一種基于自由程預(yù)處理的權(quán)窗參數(shù)自動(dòng)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于自由程預(yù)處理的權(quán)窗參數(shù)自動(dòng)生成方法，屬于核物理、核系 統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中輻射屏蔽計(jì)算方向。
【背景技術(shù)】
[0002] 輻射屏蔽計(jì)算是核反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響核能 系統(tǒng)壽命以及工作人員與周邊環(huán)境的輻射安全。蒙特卡羅方法因其幾何適用性強(qiáng)、模擬精 度高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)中，但收斂速度慢是蒙特卡羅方法用于反應(yīng) 堆模擬時(shí)的重要瓶頸，尤其在進(jìn)行深穿透厚屏蔽問(wèn)題、小概率探測(cè)器問(wèn)題計(jì)算時(shí)表現(xiàn)更為 明顯。如何有效解決這一瓶頸性問(wèn)題成為近些年核反應(yīng)堆領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。減方差技巧是 引導(dǎo)粒子朝著感興趣區(qū)域輸運(yùn)，能夠降低方差、提高計(jì)算效率的方法，可以加快蒙特卡羅方 法的收斂速度，因此在應(yīng)用蒙特卡羅方法解決屏蔽計(jì)算問(wèn)題的過(guò)程，有效地使用減方差技 巧是必不可少的。但是傳統(tǒng)的減方差技巧參數(shù)設(shè)置需用戶(hù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、猜測(cè)、多次嘗試才能給 出有效的參數(shù)值。如何避免經(jīng)驗(yàn)式的減方差技巧使用，自動(dòng)化給出優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，高效地指 導(dǎo)減方差技巧的使用，是基于蒙特卡羅輻射屏蔽計(jì)算方法的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 減方差技巧不僅僅是蒙特卡羅粒子輸運(yùn)模擬問(wèn)題加速的一種技巧，也是進(jìn)行模擬 計(jì)算所必需的一項(xiàng)。在深穿透問(wèn)題中，若不使用足夠有效的減方差方技巧，將會(huì)因?yàn)閰?shù)設(shè) 置的不合理而無(wú)法引導(dǎo)粒子朝著感興趣區(qū)域輸運(yùn)，最終導(dǎo)致"過(guò)偏"和"欠偏"現(xiàn)象的產(chǎn)生。 因此，這就要求用戶(hù)必須很熟練的使用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)模擬的減方差技巧。目前現(xiàn)有的 減方差技巧包括隱俘獲、權(quán)截?cái)?、幾?能量/時(shí)間分裂與輪盤(pán)賭、強(qiáng)迫碰撞、指數(shù)變換、源 偏倚、權(quán)窗、點(diǎn)探測(cè)器、DXTRAN和相關(guān)抽樣。其中，屬權(quán)窗的應(yīng)用最廣泛。
[0004] 權(quán)窗是相空間（空間-能量/時(shí)間）的分裂和輪盤(pán)賭技巧。作為一種常用的減方 差技巧，它會(huì)對(duì)低權(quán)重的粒子進(jìn)行輪盤(pán)賭，減少對(duì)計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)較少粒子的跟蹤，對(duì)權(quán)重高于權(quán) 窗上限的粒子進(jìn)行分裂，能有效避免極高權(quán)重粒子對(duì)計(jì)數(shù)的擾動(dòng)，以達(dá)到提高計(jì)算效率的 目的。這項(xiàng)技術(shù)可以控制粒子權(quán)重在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
[0005] 權(quán)窗方法包含柵元權(quán)窗和網(wǎng)格權(quán)窗兩種。其中，柵元權(quán)窗是一種基于柵元空間的 權(quán)窗方法，網(wǎng)格權(quán)窗是一種基于虛擬網(wǎng)格空間的權(quán)窗方法。柵元權(quán)窗一般適用于簡(jiǎn)單幾何 模型，對(duì)于大型、復(fù)雜模型或帶重復(fù)結(jié)構(gòu)的模型，其適用性較差，而網(wǎng)格權(quán)窗恰好可以彌補(bǔ) 柵元權(quán)窗的這些缺點(diǎn)。
[0006] 但傳統(tǒng)的網(wǎng)格權(quán)窗減方差技巧在使用過(guò)程中，尤其對(duì)于蒙卡程序初學(xué)者，他們往 往無(wú)法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行有效的劃分，導(dǎo)致不能一次得到有效的網(wǎng)格邊界參數(shù)生成有效的權(quán)窗下 限參數(shù)值，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果"欠偏"和"過(guò)偏"的情況。因此，需反復(fù)多次進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置。即 使經(jīng)驗(yàn)豐富的使用人員也只能定性地給出大致的網(wǎng)格邊界參數(shù)值，這將極大地耗費(fèi)時(shí)間， 工序也變得繁瑣、機(jī)械。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于：克服傳統(tǒng)網(wǎng)格權(quán)窗減方差技巧在網(wǎng)格劃分中的不足，提供一 種基于自由程預(yù)處理的自動(dòng)化參數(shù)生成方法，使得基于蒙特卡羅的輻射屏蔽計(jì)算的粒子自 動(dòng)從輻射源區(qū)域向計(jì)數(shù)區(qū)域進(jìn)行偏倚，避免了傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)式劃分網(wǎng)格的權(quán)窗減方差技 巧使用，達(dá)到快速、精確進(jìn)行輻射屏蔽計(jì)算的效果。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于自由程預(yù)處理的權(quán)窗參數(shù)自動(dòng)生成方法，包括 如下步驟：
[0009] (1)粗網(wǎng)格邊界參數(shù)自動(dòng)化獲?。?br>[0010] a)根據(jù)計(jì)算模型提取計(jì)數(shù)區(qū)域幾何信息、輻射源分布與位置信息、問(wèn)題空間幾何 模型描述信息；
[0011] b)根據(jù)（a)中提取的計(jì)數(shù)區(qū)域幾何信息、輻射源分布與位置信息，確立感興趣區(qū) 域，再結(jié)合問(wèn)題空間幾何模型描述信息，提取柵元包圍盒的邊界信息處理得到感興趣區(qū)域 的初始粗網(wǎng)格邊界參數(shù)值；
[0012] c)基于問(wèn)題空間幾何模型描述信息，沿著模型x/y/z或者r/z/ Θ (x/y/z，r/z/ Θ 分別為直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系下的坐標(biāo)軸方向）方向合并相同材料區(qū)域網(wǎng)格，得到優(yōu)化 的粗網(wǎng)格邊界參數(shù)值、邊界間隔L以及粗網(wǎng)格邊界所圍成的粗網(wǎng)格；
[0013] (2)基于自由程預(yù)處理的細(xì)網(wǎng)格邊界參數(shù)自動(dòng)化優(yōu)化處理：
[0014] a)根據(jù)用戶(hù)給定的粒子數(shù)目，預(yù)先進(jìn)行粒子輸運(yùn)模擬；
[0015] b)統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)步驟⑴的c)中感興趣區(qū)域的每個(gè)粗網(wǎng)格中所有粒子的自由程，得 到粒子在不同粗網(wǎng)格下自由程的平均值λ，用戶(hù)將根據(jù)問(wèn)題特性給出指定細(xì)網(wǎng)格尺寸相比 λ的倍數(shù)m :
[0016] 根據(jù)當(dāng)前粒子類(lèi)型、能量及材料密度預(yù)先輸運(yùn)計(jì)算得到宏觀(guān)截面Σ
[0017] Σ = No
[0018] 其中，〇為微觀(guān)截面，它與靶核的性質(zhì)和中子的能量有關(guān)，N為靶片內(nèi)單位體積中 的原子核數(shù)。宏觀(guān)截面Σ是一個(gè)中子與單位體積內(nèi)所有原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均概率大 小的一種度量。得到當(dāng)前材料、能量下的自由程λ'，
[0020] 其中，e Σχ為一個(gè)中子穿過(guò)X長(zhǎng)的路程仍未發(fā)生核反應(yīng)的概率，Σ(1χ為在X和x+dx 之間發(fā)生核反應(yīng)的概率。
[0021] 通過(guò)預(yù)先粒子輸運(yùn)模擬計(jì)算得到經(jīng)過(guò)某個(gè)粗網(wǎng)格所有粒子自由程的平均值λ。
[0022] c)將步驟⑴的c)中得到的感興趣區(qū)域中某個(gè)粗網(wǎng)格不同方向上的邊界間隔L 與步驟（2)的b)中得到的與該粗網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的πιλ倍（m為常數(shù)）進(jìn)行比較，細(xì)分粗網(wǎng)格 邊界間隔：
[0023] 若L>mX，則將該粗網(wǎng)格邊界間隔細(xì)分成[L/mX]+l份，
[0024] 若L彡m λ，則不進(jìn)行細(xì)分。
[0025] 即在計(jì)算粒子所在當(dāng)前粗網(wǎng)格的平均自由程時(shí)，是通過(guò)預(yù)先粒子輸運(yùn)模擬，統(tǒng)計(jì) 所有經(jīng)過(guò)粗網(wǎng)格粒子的自由程，取其平均值得到，從而在保障計(jì)算精度的同時(shí)，自動(dòng)化生成 較優(yōu)的權(quán)窗參數(shù)值，不僅提高計(jì)算效率，也能增強(qiáng)網(wǎng)格權(quán)窗減方差技巧的易用性。
[0026] (3)基于蒙特卡羅粒子徑跡的網(wǎng)格權(quán)窗下限生成：
[0027] 利用步驟（1)中得到不同方向上的粗網(wǎng)格邊界參數(shù)值和步驟（2)中得到不同方向 上的細(xì)網(wǎng)格邊界參數(shù)值，首先通過(guò)粒子輸運(yùn)模擬，統(tǒng)計(jì)粒子徑跡數(shù)據(jù)，然后計(jì)算得到相應(yīng)網(wǎng) 格的權(quán)窗下限值。
[0028] 在粒子輸運(yùn)模擬過(guò)程中，對(duì)每一個(gè)粒子的徑跡進(jìn)行跟蹤，保留對(duì)計(jì)數(shù)區(qū)域有貢獻(xiàn) 的粒子徑跡數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的粒子權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，其中對(duì)計(jì)數(shù)有貢獻(xiàn)的粒子徑跡數(shù) 據(jù)包括：粒子穿過(guò)網(wǎng)格的序號(hào)，粒子到達(dá)計(jì)數(shù)區(qū)域時(shí)的權(quán)重及其能量等。
[0029] 在所有粒子輸運(yùn)模擬結(jié)束后，根據(jù)蒙特卡羅粒子徑跡數(shù)據(jù)，計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格相 對(duì)計(jì)數(shù)區(qū)域貢獻(xiàn)值的重要性，自動(dòng)化得到各網(wǎng)格相應(yīng)的權(quán)窗下限參數(shù)值（即重要性倒數(shù)的 常數(shù)倍）。最后進(jìn)行輻射屏蔽計(jì)算，得到計(jì)數(shù)區(qū)域的劑量值。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0031] (1)本發(fā)明根據(jù)計(jì)數(shù)區(qū)域幾何信息、輻射源分布與位置信息以及問(wèn)題空間幾何模 型描述信息，自動(dòng)化地給出網(wǎng)格劃分邊界參數(shù)值，而無(wú)需用戶(hù)猜測(cè)、反復(fù)嘗試，避免了傳統(tǒng) 的基于經(jīng)驗(yàn)式權(quán)窗減方差技巧的使用，達(dá)到快速、精確進(jìn)行輻射屏蔽計(jì)算的效果。
[0032] (2)本發(fā)明在自動(dòng)化生成網(wǎng)格邊界參數(shù)值的過(guò)程中，預(yù)先通過(guò)粒子輸運(yùn)模擬統(tǒng)計(jì) 得到自由程的平均值進(jìn)行網(wǎng)格