論文題目：蒙特卡羅光子輸運程序IMPC-Photon的開發及驗證
摘要：當前,中國自主化加速器驅動次臨界系統Ci ADS（China initiative Accelerator Driven System）已經得到了“十二五”國家重大科技基礎設施建設的支持,Ci ADS原理驗證裝置也已經處于開工建設階段。因此,根據中科院提出的加速器驅動的先進核能系統ADANES的發展規劃,開發并完善具有自主知識產權的適合于ADS系統專用的蒙特卡羅粒子輸運軟件系統是非常有必要的。本論文針對加速器驅動先進核能系統軟件研發和擴展的需求,自主開發了一款新的蒙特卡羅光子輸運程序IMPC-Photon,可滿足于加速器驅動的先進核能系統的光子輸運及屏蔽計算的需求。同時,對Open MC源碼進行修改,使其可以記錄并輸出由中子引發的光子源項,并提供給IMPC-Photon進行外耦合輸運計算。通過Open MC+IMPC-Photon外耦合的方式可以使自主開發的程序實際應用于反應堆中子-光子相關的計算,也為今后將IMPC-Photon與自主開發的中子輸運程序合并為中子-光子耦合輸運程序提供參考。IMPC-Photon是一款集幾何構建模塊、源粒子抽樣模塊、截面準備及加載模塊、粒子輸運模塊及統計模塊一體的可獨立運行的光子輸運程序。以XML文件格式作為標準輸入文件,采用固定源模式對光子進行輸運。程序內采用CSG實體幾何構建技術通過曲面拼接的方式實現三維空間幾何的構建。在進行源項加載時,采用源抽樣及外源文件讀入兩種方式實現純光子輸運計算及中-光子耦合輸運計算功能。同時,采用統一能量網格加速算法優化截面搜索和計算速度,提高程序運行效率。為了處理深穿透問題,添加了分裂與輪盤賭的減方差技術。程序內考慮了包括湯姆森散射、康普頓散射、光電效應和電子對效應在內的光子與物質的4種基本相互作用模型,以及可以產生次級光子的韌致輻射、正電子湮沒和原子位置馳豫等3種反應過程。通過以上理論描述光子與物質的碰撞、光子產生及消失的過程。目前,程序支持體通量、面流量及面通量等物理量進行統計。程序的驗證工作從統一能量網格和光子輸運能力兩個方面展開。首先,將統一能量網格下的H、O、Fe和U四種元素的截面與原始能量網格下的截面進行對比,驗證了統一能量網格的準確性。同時,基于無限均勻介質點光源基準題模型,選取包括水、石墨、硼、鉛和混凝土5種常用屏蔽材料作為反應介質,對統一能量網格下截面的計算時間和原始能量網格下截面的計算時間進行對比。結果表明,采用統一能量網格加工的截面與原始能量網格下的截面一致。在相同的計算條件下,當反應介質為水、混凝土以及以上5種材料的混合物時,統一能量網格下截面的計算時間較原始能量網格下截面的計算時間分別提升了77%、85%和87%。由此可以看出,采用統一能量網格在進行截面的加工和計算時,會大幅度減少計算時間,而且隨著介質元素個數的增加,計算效率提升的更加明顯。其次,為了驗證IMPC-Photon光子輸運能力,選取包括Open MC在內的兩個蒙卡程序進行對比驗證。計算了無限均勻介質點源基準題、Gamma-ray Skyshine實驗基準題、多層嵌套圓柱模型、雙球復雜材料模型及OECD/NEA快堆模型等5個基準算例的光子通量。結果表明,在相同計算條件下,IMPC-Photon的計算結果與參考程序符合較好,而且IMPC-Photon的計算結果優于Open MC的計算結果。同時,在Gamma-ray Skyshine實驗基準題中,IMPC-Photon的計算結果與參考文獻中給出的參考程序的計算結果和實驗測量值基本一致,且程序的計算時間與參考程序接近。論文中對Open MC程序內中子產生光子模塊的源代碼進行修改,通過對源粒子輸運過程進行追蹤,將中子引起的光子源項通過Open MP并行方式記錄并輸出于外源文件中,結合IMPC-Photon外源文件加載功能,通過外耦合的方式實現中子-光子耦合輸運計算。同時,在Open MC中添加分裂及俄羅斯輪盤賭的減方差技術,使耦合輸運計算程序可以求解屏蔽計算中的深穿透問題。并且,更改了Open MC程序中的次級粒子屬性,添加了曲面信息,使次級粒子的位置判定更準確,且節省了程序的運行時間。論文中選取OECD/NEA快堆基準題、SINBAD NEA-1517/74和NEA-1517/80基準題驗證Open MC+IMPC-Photon的中子-光子耦合輸運計算功能。結果表明,Open MC+IMPC-Photon中子-光子耦合輸運計算結果與Open MC等參考程序接近,計算結果可靠。綜上,自主開發的蒙特卡羅光子輸運程序IMPC-Photon的計算結果可靠,且優于唯一開源的、可以用于反應堆問題求解的Open MC的計算結果,可滿足于加速器驅動的先進核能系統的光子輸運及屏蔽計算的需求。同時,Open MC+IMPC-Photon中-光子耦合輸運計算功能的實現,為今后將IMPC-Photon與自主開發的中子輸運程序合并為中光子耦合輸運程序提供參考。
關鍵詞：加速器驅動次臨界系統;蒙特卡羅方法;光子輸運;中子-光子耦合輸運
學科專業：核能科學與工程
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景及意義
1.2 研究現狀
1.2.1 蒙特卡羅光子輸運程序研究現狀
1.2.2 ADS軟件系統程序研究現狀
1.3 論文內容
1.4 論文結構
第2章 光子與物質反應理論模型
2.1 光核反應
2.1.1 相干(湯姆森)散射
2.1.2 康普頓散射
2.1.3 光電效應
2.1.4 電子對效應
2.2 次級光子產生
2.2.1 原子馳豫
2.2.2 厚靶韌致輻射近似
2.2.3 正電子湮沒
2.3 本章小結
第3章 蒙特卡羅光子輸運程序IMPC-Photon開發
3.1 IMPC-Photon程序理論計算框架
3.2 幾何構建
3.2.1 與最近邊界面的距離計算
3.2.2 粒子所在柵元判定
3.2.3 面穿透處理
3.3 源粒子抽樣
3.3.1 角分布
3.3.2 能譜分布
3.4 統一能量網格法的數據庫制作及加載
3.5 光子輸運模塊方法研究
3.5.1 蒙特卡羅方法
3.5.2 光子輸運流程
3.5.3 徑跡長度抽取
3.5.4 碰撞靶核抽取
3.5.5 反應類型抽取
3.6 統計模塊設計
3.6.1 體通量統計
3.6.2 面流量統計
3.6.3 面通量統計
3.7 減方差技巧
3.8 本章小結
第4章 蒙特卡羅光子輸運程序IMPC-Photon的驗證及分析
4.1 基于統一能量網格法的截面驗證
4.2 IMPC-Photon光子輸運程序驗證
4.2.1 無限介質點光源基準題驗證
4.2.2 Gammy-ray skyshine實驗基準題驗證
4.2.3 多層嵌套圓柱模型驗證
4.2.4 雙球復雜材料模型驗證
4.2.5 OECD-NEA快堆模型驗證
4.3 本章小結
第5章 中子-光子耦合輸運計算功能驗證
5.1 中子引起的光子源產生方法
5.2 基準題驗證
5.2.1 OECD/NEA FAST REACTOR基準題驗證
5.2.2 SINBAD NEA-1517 基準題驗證
5.3 本章小結
第6章 總結與展望
6.1 論文工作總結
6.2 創新點
6.3 論文工作展望
參考文獻
致謝