一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法技术

本发明专利技术公布了一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，首先基于CAD模型对几何复杂度进行分析，结合物理特性，将几何复杂的区域划分为MC粒子输运计算区域，几何简单的区域划分为确定论粒子输运计算区域，并根据物理特性在两个区域之间创建过渡区域并设置过渡区域厚度；粒子输运计算中，蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域进行蒙特卡罗粒子输运计算，确定论区域与过渡区域进行确定论计算，通过多次迭代计算，达到两种计算下过渡区域的计算结果吻合，实现两种计算的无缝耦合。本发明专利技术通过过渡层的设置与多次迭代计算保证了最终计算结果的正确性，提供了一种大尺度反应堆屏蔽分析的有效粒子输运计算方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种粒子输运计算方法，一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，用于核物理、核技术应用等领域中的反应堆屏蔽分析。
技术介绍
目前粒子输运模拟方法中常用的有确定论方法与概率论方法(蒙特卡罗(MC)方法)，两种方法各有优缺点。确定论方法是通过数值方法解输运方程，计算速度快，但无法处理复杂几何，且处理过程中存在多种近似与假设，计算精度随问题复杂度急剧降低。MC方法通过模拟真实粒子在材料中与物质相互作用与输运的过程，对感兴趣的区域进行统计得到结果，计算精度高，而且能够处理复杂几何。但MC方法本身存在收敛慢的缺点，而且在统计粒子数非常低的区域，计算结果不可信。在反应堆屏蔽分析中，分析模型中心区域(堆芯)几何非常复杂，外围区域几何简单，但尺寸非常大，而且存在厚屏蔽层或孔隙等情况。MC方法可以对堆芯的复杂几何进行精确模拟，但在外围厚屏蔽层区域，由于粒子穿透厚屏蔽层的概率极低，厚屏蔽层后统计到的粒子数极少，无法保证统计结果的正确性，在孔隙、大空间等情况中，MC方法存在类似由于统计数极低导致最终结果不正确的问题。因此，MC方法无法应用于尺度较大的反应堆屏蔽分析问题中。确定论方法虽然能够计算反应堆屏蔽分析中堆芯外围几何简单的区域，但无法处理堆芯的复杂几何，计算精度较差。因此，目前在大尺度的反应堆屏蔽分析中，缺乏有效精准的粒子输运模拟方法。结合MC方法与确定论方法的优点，MC与确定论耦合输运计算是对大尺度的反应堆屏蔽计算分析的一种有效的方法。目前，MC与确定论耦合输运计算存在的问题主要有以下两种：第一，MC与确定论计算区域的划分依靠人工分析，手动进行(如文献《节块法与蒙特卡罗方法耦合计算研究》、《基于离散纵标法与蒙特卡罗方法的三维耦合程序开发》)，但人工手动划分需要用户具有丰富的计算分析经验，而且划分容易出错。第二，如何保证MC与确定论两种不同计算区域间的无缝耦合是个难点问题，常用的是两个区域直接耦合，只考虑两个区域交界面源的转换，而不设置任何过渡区域(如专利《一种基于蒙特卡罗方法与特征线方法耦合的计算辐射屏蔽的方法》与文献《节块法与蒙特卡罗方法耦合计算研究》、《基于离散纵标法与蒙特卡罗方法的三维耦合程序开发》)，造成两种计算下交界面的计算结果不一致，无法实现两种计算间的无缝耦合，导致交接面后的计算出现较大的错误；也有部分研究采用在MC与确定论输运计算区域间设置过渡区域的，但对过渡区域如何设置、源如何转换、如何计算保证两种计算在过渡区域结果基本一致实现无缝的耦合，尚在研究阶段。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：本专利技术的目的在于解决已有蒙特卡罗与确定论耦合方法的人工手动区域划分依赖用户经验且容易出错的问题，并改善由于两种计算简单直接的耦合导致的计算结果容易出错的问题。本专利技术提出一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，可以自动划分不同计算区域，而且通过过渡层的设置，以及在不同区域的多次迭代计算，提高计算精度。本专利技术的技术方案如下：一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，首先基于CAD模型对几何复杂度进行分析，结合物理特性，将几何复杂的区域划分为蒙特卡罗粒子输运计算区域，几何简单的区域划分为确定论粒子输运计算区域，并根据物理特性在两个区域之间创建过渡区域。粒子输运计算中，蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域进行蒙特卡罗粒子输运计算，确定论区域与过渡区域进行确定论计算，通过多次迭代计算，达到两种计算下过渡区域的计算结果基本一致，实现两种计算的无缝耦合。如图1所示，具体包括以下步骤：步骤(1)确定论与蒙特卡罗粒子输运区域初步自动划分：(11)根据粒子输运计算需要的计算模型，生成对应的CAD模型；(12)解析步骤(11)得到的CAD模型，自动分析模型的几何复杂度与物理特性，将计算区域划分为蒙特卡罗粒子输运区域与确定论粒子输运区域，具体实现过程如下：a)首先，直接基于CAD模型，采用立方体、球或者圆柱包围盒，对包围盒内的复杂面进行统计，得到模型的几何复杂度分布；b)计算复杂度为x(初始值由用户指定或者程序默认设置为模型最大复杂度的0.3-0.7倍)的包围盒表面到源的距离，根据材料中粒子输运的平均自由程，得到包围盒表面的粒子输运的最大衰减系数w；c)比较w与给定的衰减系数限值w0(由用户自己设置，或者程序内默认设置为0.001-0.000001)，如w>w0，则选取复杂度为x的包围盒表面作为蒙特卡罗与确定论粒子输运计算的交接面，复杂度大于x的区域采用蒙特卡罗粒子输运计算，复杂度小于x的区域采用确定论粒子输运计算；如w<w0，则将x增大y％(y由用户自己设置，或者程序内默认设置为0.1-0.5)，重复步骤(b)，x增大指定次数(10-20)后，若依然w<w0，则停止，选取复杂度为x的包围盒表面作为蒙特卡罗与确定论粒子输运计算的交接面，复杂度大于x的区域采用蒙特卡罗粒子输运计算，复杂度小于x的区域采用确定论粒子输运计算；步骤(2)创建过渡区域与最终确定论输运区域确定：(21)在粒子输运计算所需要的计算模型中，以步骤(1)得到的两种计算区域的交界面作为过渡区域的表面；(22)自动分析步骤(21)中得到的过渡区域的表面处栅元的物理特性，计算包围盒表面处的最大中子输运平均自由程，以N(N取1-3)个最大中子输运平均自由程为过渡区域的厚度，在步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域，创建过渡区域；(23)步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域减去(22)中得到的过渡区域，作为最终的确定论粒子输运区域；步骤(3)无缝耦合计算：(31)在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域进行蒙特卡罗粒子输运模拟，得到粒子在该区域的通量与在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(32)以步骤(31)中得到的蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量作为源，对确定论粒子输运区域与过渡区域进行确定论粒子输运计算，得到粒子在该区域的通量与在确定论粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(33)对比步骤(31)与(32)中两种计算得到的过渡区域的通量，当在过渡区域所有计数中两种通量计算结果的偏差dlt均小于给定的偏差阈值dlt0(dlt0取0.0001-0.01)，则表明两种计算下过渡区域的计算结果基本一致，实现了两种计算的无缝耦合，进行步骤(34)；如果dlt不小于dlt0，将确定论粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量作为新增的反射源，转入步骤(31)再次进行计算；(34)合并(31)中蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的通量计算结果与(32)中得到的确定论粒子输运区域的通量计算结果，得到全空间的粒子通量。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，可以根据模型的几何复杂度与物理特性自动的划分蒙特卡罗与确定论粒子输运计算区域，通过蒙特卡罗与确定论方法的耦合，可以解决厚屏蔽、深穿透、大尺度的反应堆屏蔽分析情况下蒙特卡罗方法无法得到有效精准的计算结果的问题。(2)根据几何与物理特性自动创建过渡层，通过迭代计算，实现两种计算区域数据场的连续平滑，实现两种计算的无缝耦合，保证最终计算结果的正确性。附图说明图1为本专利技术方法实现流程图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，其特征在于包括以下步骤：(1)确定论与蒙特卡罗粒子输运区域初步自动划分；(11)根据粒子输运计算需要的计算模型，生成对应的CAD模型；(12)解析步骤(11)得到的CAD模型，自动分析模型的几何复杂度与物理特性，将计算区域划分为两个区域，分别采用蒙特卡罗方法与确定论方法进行粒子输运模拟，记为蒙特卡罗粒子输运区域与确定论粒子输运区域；(2)过渡区域创建与最终确定论粒子输运区域确定；(21)在粒子输运计算所需要的计算模型中，以步骤(1)得到的两种计算区域的交界面作为过渡区域的表面；(22)自动分析步骤(21)中得到的过渡区域的表面处栅元的物理特性，计算包围盒表面处的最大中子输运平均自由程，以N个最大中子输运平均自由程为过渡区域的厚度，在步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域，创建过渡区域；(23)步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域减去(22)中得到的过渡区域，作为最终的确定论粒子输运区域；(3)无缝耦合计算；(31)在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域进行蒙特卡罗粒子输运模拟，得到粒子的通量与在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(32)以步骤(31)中得到的蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分作为源，对确定论粒子输运区域与过渡区域进行确定论粒子输运计算，得到粒子的通量与在确定论粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(33)对比步骤(31)与(32)中两种计算得到的过渡区域的通量，当两种通量计算结果的相对偏差小于给定的偏差阈值dlt0时，表明两种计算的计算结果基本一致，实现了两种计算的无缝耦合，则进行步骤(34)；否则将确定论粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量作为新增的边界源，转入步骤(31)；(34)合并步骤(31)中蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的通量计算结果与(32)中得到的确定论粒子输运区域的通量计算结果，得到全空间的粒子通量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于过渡区域的蒙特卡罗与确定论耦合粒子输运方法，其特征在于包括以下步骤：(1)确定论与蒙特卡罗粒子输运区域初步自动划分；(11)根据粒子输运计算需要的计算模型，生成对应的CAD模型；(12)解析步骤(11)得到的CAD模型，自动分析模型的几何复杂度与物理特性，将计算区域划分为两个区域，分别采用蒙特卡罗方法与确定论方法进行粒子输运模拟，记为蒙特卡罗粒子输运区域与确定论粒子输运区域；(2)过渡区域创建与最终确定论粒子输运区域确定；(21)在粒子输运计算所需要的计算模型中，以步骤(1)得到的两种计算区域的交界面作为过渡区域的表面；(22)自动分析步骤(21)中得到的过渡区域的表面处栅元的物理特性，计算包围盒表面处的最大中子输运平均自由程，以N个最大中子输运平均自由程为过渡区域的厚度，在步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域，创建过渡区域；(23)步骤(1)中得到的确定论粒子输运区域减去(22)中得到的过渡区域，作为最终的确定论粒子输运区域；(3)无缝耦合计算；(31)在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域进行蒙特卡罗粒子输运模拟，得到粒子的通量与在蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(32)以步骤(31)中得到的蒙特卡罗粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分作为源，对确定论粒子输运区域与过渡区域进行确定论粒子输运计算，得到粒子的通量与在确定论粒子输运区域与过渡区域的交界面的面积分流量；(33)对比步骤(31)与(32)中两种计算得到的过渡区域的通量，当两种通量计算结果的相对偏差小于给定的偏差阈值dlt0时，表明两种计算的计算结果基本一致，实现了两种计算的无缝耦合，则进行步骤(34...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宜灿，胡丽琴，龙鹏程，郝丽娟，宋婧，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34