论文题目：蒙特卡罗光子输运程序IMPC-Photon的开发及验证
摘要：当前,中国自主化加速器驱动次临界系统Ci ADS（China initiative Accelerator Driven System）已经得到了“十二五”国家重大科技基础设施建设的支持,Ci ADS原理验证装置也已经处于开工建设阶段。因此,根据中科院提出的加速器驱动的先进核能系统ADANES的发展规划,开发并完善具有自主知识产权的适合于ADS系统专用的蒙特卡罗粒子输运软件系统是非常有必要的。本论文针对加速器驱动先进核能系统软件研发和扩展的需求,自主开发了一款新的蒙特卡罗光子输运程序IMPC-Photon,可满足于加速器驱动的先进核能系统的光子输运及屏蔽计算的需求。同时,对Open MC源码进行修改,使其可以记录并输出由中子引发的光子源项,并提供给IMPC-Photon进行外耦合输运计算。通过Open MC+IMPC-Photon外耦合的方式可以使自主开发的程序实际应用于反应堆中子-光子相关的计算,也为今后将IMPC-Photon与自主开发的中子输运程序合并为中子-光子耦合输运程序提供参考。IMPC-Photon是一款集几何构建模块、源粒子抽样模块、截面准备及加载模块、粒子输运模块及统计模块一体的可独立运行的光子输运程序。以XML文件格式作为标准输入文件,采用固定源模式对光子进行输运。程序内采用CSG实体几何构建技术通过曲面拼接的方式实现三维空间几何的构建。在进行源项加载时,采用源抽样及外源文件读入两种方式实现纯光子输运计算及中-光子耦合输运计算功能。同时,采用统一能量网格加速算法优化截面搜索和计算速度,提高程序运行效率。为了处理深穿透问题,添加了分裂与轮盘赌的减方差技术。程序内考虑了包括汤姆森散射、康普顿散射、光电效应和电子对效应在内的光子与物质的4种基本相互作用模型,以及可以产生次级光子的韧致辐射、正电子湮没和原子位置驰豫等3种反应过程。通过以上理论描述光子与物质的碰撞、光子产生及消失的过程。目前,程序支持体通量、面流量及面通量等物理量进行统计。程序的验证工作从统一能量网格和光子输运能力两个方面展开。首先,将统一能量网格下的H、O、Fe和U四种元素的截面与原始能量网格下的截面进行对比,验证了统一能量网格的准确性。同时,基于无限均匀介质点光源基准题模型,选取包括水、石墨、硼、铅和混凝土5种常用屏蔽材料作为反应介质,对统一能量网格下截面的计算时间和原始能量网格下截面的计算时间进行对比。结果表明,采用统一能量网格加工的截面与原始能量网格下的截面一致。在相同的计算条件下,当反应介质为水、混凝土以及以上5种材料的混合物时,统一能量网格下截面的计算时间较原始能量网格下截面的计算时间分别提升了77%、85%和87%。由此可以看出,采用统一能量网格在进行截面的加工和计算时,会大幅度减少计算时间,而且随着介质元素个数的增加,计算效率提升的更加明显。其次,为了验证IMPC-Photon光子输运能力,选取包括Open MC在内的两个蒙卡程序进行对比验证。计算了无限均匀介质点源基准题、Gamma-ray Skyshine实验基准题、多层嵌套圆柱模型、双球复杂材料模型及OECD/NEA快堆模型等5个基准算例的光子通量。结果表明,在相同计算条件下,IMPC-Photon的计算结果与参考程序符合较好,而且IMPC-Photon的计算结果优于Open MC的计算结果。同时,在Gamma-ray Skyshine实验基准题中,IMPC-Photon的计算结果与参考文献中给出的参考程序的计算结果和实验测量值基本一致,且程序的计算时间与参考程序接近。论文中对Open MC程序内中子产生光子模块的源代码进行修改,通过对源粒子输运过程进行追踪,将中子引起的光子源项通过Open MP并行方式记录并输出于外源文件中,结合IMPC-Photon外源文件加载功能,通过外耦合的方式实现中子-光子耦合输运计算。同时,在Open MC中添加分裂及俄罗斯轮盘赌的减方差技术,使耦合输运计算程序可以求解屏蔽计算中的深穿透问题。并且,更改了Open MC程序中的次级粒子属性,添加了曲面信息,使次级粒子的位置判定更准确,且节省了程序的运行时间。论文中选取OECD/NEA快堆基准题、SINBAD NEA-1517/74和NEA-1517/80基准题验证Open MC+IMPC-Photon的中子-光子耦合输运计算功能。结果表明,Open MC+IMPC-Photon中子-光子耦合输运计算结果与Open MC等参考程序接近,计算结果可靠。综上,自主开发的蒙特卡罗光子输运程序IMPC-Photon的计算结果可靠,且优于唯一开源的、可以用于反应堆问题求解的Open MC的计算结果,可满足于加速器驱动的先进核能系统的光子输运及屏蔽计算的需求。同时,Open MC+IMPC-Photon中-光子耦合输运计算功能的实现,为今后将IMPC-Photon与自主开发的中子输运程序合并为中光子耦合输运程序提供参考。
关键词：加速器驱动次临界系统;蒙特卡罗方法;光子输运;中子-光子耦合输运
学科专业：核能科学与工程
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状
1.2.1 蒙特卡罗光子输运程序研究现状
1.2.2 ADS软件系统程序研究现状
1.3 论文内容
1.4 论文结构
第2章 光子与物质反应理论模型
2.1 光核反应
2.1.1 相干(汤姆森)散射
2.1.2 康普顿散射
2.1.3 光电效应
2.1.4 电子对效应
2.2 次级光子产生
2.2.1 原子驰豫
2.2.2 厚靶韧致辐射近似
2.2.3 正电子湮没
2.3 本章小结
第3章 蒙特卡罗光子输运程序IMPC-Photon开发
3.1 IMPC-Photon程序理论计算框架
3.2 几何构建
3.2.1 与最近边界面的距离计算
3.2.2 粒子所在栅元判定
3.2.3 面穿透处理
3.3 源粒子抽样
3.3.1 角分布
3.3.2 能谱分布
3.4 统一能量网格法的数据库制作及加载
3.5 光子输运模块方法研究
3.5.1 蒙特卡罗方法
3.5.2 光子输运流程
3.5.3 径迹长度抽取
3.5.4 碰撞靶核抽取
3.5.5 反应类型抽取
3.6 统计模块设计
3.6.1 体通量统计
3.6.2 面流量统计
3.6.3 面通量统计
3.7 减方差技巧
3.8 本章小结
第4章 蒙特卡罗光子输运程序IMPC-Photon的验证及分析
4.1 基于统一能量网格法的截面验证
4.2 IMPC-Photon光子输运程序验证
4.2.1 无限介质点光源基准题验证
4.2.2 Gammy-ray skyshine实验基准题验证
4.2.3 多层嵌套圆柱模型验证
4.2.4 双球复杂材料模型验证
4.2.5 OECD-NEA快堆模型验证
4.3 本章小结
第5章 中子-光子耦合输运计算功能验证
5.1 中子引起的光子源产生方法
5.2 基准题验证
5.2.1 OECD/NEA FAST REACTOR基准题验证
5.2.2 SINBAD NEA-1517 基准题验证
5.3 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 创新点
6.3 论文工作展望
参考文献
致谢