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蒙特卡罗屏蔽计算的复杂几何建模及减方差技术初步研究

申靖文  
【摘要】:蒙特卡罗方法(简称蒙卡方法)作为解决粒子输运问题的两种重要方法之一,与确定论方法相比具有几何建模精细、物理过程高保真的优点。随着人们对核设施辐射场屏蔽计算精确性要求的不断提高,蒙特卡罗粒子输运程序在辐射场屏蔽计算得到越来越广泛的应用。计算机技术的飞速发展也为蒙卡程序的广泛应用提供了硬件上的支持。本文以自主化蒙卡程序cosRMC为依托,结合蒙特卡罗方法在工程应用中的实际需求,在固定源屏蔽计算中的几何建模及减方差方面展开研究。自主化蒙卡程序cosRMC早先是一款针对堆芯临界计算的蒙卡程序,因此,其几何建模功能可以实现对诸如反应堆堆芯、组件等不包含复杂几何曲面的模型进行建模。但对于辐射屏蔽计算问题中的一些复杂几何模型,cosRMC目前的几何建模功能仍然存在一定的局限性。此外,对于屏蔽计算中常见的典型难点问题,如具有深穿透特性的问题、小概率探测问题等,这些问题的共性即粒子通量在输运过程中的大幅度衰减所导致的统计结果难收敛,这时候就有必要使用一些减方差方法。cosRMC程序已具备初步的栅元重要性、权窗等减方差方法,但对于某些需要求解全局通量分布的问题仍然具有局限性。因此,本文工作主要针对cosRMC在复杂几何建模以及屏蔽计算中减方差方法使用方面存在的不足展开研究。首先,对cosRMC程序的几何建模模块进行拓展完善,使其具备对一些高阶曲面如圆环面、抛物面、双曲面等的描述能力。然后,对这些高次曲面进行从简单到复杂的模型验证,并对所有的模型进行对比验证。结果表明,对于包含高阶曲面的几何模型,其通量的计算结果,与相同模型、相同设置下参考程序的计算值符合良好,从而证明了本文复杂几何建模功能的正确性。其次,针对cosRMC程序中权窗产生器功能在解决屏蔽计算中典型的深穿透问题时的局限性,实现了一种基于蒙卡正向输运及通量统计的全局减方差方法。并构造了一个二维的固定源深穿透计算模型,使用这种全局减方差方法实现了对整个模型全局通量分布的计算,计算结果表明,使用这种全局减方差方法进行迭代计算后整个模型的零计数栅元占比迅速减少,验证了该全局减方差方法的有效性。最后,本文首先选取中国聚变工程实验堆CFETR三维模型,使用cosRMC程序对其进行精细建模,并针对聚变包层设计中关注的重要的中子学参数,包括氚增值比、中子壁载荷以及核热沉积展开计算分析。结果表明,cosRMC程序的计算结果与参考程序的计算值吻合良好,能够满足CFETR的工程设计需求。此外,使用本文开发的全局减方差方法对CFETR的一维模型进行了全局通量分布的计算,通过迭代得到了整个模型的通量分布,用于评价计算效率的品质因子FOMGVR增大了2.76倍。通过CFETR三维及一维模型的测试验证,进一步证明了本文开发的复杂几何建模及减方差功能在实际问题中的适用性和准确性。


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