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基于蒙特卡罗-确定论耦合方法的探测器响应高置信度模拟
2020-02-12   审核人:

需求背景

核电厂和一些辐射装置需要在屏蔽层内外设置探测器。准确高效的探测器响应计算,有利于指导屏蔽装置、辐照装置设计和监测功率等。探测器的应用场景如下:

1) 堆内探测器,用于监测堆芯精细功率分布以及三维全堆功率重构;

2) 堆外探测器,用于启堆和功率运行期间堆芯中子注量率水平和轴向功率偏移的监测;

3) 其他各类辐射装置,用于探测特定位置特定能量段的响应。

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探测器响应计算的核心是对于给定辐射屏蔽装置,根据源分布、几何、材料,进行粒子输运计算。常规辐射装置的粒子输运计算,主要考虑中子和光子。对于粒子输运计算,一般分为两大类方法。确定论方法和蒙特卡罗方法,其中确定论中最常用的方法是离散纵标方法。针对于辐射装置中的各类探测器响应的计算,存在以下难点:

1) 离散纵标方法一般适应于典型规则几何或典型能谱,并且离散纵标方法对角度的离散会带来射线效应;

2) 蒙特卡罗方法几何描述能力强,计算精度高,但对于探测器相应计算,问题规模大,从源的位置到探测器的位置,通量下降超过7个数量级,探测器体积较小,且不同探测器一般对特定的一段能量区间敏感,蒙特卡罗方法存在小概率深穿透问题,投入大量粒子计算结果仍然偏低。

 解决方案

自主开发的蒙特卡罗-确定论耦合粒子输运计算程序MCX,用于探测器计算,解决装置的几何复杂性,适应各类装置的能谱复杂性。蒙特卡罗-确定论耦合方法计算流程如图 1所示,用户首先对计算的问题进行建模,MCX根据模型自动生成离散纵标程序计算所需的网格,根据材料和多群屏蔽核数据库生成多群宏观截面,然后调用离散纵标程序进行共轭计算。如果需要计算多个探测器,在共轭计算之前,先进行前向输运计算,采用前向通量对共轭源进行偏倚。根据共轭通量,生成权窗参数和源偏倚参数,蒙特卡罗程序利用模型、权窗参数、源偏倚参数和连续能量截面进行粒子输运计算,得到探测器响应。

MCX计算探测器响应的优势如下:

1) 采用蒙特卡罗-确定论耦合方法,结合两种方法的优点,效率和精度均高于单独的蒙特卡罗方法或者确定论方法;

2) 用户使用方便,只需要采用CSG几何进行建模,不需要划分计算网格,不需要填写经验性的减方差参数;

3) 千核并行效率90%,能够高效计算大规模问题;


图 1蒙特卡罗-确定论耦合方法计算流程

应用结果

采用MCX和MCNP程序计算压水堆屏蔽问题,俯视图如图 2所示。采用蒙特卡罗方法和蒙特卡罗-确定论耦合方法计算的通量分布如图 3所示,直接采用蒙特卡罗方法进行模拟,通量较低的位置没有统计值,蒙特卡罗-确定论耦合方法能够得到准确的统计值。辐照监督管和中子剂量仪的能谱如图 4和图 5所示,MCX采用蒙特卡罗-确定论耦合方法,MCNP采用权窗自动生成技巧。在高能量段,相比于MCX,MCNP的统计方差较大,统计值偏低。对于该问题,MCX计算探测器相应的精度和效率高于MCNP。

(a) 俯视图

3E64

(b) 侧视图

图 2 HBR-2布置图

(a) MCX蒙特卡罗方法直接模拟

(b) MCX蒙特卡罗-确定论耦合方法

图 3 蒙特卡罗方法直接模拟和蒙特卡罗-确定论耦合方法模拟得到的中子通量分布对比

图 4 辐照监督管的中子能谱

图 5 中子剂量仪的中子能谱

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