Garrido, Ignacio M. (2023) Desarrollo de técnicas de Monte Carlo para el problema neutrónico adjunto / Development of Monte Carlo techniques for the adjoint neutron problem. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Este proyecto integrador aborda el desafío del cálculo de la función importancia en sistemas de gas libre, con el objetivo de desarrollar y verificar métodos eficaces para este propósito. La función de importancia es crucial en la neutrónica para evaluar la seguridad de los reactores, optimizar sistemas, gestionar combustibles y reducir la varianza en simulaciones de Monte Carlo, entre otras aplicaciones. Se investigaron métodos directos e inversos y se propusieron implementaciones específicas para abordar este desafío. Se desarrolló un código de Monte Carlo que permite simular partículas en sistemas de gas libre, sorteando la velocidad del núcleo blanco. Los moderadores simulados fueron hidrógeno y deuterio. Se realizó un análisis exhaustivo de las bases teóricas de los métodos directos e inversos para comprender su fundamento y su aplicabilidad en el contexto de esta investigación. Los métodos implementados en este trabajo incluyen el método CHAR-0, el método SWAP y el método INVERSO. Para el scattering de gas libre, se tuvo en cuenta la velocidad del blanco sorteándola, siendo la primera vez que se hace para método SWAP. CHAR-0 es un método directo-modificado que se basa en la simulación individual de partículas, teniendo en cuenta sus condiciones iniciales. Fue sometido a verificaciones y comparaciones con simulaciones directas, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. SWAP es un método inverso que se basa en la simulación de partículas inversas con distribución de energía maxwelliana. Se aprovecha del principio de balance detallado para utilizar el kernel de scattering directo en un problema inverso. Se aplicó a partículas con energías inferiores a 0,4 eV y se sometió a verificaciones y comparaciones con CHAR-0, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. INVERSO es un método inverso que se fundamenta en la generación de espectros de importancia a partir de la inversión del kernel de scattering, permitiendo simular partículas en sistemas de gas libre en estas condiciones energéticas. Se aplicó a partículas con energías superiores a 400 kT y se sometió a verificaciones y comparaciones con CHAR-0, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. Un hito importante de este trabajo fue la integración de los métodos CHAR-0 y SWAP en el código abierto de OpenMC. Esta integración permitió aumentar considerablemente la capacidad de cálculo, además de aumentar las capacidades de simulaci´on de OpenMC. Luego de realizar verificaciones adicionales para las implementaciones en OpenMC, se utilizó para el cálculo de la importancia en un caso de prueba. En este mismo se calculó la importancia para un haz térmico tangencial, en una pileta de agua pesada como podría ser la de un reactor experimental tipo RA-10. Se obtuvieron resultados satisfactorios para este caso de prueba. Se ha logrado avanzar en el conocimiento teórico y práctico de estos métodos, así como en su aplicación en un código de simulación de partículas ampliamente utilizado como OpenMC.
Resumen en inglés
The main objective of this work is to develop and verify effective methods for importance function calculation in free gas systems. The importance function is crucial in neutronics for evaluating reactor safety, optimizing systems, managing fuels, and reducing variance in Monte Carlo simulations, among other applications. Direct and inverse methods were investigated, and specific implementations were proposed to tackle this challenge. A Monte Carlo code was developed to simulate particles in free gas systems by sampling the velocity of the target nucleus. The simulated moderators were hydrogen and deuterium. A comprehensive analysis of the theoretical foundations of direct and inverse methods was conducted to understand their principles and applicability in the context of this research. The implemented methods in this work include CHAR-0, SWAP, and INVERSO. For the calculation of the velocity after the scattering in a free gas system, the target velocity was taken into account by sampling it, being the first time that this is done for the SWAP method. CHAR-0 is a modified direct method based on individual particle simulation, considering their initial conditions. It underwent verification and comparison with direct simulations, demonstrating satisfactory agreement between the obtained results. SWAP is an inverse method based on the simulation of pseudo-particles with a Maxwellian energy distribution. It leverages the principle of detailed balance to use the direct scattering kernel in an inverse problem. It was applied to particles with energies below 0,4 eV and was verified and compared with CHAR-0, showing satisfactory agreement between the obtained results. INVERSO is an inverse method based on generating importance spectra from the inversion of the scattering kernel, allowing the simulation of particles in free gas systems under these energy conditions. It was applied to particles with energies above 400 kT and underwent verification and comparison with CHAR-0, demonstrating satisfactory agreement between the obtained results. An important milestone of this work was the integration of the CHAR-0 and SWAP methods into the open-source code OpenMC. This integration significantly increased the computational capacity and simulation capabilities of OpenMC. After conducting additional verifications for the implementations in OpenMC, it was used for importance calculation in a test case. The importance was calculated for a tangential thermal beam in a heavy water pool, such as one in a research reactor like the RA-10. For this test case, satisfactory results were obtained. Significant progress has been made in both the theoretical and practical understanding of these methods, as well as their application in a widely used particle simulation code like OpenMC.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Monte Carlo method; Método Monte Carlo; Adjoint flux; Flujo adjunto; Hydrogen; Hidrógeno; ;[CHAR-0 method; Método; CHAR-0; SWAP method; Método SWAP; INVERSO metthod; Método INVERSO; Neutronics; Neutrónica; Reactor security; OpenMC] |
| Referencias: | [1] Márquez, A. DESARROLLO DE METODOS VARIACIONALES PARA LA OPTIMIZACION DE FUENTES DE NEUTRONES FRIOS. Tesis Doctoral, Departamento de Física de Reactores y Radiaciones Centro Atómico Bariloche, 2022. xi, xi, 10, 14, 19, 22, 58 [2] Standard C++ Foundation. C++ web page. https://isocpp.org/, 2023. 7 [3] Python Software Foundation. Python web page. https://www.python.org/,2023. 7 [4] K. H. Beckurts, K. Neutron Physics. Berlin: Springer Berlin, Heidelberg, 2013. 7, 32 [5] Lamarsh, J. Introduction to Nuclear Reactor Theory. United States: Amer Nuclear Society, 2002. 8 [6] Bell, G., Glasstone, S. Nuclear Reactor Theory. United States: Van Nostrand Reinhold Company, 1970. 8 [7] Nakamura, S. Computational Methods in Engineering and Science. United States: Wiley-Interscience, 1935. 8 [8] Microsoft. Visual Studio Code web page. https://code.visualstudio.com/,2023. 8 [9] Google. Google Colab web page. https://colab.research.google.com/, 2023. 8 [10] Numpy. Numpy web page. https://numpy.org/, 2023. 8 [11] Scipy. Scipy web page. https://scipy.org/, 2023. 8 [12] Paul K. Romano, Nicholas E. Horelik, Bryan R. Herman, Adam G. Nelson, Benoit Forget, and Kord Smith. OpenMC: A State-of-the-Art Monte Carlo Code for Research and Development. Ann. Nucl. Energy, 82, 90a97, 2015. 8 [13] Software Freedom Conservancy. Git web page. https://git-scm.com/, 2023. 8 [14] GitHub, Inc. GitHub web page. https://github.com/, 2023. 8 [15] The Matplotlib development team. matplotlib web page. https://matplotlib.org/, 2023. 8 [16] Jupyter Trademark. Jupiter Notebooks web page. https://jupyter.org/, 2023.8 [17] Microsoft. Microsoft PowerPoint web page. https://www.microsoft.com/es-es/microsoft-365/powerpoint, 2023. 8 [18] The LaTeX Project. LaTeX web page. https://www.latex-project.org/, 2023.8 [19] MIT. OpenMC manual. https://docs.openmc.org/en/v0.9.0/methods/physics.html, 2020. 29, 32, 40, 45, 54 [20] Los Alamos National Laboratory. MCNP: A General Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport. https://mcnp.lanl.gov/, 2015. 40 [21] Ignacio Garrido. SWAP y CHAR-0 en OpenMC. https://github.com/ GarridoIgnacioM/CARLITOSl, 2023. 45 [22] OpenMP ARB. OpenMP web page. https://www.openmp.org/, 2023. 45 [23] MIT. OpenMC manual. https://docs.openmc.org/en/stable/pythonapi/generated/openmc.Particle.html, 2023. 46, 47 [24] MIT. OpenMC manual. https://docs.openmc.org/en/stable/pythonapi/generated/openmc.MeshFilter.html, 2023. 46 [25] MIT. OpenMC manual. https://docs.openmc.org/en/stable/pythonapi/generated/openmc.EnergyFilter.html, 2023. 47 |
| Materias: | Ingeniería nuclear > Neutrónica |
| Divisiones: | Energía nuclear > Ingeniería nuclear > Física de reactores y radiaciones |
| Código ID: | 1212 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 22 Aug 2023 16:17 |
| Última Modificación: | 22 Aug 2023 16:17 |
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