR-2基准实验例题对TORT-MCNP耦合程序进行了基准校核计算。TORT-MCNP耦合程序计算结果与实验值及文献参考值符合良好,验证了三维离散纵标-蒙特卡罗耦合方法及程序在大型核装置屏蔽计算中的精确性和有效性。 最后,将三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合方法用于某反应堆堆坑三维屏蔽计算。通过MC-SN-MC两步耦合计算,给出堆坑通道及小室内的中子和光子通量分布。同时采用MCNP程序进行计算,结果与耦合计算结果吻合较好。表明三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合程序系统可以快速有效地解决大尺寸复杂几何系统内的输运问题。 本文研究了三维蒙特卡罗-离散纵标双向耦合计算方法,并完成了相应计算程序系统的开发与验证,充分发挥蒙特卡罗方法模拟复杂几何和离散纵标方法解决深穿透问题的优势,提高屏蔽计算的速度及精度。该耦合屏蔽计算方法对先进核系统屏蔽设计研究具有重要意义,为精确有效地解决复杂屏蔽问题提供了有力工具。


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