發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 03:59

　　 蒙特卡羅方法能夠精細(xì)描述和處理反應(yīng)堆物理過程,是反應(yīng)堆高保真粒子輸運(yùn)模擬的重要工具,但其收斂速度慢是固有的理論缺陷,成為工程實(shí)際應(yīng)用中的突出障礙。反應(yīng)堆高保真粒子輸運(yùn)模擬要求得出精細(xì)且全局收斂的計(jì)算結(jié)果,存在大尺度、深穿透、厚屏蔽以及幾何、材料分布不均勻等問題,會(huì)導(dǎo)致全局收斂速度不均勻,達(dá)到收斂耗時(shí)極長:另一方面,裂變堆分析中還存在裂變源分布不均勻,計(jì)數(shù)器數(shù)量巨大等問題。本文基于超級蒙卡核模擬軟件系統(tǒng)SuperMC,針對上述問題,進(jìn)行加速方法的研究。主要內(nèi)容及創(chuàng)新如下:1)針對反應(yīng)堆高保真粒子輸運(yùn)模擬中全局收斂速度慢問題,發(fā)展了基于相空間粒子密度均勻性的自適應(yīng)優(yōu)化全局計(jì)算效率的全局權(quán)窗產(chǎn)生器,將粒子均勻輸運(yùn)到整個(gè)模型空間以加速全局收斂。在全局減方差方法的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步研究了全局-局部耦合收斂加速方法:將全局權(quán)窗作為計(jì)算輸入的一部分,可顯著提升傳統(tǒng)的權(quán)窗產(chǎn)生器的收斂加速效果。以乏燃料儲(chǔ)存池模型進(jìn)行測試,與直接模擬相比,全局計(jì)算時(shí)衡量計(jì)算收斂速度的品質(zhì)因子(FOM)提升千余倍;對所選取的局部計(jì)數(shù)目標(biāo)的FOM提升百余倍。2)針對裂變堆全堆芯模擬收斂速度不均勻的問題,本文發(fā)展了一種全局權(quán)窗產(chǎn)生器-裂變源均勻化耦合加速方法:一方面根據(jù)裂變源均勻化方法初步實(shí)現(xiàn)臨界源粒子的均勻分布,同時(shí)應(yīng)用全局權(quán)窗產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)對輸運(yùn)過程的偏倚;另一方面,裂變源均勻化方法可根據(jù)源粒子密度分布偏倚源粒子的初始權(quán)重,使其與全局權(quán)窗的參數(shù)相適應(yīng),從而進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。對Hoogenboom全堆基準(zhǔn)例題的測試表明,與直接模擬相比,熱群通量分布的計(jì)算FOM提升約30倍,快群通量分布的計(jì)算FOM提升約20倍。3)針對大規(guī)模計(jì)數(shù)問題,本文發(fā)展了一種基于計(jì)數(shù)輔助樹的大規(guī)模計(jì)數(shù)方法,建立了與幾何柵元一一對應(yīng)的樹形結(jié)構(gòu),并在節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了相應(yīng)柵元的計(jì)數(shù)信息,通過當(dāng)前粒子所在柵元的幾何信息從樹中快速讀出對應(yīng)的計(jì)數(shù)器。對Hoogenboom例題全堆芯六百萬柵元進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí),計(jì)數(shù)耗時(shí)僅為輸運(yùn)耗時(shí)的4%,與傳統(tǒng)遍歷查找計(jì)數(shù)方法比,顯著提高了計(jì)算效率。為了驗(yàn)證本文方法對實(shí)際反應(yīng)堆工程模型的適用性,采用了 ITER發(fā)布的C-Lite基準(zhǔn)模型與壓水堆基準(zhǔn)模型BEAVRS進(jìn)行了驗(yàn)證。與直接模擬相比,該方法使得C-Lite模型屏蔽計(jì)算FOM因子提高百余倍,BEAVRS模型通量分布計(jì)算FOM提升約10～20倍,說明了本文發(fā)展的方法在實(shí)際工程應(yīng)用中具有明顯的加速效果。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL329.2
【部分圖文】：

１．１．１核能發(fā)展背景??能源是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，全球能源需求隨著社會(huì)的持續(xù)發(fā)展而不斷??增加，預(yù)計(jì)總消費(fèi)量在２０１４年到２０３５年間將增長３４％Ｗ。另一方面，近百年來??世界能源結(jié)構(gòu)對化石能源的嚴(yán)重依賴也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。如何最優(yōu)化能源??結(jié)構(gòu)達(dá)到人類社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)間的平衡，是全世界所面臨的共同挑戰(zhàn)。??２０１６年４月２２日，１７０多個(gè)國家共同簽署了己黎協(xié)定，制定了全球氣溫控制的??＂硬指標(biāo)＂，即與工業(yè)化之前的氣溫水平相比，將氣溫提升控制在２攝氏度Ｗ內(nèi)。??要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)需要加速發(fā)展低碳能源，大幅降低能源結(jié)構(gòu)中化石能源所占比例。??國際能源署（ｉＷｅｒｎａｔｉｏｎａｌ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ａｇｅｎｃｙ，圧Ａ）發(fā)布的２攝氏度計(jì)劃（２°Ｃ?Ｓｃ州ａｒｉｏ，??２ＤＳ）?Ｗ中設(shè)計(jì)了到２０５０年的電力供應(yīng)演化（如圖１．１所示），其中核能的電力??供應(yīng)在２０５０年將提升到７０００?ＴＷｈ，占全球總供電的１７％。由于２ＤＳ計(jì)劃中所??涉及的部分技術(shù)的可行性與推廣性還缺乏實(shí)證，在世界核能協(xié)會(huì)（ＷｏｒｌｄＮｕｃｌｅａｒ??Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，?ＷＮＡ）所發(fā)布的《Ｗｏｒｌｄ?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?Ｒｅｐｏｒｔ?２０１６》報(bào)告口］??中估計(jì)到２０５０年核能將提供全球２５％的電力供應(yīng)。??????—?－—???—?－?

蒙特卡羅方法能夠得到更精確的輸運(yùn)計(jì)算結(jié)果，但其主要缺陷之一在于計(jì)算??耗時(shí)極長。這一方面體現(xiàn)在對厚屏蔽、深穿透問題的蒙卡模擬。比如對于一個(gè)通??量衰減達(dá)到十個(gè)數(shù)量級的源－點(diǎn)探測器問題，假設(shè)每個(gè)粒子模擬耗時(shí)為１毫秒，??則需要長達(dá)１０００天的計(jì)算才會(huì)有１０個(gè)左右的粒子達(dá)到探測器。而在反應(yīng)堆的設(shè)??計(jì)中為了保證人員和設(shè)備的福射安全，需要設(shè)置很厚的屏蔽層，這為蒙卡輸運(yùn)模??擬帶來了困難，在聚變堆的屏蔽分析中顯得尤為突出。ＩＴＥＲ?（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ??Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?Ｒｅａｃｔｏｒ）國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的屏蔽分析為例［５］，??一方面其計(jì)算模型的空間尺寸巨大，高度和直徑約為３０ｍ；屏蔽極厚，從等離子??體源到生物屏蔽層的中子通量衰減超過１０個(gè)數(shù)量級。另一方面由于實(shí)驗(yàn)和維修??的需求，需要計(jì)算堆內(nèi)維修空間（如圖１．２?Ｆ１－Ｆ５所示）的停堆劑量，Ｗ保證工??作人員的安全。停堆劑量的計(jì)算首先需要求取全堆收斂的通量分布Ｗ獲取衰變光??子源分布，其計(jì)算開銷更是遠(yuǎn)大于一般的源－點(diǎn)探測器問題。??除了深穿透問題，蒙特卡羅方法的計(jì)算耗時(shí)還來源于高保真反應(yīng)堆模擬的精??度要求。２００３年Ｋｏｒｄ?Ｓｍｉｔｈ教授Ｗ曾做出估計(jì)：典型的裂變堆堆芯包括２００個(gè)??

??與虛擬仿真云計(jì)算為易用性特色。Ｓ叩ｅｒＭＣ的功能架構(gòu)如圖２．１所示。??ｔ?■?????－－－??????Ｊ??凡恆每謂Ｉ?可緩撕Ｓ??ｍｍｍｍ?｜?：?ｓｆ＾９�。蓿樱樱螅耍遥�?ｉ?ｍｍｍ??抱，Ｉ層，風(fēng)??＂Ｖ＾??ｉ??＾??ｍｍｍ?ｊ?ｓｔ惟誦?］??圖２．１?ＳｕｐｅｒＭＣ功能架構(gòu)圖??Ｓ叩ｅｒＭＣ經(jīng)過２００余人年的持續(xù)研發(fā)，已發(fā)展成為具有１００余萬行代碼的??軟件系統(tǒng)。已通過２０００多個(gè)國際基準(zhǔn)模型與實(shí)驗(yàn)的校驗(yàn)，包括國際臨界安全基??準(zhǔn)評價(jià)實(shí)驗(yàn)（ＩＣＳＢＥＰＰＳＩ）、屏蔽積分實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)庫（ＳＩＮＢＡＤ）的正確性驗(yàn)證，Ｗ??及聚變堆［５７］?（ＩＴＥＲ［５８－５９］、ＦＤＳ－ＩＩ［６ｇ－６２］等）、快堆（ＩＡＥＡ－ＢＮ６００、ＩＡＥＡ－ＡＤＳ?等）、??壓水堆（ＢＥＡＶＲＳ、ＨＭ等）、國際反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)評價(jià)手冊（ＩＲＰｈＥＰ）等的反??應(yīng)堆綜合應(yīng)用驗(yàn)證。Ｓ叩ｅｒＭＣ己經(jīng)在全球５０多個(gè)國家、３０余個(gè)國際重大核工程??項(xiàng)目中獲得重要應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了我國核能軟件走出國口并獲得國際規(guī)�；瘧�(yīng)用??認(rèn)可。??２．１．１蒙特卡羅輸運(yùn)模擬方法??蒙特卡羅方法被廣泛應(yīng)用于數(shù)值模擬，尤其是多自由度的復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值模??擬。蒙特卡羅方法泛指通過重復(fù)隨機(jī)抽樣來求取數(shù)值解的計(jì)算方法：通過生成偽??隨機(jī)數(shù)來進(jìn)行隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，從而測量隨機(jī)變量的值。與直接求解輸運(yùn)方程的確定論??方法相比
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本文編號：2855430