基于自动重要抽样方法的减方差技巧体系构建与验证

屏蔽计算问题根据求解目标不同一般可分为源-探测器问题、区域问题和全局问题。MCShield研究团队针对3类问题中存在的深穿透问题提出了相应的减方差技巧,本文以此为基础构建了基于自动重要抽样(AIS)方法的减方差技巧体系,并开展了验证工作。针对源-探测器问题,采用NUREG/CR-6115 PWR压力容器计算基准题对小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法进行验证。结果表明,SDAIS方法的计算效率约为AIS方法的7倍。此外还提出并验证了基于AIS伴随蒙特卡罗的耦合减方差(AIS-CADIS)方法,将AIS方法引入到蒙特卡罗伴随计算中,取得了良好的效果。针对全局问题,提出网格化-AIS方法并使用简化反应堆屏蔽计算算例进行验证,结果表明,网格化-AIS方法的计算效率是AIS方法的12倍左右,是直接蒙特卡罗方法的290倍左右。

结合源偏倚和权窗的蒙特卡罗全局减方差方法

全局计数问题在反应堆pin-by-pin模型蒙特卡罗模拟和多物理耦合计算中动态粒子输运蒙特卡罗模拟等重大研究领域中都有广泛的应用场景.大量的全局减方差算法研究立足于全局计数误差分布的展平,由此提高全局计数的整体效率.本工作针对两种高效全局减方差算法,即均匀计数密度算法(属于源偏倚算法的一种)和权窗算法的结合展开研究,提出利用均匀计数密度算法的偏倚因子调整权窗下限,由此实现两种算法的有机结合.基于Hoogenboom-Martin压水堆全堆基准题中开展了一系列对比测试,验证了混合全局减方差算法更优于单一权窗算法或均匀计数密度算法,尤其是在降低最大误差方面.同时,基于新的指标,验证了均匀计数密度算法较经典的均匀裂变源算法具有更好的表现.研究结果表明,本文提出的混合全局减方差算法能高效求解全局计数问题,进一步促进了相关领域的研究.

全局减方差方法在大空间γ辐射场计算中的应用

为了提高大空间γ辐射场全局计算效率,开展了全局减方差(Global Variance Reduction,GVR)方法在大空间γ辐射场计算中的应用研究。针对计数栅元/网格体积差异造成的过度分裂问题,引入体积修正因子修改全空间权窗参数。体积修正后的基于通量的GVR方法计算的全局品质因子(FOMG)比直接模拟提高约39倍。针对非计数区计算耗时问题,提出了非计数区修正方法,使得FOMG因子进一步提高40%。在引入体积和非计数区修正的基础上,在大空间γ辐射场计算中与基于粒子误差、权重、径迹、数目、能量、碰撞和通量的7种GVR方法进行对比。结果表明:7种GVR方法计算的FOMG因子比直接模拟提高2~3个量级,基于误差的标准差σ降低2~3个量级;而基于权重的GVR方法计算的FOMG因子比直接模拟提高2304倍,在所有GVR方法中减方差效果最好。在基于通量的GVR方法中引入光滑因子SI后,模拟计算的权窗下限随SI增加而减小,FOMG因子随SI的增加先增加后减小。当SI=0.8时,该方法计算的FOMG因子最大,比直接模拟提高3246倍。

角度相关共轭函数的蒙卡自动减方差算法研究

一致性共轭驱动重要抽样(CADIS)方法是目前广泛采用的自动减方差方法,该方法采用共轭标通量密度来一致性生成减方差参数,但缺乏角度偏倚信息,在处理角通量密度各向异性强的屏蔽问题时加速效果受到限制。本文基于CADIS-Ω方法,以多维离散纵标输运计算程序ARES为载体,开发角度相关减方差参数计算模块,构造正向加权重要性函数,自动生成角度相关源偏倚参数与权窗参数,弥补现有减方差参数在角度信息上的缺失,为蒙卡求解强各向异性深穿透屏蔽问题提供匹配度更高的自动减方差参数。采用IRI-TUB国际基准题进行验证。数值结果表明,CADIS-Ω方法能够在保证结果无偏的情况下获得较CADIS方法更优的加速效果。初步验证可说明CADIS-Ω方法对于复杂的强各向异性深穿透问题具有较好的应用前景。

深穿透屏蔽计算中MCNP减方差技巧应用及比较

在中子输运的深穿透屏蔽计算中,采用有效的MCNP减方差技巧可以有效缩减计算时间提高计算效率。以一维聚变反应堆(CFETR)平板模型作为深穿透屏蔽计算实例,分别应用了几何分裂与轮盘赌、源偏倚、强迫碰撞、权窗、指数变换等减方差技巧,对各种减方差技巧应用过程中遇到的如中子平分布问题,全零权窗问题等问题,进行了分析总结,并在此基础上提出了针对深穿透问题的新的解决思路。通过不同方法分析和组合,获得了权窗和指数变换的最佳组合,使计算效率加速了162倍。

蒙特卡罗模拟CFETR中子输运计算中的全局减方差方法应用及对比

在具有全局特性的蒙特卡罗输运精细计算的问题中,传统的MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)局部减方差方法很难得到理想的计算结果,全局减方差方法(Global Variance Reduction,GVR)则是一种有效的解决方法。针对中国聚变工程试验反应堆(Chinese Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)的中子输运过程中减小全局方差的问题,将多种形式的GVR方法应用到柱状CFETR中子学模型的计算中。依据不同的中子分布信息,在算例中应用和对比了6种不同形式的GVR权窗,并对不同GVR方法的品质因子(FOMG)、标准差(σ)和有效计数率(Scoring)进行了分析。与AN(MCNPanalog method)相比,GVR方法的FOMG有很大的增长,误差在空间的分布也更加平缓,且具有更高的Scoring。在前人提出的全局减方差的基础上,在计算中应用一些新的GVR形式(能量、径迹数等),计算结果表明,基于中子通量的GVR方法的全局计算效率较AN提高了6.43倍。此外,基于中子能量的全局减方差方法也是一种可行的GVR应用形式,其与AN比较,计算效率提高了5.11倍。综上,基于中子通量的GVR方法具有最佳的全局减方差效果。

基于自动网格划分与权窗平滑的自适应减方差方法

如何更高效发挥减方差的作用是蒙特卡罗方法在先进核能系统屏蔽分析应用中的研究热点之一。本文发展了一种基于自动网格划分与权窗平滑的自适应减方差方法,在蒙特卡罗和确定论耦合的一致性伴随驱动的重要性抽样方法(Consistent Adjoint Driven Importance Sampling,CADIS)基础上,利用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)自动转换和自由程自动划分SN网格,通过确定论方法伴随预计算,实现基于伴随通量的区域权窗参数自动配置,并对伴随通量变化剧烈区域进行权窗平滑处理,保证了粒子在不同区域的有效偏倚,进一步提高计算的效率,从而解决大空间蒙特卡罗计算难以收敛的问题。该方法已初步应用于中国铅基反应堆(China Lead-based Reactor,CLEAR)堆顶盖的屏蔽计算分析,该案例具有结构复杂、屏蔽材料厚重的特点,测试结果表明本方法将计算效率提高近10倍。

深贯穿问题脉冲高度计数减方差技巧

在处理核测井、辐射防护以及核医学等深贯穿问题时简单使用无偏方法会导致计算时间长且误差大。较新版本的MCNP程序在进行脉冲高度计数时可使用多种减方差技巧。本文使用蒙特卡罗程序代码MCNP5 1.51对包括Mesh-based权窗在内的多种减方差技巧的计算效率进行测试研究,旨在寻求较好的脉冲高度减方差技巧(Pulse height variance reduction techniques,PHVRT)来解决深贯穿问题中计数效率低的问题。计算表明使用DX球配合强迫碰撞生成的权窗可大幅提高计算效率,对各参数进行优化后又可进一步大幅度提高计算效率。最终得出使用Mesh-based权窗配合其他减方差技巧可以很好解决深贯穿问题计算效率低问题。

300~#研究堆安全棒中子注量率计算中的减方差方法对比及应用

针对300#研究堆安全棒顶端中子注量率计算中的小体积远距离中子输运问题,采用MCNP减方差方法,通过多次试算与验证计算,对比了各减方差方法在本问题中的适用情况,得到了符合误差要求的计数值。首先,根据本研究堆几何建模模型,选取了点探测器及相关的3种减方差方法进行对比计算,计算结果显示:随着粒子数的增加,计算呈现不稳定现象,未起到减方差的作用。之后,将原有几何模型重新分层建模,并分配适当的栅元重要性,将中子引向目标栅元。按此方法,通过检查中子在各栅元中的径迹及碰撞情况,并增加粒子数计算,得到的计数结果表明:计数相对误差在5%以内,品质因子保持稳定,实现了减方差的目的。

蒙特卡罗粒子输运权窗减方差方法研究及在ITER屏蔽分析中应用

屏蔽问题是聚变中子学研究密切关注的问题,蒙特卡罗粒子输运中的权窗减方差技术是处理屏蔽计算深穿透难题的重要方法。本文对权窗减方差方法开展研究,并在超级蒙特卡罗计算软件SuperMC中实现。先采用混凝土基准例题进行校验,再将该方法应用于国际热核聚变实验堆ITER的屏蔽分析,计算结果和MCNP进行对比,符合偏差要求,通过权窗减方差的应用,计算效率也有明显提升,证明了方法和程序的正确性和有效性。

基于蒙特卡罗正算输运的全局减方差方法

蒙特卡罗方法是当前形势下辐射屏蔽计算的首选分析工具。小概率深穿透问题则是屏蔽计算的关键与亟待解决的核心问题,需要使用有效的减方差技巧。针对全局问题,利用蒙特卡罗正算输运得到的粒子通量或探测响应来构建权重窗参数,将现有的粒子位置偏移拓展到位置和能量偏倚。利用国际屏蔽基准题进行测试验证,通过使用该方法,粒子被引导到模型的所有位置。平均相对误差降低到10%以下,几乎所有网格区域都有粒子统计。结果表明,基于蒙特卡罗正算输运的输运偏倚参数构建方法能够实现全局减方差。

用于厚屏蔽小探测器的蒙特卡罗模拟减方差方法研究

反应堆屏蔽计算中经常出现厚屏蔽、小探测器问题,常规蒙特卡罗方法难以有效解决。基于自动重要抽样(AIS)方法,本文提出了小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法,并针对小探测器问题,优化了AIS方法的虚粒子赌分裂算法。该方法在自主开发的蒙特卡罗屏蔽程序MCShield上进行了实现。使用NUREG/CR-6115 PWR基准题验证该方法的正确性和计算效率。结果表明,SDAIS方法可有效地解决厚屏蔽小探测器问题,相比AIS方法及传统的重要性方法,计算效率提升1~2个量级。

中子及次级γ在高空长距离蒙特卡罗输运模拟中的减方差方法

针对利用蒙特卡罗方法直接模拟计算中子及次级γ在高空大气中大空间长距离输运时遇到的有效粒子数太少、计算时间长及计算误差大等问题,建立了中子及次级γ在高空非均匀大气输运的几何模型,模拟了瞬发中子及次级γ在高空中长距离输运过程,并针对粒子输运特性开展了相应的减方差方法研究。通过对源偏倚、几何分裂、强迫碰撞、权窗、指数变换和DXTRAN球等减方差方法的比较研究发现,综合应用源偏倚、几何分裂和DXTRAN球的方法可有效降低中子及次级γ模拟结果的相对偏差,FOM因子分别提高了39倍和13倍。在此基础上,加入合理设置参数的时间分裂算法可进一步降低计算中子及次级γ时间谱的相对偏差。研究结果表明,综合应用源偏倚、几何分裂和DXTRAN球组合方法可得到20~40 km范围内的中子及次级γ射线注量,相对偏差小于1%,且FOM因子随粒子数的增加而趋于稳定。

网格权窗减方差技术及其在聚变堆屏蔽分析中应用研究

在聚变堆辐射屏蔽计算中,如何有效解决深穿透问题是近年来国际聚变辐射安全领域关注的焦点之一。针对该问题,本文研究了直角坐标系与圆柱坐标系下基于网格的权窗减方差技术。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC实现了该方法,并选取减方差技巧的基准例题进行测试与分析,初步得出"粗划真空或密度很小的区域、细分密度大的区域"的网格划分规律,能有效提高网格权窗计算效率。基于该规律对聚变屏蔽基准问题进行对比分析,新的网格划分与原始网格划分的计算效率相比,FOM因子提高了1.92倍。减方差技巧的基准例题和聚变屏蔽基准问题计算中,SuperMC通量计算结果与MCNP相比偏差均在0.5%以下,证明了本文中方法的正确性。

基于权窗的全局减方差方法中“长历史”问题的研究与改进

在具有全局特性的蒙特卡罗粒子输运计算中,常采用基于权窗的全局减方差方法,由此引起的"长历史"问题使计算效率大大降低。为了提高蒙特卡罗计算效率,减小计算资源的浪费,本文对"长历史"的成因及解决方案进行了研究。通过研究中国聚变工程试验反应堆(Chinese Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)中子输运计算中"长历史"的事件记录文件,提出了"长历史"的成因与粒子连续在轮盘赌中存活有关,针对此成因提出了通过粒子在轮盘赌中存活的次数来限制粒子分裂的解决方法,并通过CFETR模型对这个方法进行了测试。结果显示,次数限取1-4时,并行效率达到80%,无"长历史"出现,品质因子(pFoMG)达到不采用次数限时的约3倍。综上,采用这种方法可以有效克服"长历史"问题,使全局减方差方法的计算效率明显提升。

全局减方差方法的HBR-2基准题应用

对于深穿透类型的屏蔽问题,在合理的时间内计算得到可信的结果对于蒙特卡罗(MC)方法是一个巨大的挑战。基于离散纵标(S_N)方法的局部和全局减方差方法能有效降低MC计算深穿透问题的计数误差。本文基于HBR-2基准题比较了全局减方差方法和局部减方差方法的计算效率。结果表明,对于HBR-2基准题,局部和全局减方差方法均取得了较好的结果。全局减方差方法1次计算即可同时优化辐照监督管和堆外探测器的计数,因此实际应用更加方便和高效。

全局减方差方法在乏燃料干式贮存容器屏蔽计算中的应用

开发了基于离散纵标(S_N)方法的蒙特卡罗(MC)全局减方差方法,针对乏燃料干式贮存容器,分别建立了中子源及光子源MC直接计算模型、S_N计算模型及全局减方差方法计算模型,并进行了计算精度和效率的比较。数值结果表明,全局减方差方法计算结果与无偏的MC及S_N计算结果相比吻合良好。其中S_N计算的次级光子剂量率与全局减方差方法计算的偏差较大,这主要是由于MC计算和S_N计算时的数据库差异导致的。和无偏的MC结果相比,全局减方差方法计算的中子及次级光子输运计算收敛效率提高了近2个数量级,初级光子输运计算收敛效率提高了1～2个数量级。

多种减方差技术在电子辐照加速器屏蔽计算中的组合应用效果评估

减方差技术是辐射防护、核医学、核探井等应用领域中解决深穿透问题的常用方法。当前减方差技术的研究基本基于简单理论几何模型,缺少在实际复杂模型上的讨论,本文以实际应用的电子辐照加速器整体系统为研究的几何模型,以屏蔽后的剂量为计算目标。比较了电子和不同辐照物质相互作用时产生次级光子能量谱和方向谱的差异,并以蒙特卡罗程序MCNP5(Monte Carlo N Particle Transport Code)为平台详细研究对比了几何分裂、源偏倚、指数衰减、分步输运、DXTRAN球和权窗等常见减方差技术在单独使用和不同组合使用下的实际效果,评估了具有实用性减方差技术的选择和组合。结果表明:辐照物质对次级光子的方向谱影响很大,出于建模有效性考虑,几何模型应尽量贴合实际,不能过分简化;分步输运和源偏倚相比于其它常规减方差技术可以更好地降低计算误差,它们和几何分裂、DXTRAN球和指数衰减组合使用时,可以进一步降低计算误差,有效提高结果的可信度;权窗相对于常规减方差技术具有更好的计算效率和客观性,以权窗、分步输运和源偏倚为基础,再组合其他减方差技术,可以很好地解决实际应用中复杂模型的深穿透问题。

内照射小器官剂量计算中减方差技巧的比较和应用

在用人体模型计算内照射比吸收分数的Monte Carlo模拟中,对小尺寸、远距离器官的计算结果通常精度不够,可信度差,这就要求采用减方差技巧。该文采用一个简单模型比较了直接模拟和区域粒子分裂-轮盘赌、强迫碰撞与DXTRAN球、指向概率强迫碰撞3种减方差技巧的效果。结果表明指向概率强迫碰撞方法能更有效解决此类问题。利用中国人体数学模型,选择一组典型的源靶器官对,计算了一个实例,得到了可信度高的吸收分数值并体现了指向概率强迫碰撞方法的优越性。

求解深穿透问题的能量偏倚减方差方法

采用堆用蒙特卡罗程序(RMC)进行反应堆屏蔽计算时,面临着深穿透的技术难题。通过分析中子在屏蔽层中的输运过程,证明了各能群的中子都满足穿透率守恒。在RMC中开发了基于穿透率守恒的自适应局部减方差方法,该方法可以快速计算出指数重要性函数和等梯度重要性函数,对中子的空间位置和能量值同时进行偏倚,高效地求解出深穿透区域的能谱分布。用工程常用的混凝土和水屏蔽层进行测试,计算结果证明:该方法可以高效地求解深穿透问题,提高RMC的计算效率。