蒙特卡罗减方差方法研究及其在聚变反应堆中的应用

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中国聚变工程试验堆(CFETR)的相关中子学计算的需求日益增长,其中包括高分辨率、高计算强度的辐射输运计算和停堆剂量率计算。在大型和复杂的反应堆几何形状中,屏蔽材料加速了中子的衰减,使得很少的初始源粒子离开真空容器输运到远离等离子体源的空间网格中。减方差方法作为一种有效的解决方法,可以偏倚模拟输运的概率,而在感兴趣的区域中发生更多的采样事件。在中子输运的深穿透屏蔽计算中,以一维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、强迫碰撞、权窗等减方差技巧,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。通过不同方法的分析和组合,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。然而,局部减方差方法难以处理全局的方差减少问题。全局减方差方法是全局蒙特卡罗粒子输运问题的有效解决途径。该方法使用相关的中子信息构建偏倚参数。在本文中,开发并应用了全局减方差程序。柱状CFETR模型用于比较各种形式的全局减方差方法。结果表明,基于通量的全局减方差方法可以使模型各处得到更可靠的统计结果,计算效率是直接模拟的7.43倍。此外,还使用了基于网格的中子通量的全局减方差方法来模拟三维CFETR模型的全局中子运输问题。通过十次权窗迭代,系统的粒子被均匀分布,并得到充分采样。所有栅元均有计数,平均相对误差在权窗迭代的最终步骤中降低为2.4%。当在复杂和庞大的模型中应用全局减方差权窗时,真空间隙和深穿透效应会造成长历史问题。该问题会严重地延长蒙特卡罗模拟的计算时间,并恶化并行效率。在本研究中提出了一种限制权窗分裂作用的方法。当权窗分裂的次数达到某一限值时,权窗分裂就会关闭。MCNP的权窗功能被修改,并在dog-leg模型和三维CFETR模型上进行了测试和验证。结果显示该方法的一个合适的FWWS参数可以最优化全局减方差和并行效率,有效缓解了长历史现象。
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