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用于蒙特卡罗屏蔽深穿透计算的弥散源级联降方差方法研究

王雪晴 吕焕文 杨洪润

王雪晴, 吕焕文, 杨洪润. 用于蒙特卡罗屏蔽深穿透计算的弥散源级联降方差方法研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 42-48. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080052
引用本文: 王雪晴, 吕焕文, 杨洪润. 用于蒙特卡罗屏蔽深穿透计算的弥散源级联降方差方法研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 42-48. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080052
Wang Xueqing, Lyu Huanwen, Yang Hongrun. Study on Diffusion Source Cascade Variance Reduction Method for Monte Carlo Deep-penetration Shielding Calculation[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 42-48. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080052
Citation: Wang Xueqing, Lyu Huanwen, Yang Hongrun. Study on Diffusion Source Cascade Variance Reduction Method for Monte Carlo Deep-penetration Shielding Calculation[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 42-48. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080052

用于蒙特卡罗屏蔽深穿透计算的弥散源级联降方差方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080052
详细信息
    作者简介:

    王雪晴(1999—),女,助理工程师,现主要从事反应堆辐射防护研究,E-mail: drsi-d70101@npic.ac.cn

    通讯作者:

    吕焕文, E-mail: drsi-d70101@npic.ac.cn

  • 中图分类号: TL329.2

Study on Diffusion Source Cascade Variance Reduction Method for Monte Carlo Deep-penetration Shielding Calculation

  • 摘要: 提出了一种用于蒙特卡罗屏蔽深穿透计算的弥散源级联降方差方法。该方法的核心思想是通过多层局部相空间的响应关系级联获取全局的降方差参数分布。该方法首先通过弥散源计算相邻相空间之间的与空间和能量相关的通量响应因子,随后从源空间向外逐层正向级联获得全局预估通量分布,再从计数空间反向级联获取重要性分布,最终生成一致性的源偏倚参数和权窗参数。该方法通过局部蒙特卡罗前置计算获取降方差参数,因此无需迭代,可有效降低迭代时间成本,提高计算效率。将该方法应用于单探测器问题和多探测器问题,与蒙特卡罗直接计算的计算值符合良好,品质因子相比直接计算提升了约2~4个数量级。同时,将结果与典型降方差方法(MAGIC方法和CADIS方法)的计算效果进行对比,数值结果表明,弥散源级联方法的整体降方差效果更优,可满足屏蔽深穿透问题的需求。

     

  • 图  1  弥散源级联方法原理示意图

    $\varPhi $—实际通量;$ g $—通量响应因子。

    Figure  1.  Schematic Diagram of Diffusion Source Cascade Method

    图  2  弥散源级联方法流程示意图

    Figure  2.  Flowchart of Diffusion Source Cascade Method

    图  3  多层空间结构1/8示意图

    Figure  3.  1/8 Schematic Diagram of Multi-layer Space Structure

    图  4  空心铁球模型示意图

    Figure  4.  Schematic Diagram of Hollow Iron Ball Model

    表  1  弥散源级联降方差方法各步骤计算时间

    Table  1.   CalculationTime for Each Step of Diffusion Source Cascade Method

    前置弥散
    源计算时间/min
    级联计算
    过程时间/min
    最终正式
    计算时间/min
    总时间/min
    3.86×10−1 16.20 2.03×102 2.20×102
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    表  2  不同计算方法得到FOM对比

    Table  2.   Comparison of FOM Obtained by Different Calculation Method

    计算方法直接计算Booth方法弥散源级联方法
    FOM1.93×10−11.1820.70
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    表  3  不同方法计算HBR-2基准题的计算时间

    Table  3.   Time of Different Methods in Calculating HBR-2 Benchmarking Problem

    计算方法权窗获取
    计算时间/min
    最终正式
    计算时间/min
    总时间/min
    直接计算03.31×1053.31×105
    MAGIC方法1.12×1034.03×1044.14×104
    弥散源级联降方差方法6.11×1021.05×1031.66×103
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    表  4  HBR-2屏蔽问题计算中辐照监督管的归一化剂量(rem)和相对标准偏差

    Table  4.   Normalized Dose (rem) and Relative Standard Deviation of Surveillance Capsule in HBR-2 Shielding Problem

    计算方法 参数 237Np(n,f)137Cs 238U(n,f)137Cs 58Ni(n,p)58Co 54Fe(n,p)54Mn 46Ti(n,p)46Sc 63Cu(n,α)60Co
    直接计算 归一化剂量 2.73×10−33 3.61×10−34 1.06×10−34 7.80×10−35 1.03×10−35 5.13×10−37
    相对标准偏差 5.80×10−3 8.90×10−3 1.22×10−2 1.32×10−2 2.18×10−2 3.13×10−2
    MAGIC方法 归一化剂量 2.72×10−3 3.55×10−34 1.03×10−34 7.52×10−35 9.89×10−36 5.66×10−37
    相对标准偏差 1.08×10−2 1.28×10−2 1.60×10−2 1.72×10−2 2.36×10−2 3.10×10−2
    弥散源级联降方差方法 归一化剂量 2.76×10−33 3.64×10−34 1.06×10−34 7.75×10−35 1.03×10−35 5.97×10−37
    相对标准偏差 9.00×10−4 1.00×10−3 1.20×10−3 1.30×10−3 2.10×10−3 3.00×10−3
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    表  5  HBR-2屏蔽问题计算中堆外活化探测片的归一化剂量(rem)和相对标准偏差

    Table  5.   Normalized Dose (rem) and Relative Standard Deviation of Ex-core Detector in HBR-2 Shielding Problem

    计算方法 参数 237Np(n,f)137Cs 238U(n,f)137Cs 58Ni(n,p)58Co 54Fe(n,p)54Mn 46Ti(n,p)46Sc 63Cu(n,α)60Co
    直接计算 归一化剂量 1.08×10−34 5.75×10−36 1.10×10−36 7.16×10−37 4.37×10−38 2.21×10−39
    相对标准偏差 4.69×10−2 1.31×10−1 1.89×10−1 2.24×10−1 4.39×10−1 7.95×10−1
    MAGIC方法 归一化剂量 9.87×10−35 4.22×10−36 8.98×10−37 5.91×10−37 7.52×10−38 4.45×10−39
    相对标准偏差 2.47×10−2 2.79×10−2 2.78×10−2 3.21×10−2 5.01×10−2 7.28×10−2
    弥散源级联降方差方法 归一化剂量 9.50×10−35 3.98×10−36 8.55×10−37 5.65×10−37 7.54×10−38 4.86×10−39
    相对标准偏差 2.46×10−2 1.88×10−2 1.32×10−2 1.37×10−2 1.53×10−2 1.78×10−2
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    表  6  HBR-2屏蔽问题计算中辐照监督管的FOM对比

    Table  6.   FOM Comparasion of Surveillance Capsule in HBR-2 Shielding Problem

    计算方法 237Np(n,f)137Cs 238U(n,f)137Cs 58Ni(n,p)58Co 54Fe(n,p)54Mn 46Ti(n,p)46Sc 63Cu(n,α)60Co
    直接计算 9.00×10−2 3.80×10−2 2.00×10−2 1.70×10−2 6.40×10−3 3.10×10−3
    MAGIC方法 2.07×10−1 1.47×10−1 9.43×10−2 8.16×10−2 4.33×10−2 2.51×10−2
    CADIS方法 188.00 60.00 37.00 32.80 10.60 4.75
    弥散源级联降方差方法 7.43×102 6.02×102 4.18×102 3.56×102 1.36×102 66.9
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    表  7  HBR-2屏蔽问题计算中堆外活化探测片的FOM对比

    Table  7.   FOM Comparasion of Ex-core Detector in HBR-2 Shielding Problem

    计算方法 237Np(n,f)137Cs 238U(n,f)137Cs 58Ni(n,p)58Co 54Fe(n,p)54Mn 46Ti(n,p)46Sc 63Cu(n,α)60Co
    直接计算 1.40×10−3 1.70×10−4 8.50×10−5 6.00×10−5 1.60×10−5 4.80×10−6
    MAGIC方法 3.96×10−2 3.10×10−2 3.12×10−2 2.34×10−2 9.62×10−3 4.56×10−3
    CADIS方法 19.10 1.17 6.14×10−1 4.89×10−1 4.47×10−2 4.34×10−3
    弥散源级联降方差方法 9.94×10−1 1.70 3.45 3.21 2.57 1.90
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-30
  • 修回日期:  2024-10-22
  • 刊出日期:  2025-08-15

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