隨著核能發(fā)電、制氫和核動力等技術(shù)的不斷發(fā)展，在保證安全性的前提下，核能系統(tǒng)的經(jīng)濟性也越來越受到關(guān)注。蒙特卡羅（蒙卡）方法采用連續(xù)能量點截面和構(gòu)造實體幾何，在處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和復(fù)雜能譜方面具有不可替代的優(yōu)勢，因此在反應(yīng)堆物理設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。同時，彌散型燃料（隨機介質(zhì)）是新型燃料設(shè)計中引人關(guān)注的燃料類型之一。蒙卡全壽期高保真模擬和隨機介質(zhì)精細計算研究屬于目前反應(yīng)堆蒙卡研究的兩個前沿問題，因此有必要對其進行系統(tǒng)深入的分析探討。
劉仕倡的博士學(xué)位論文以“蒙卡全壽期高保真模擬和隨機介質(zhì)精細計算”為研究主題，基于自主化反應(yīng)堆蒙卡程序RMC，針對隨機介質(zhì)（彌散燃料）模擬、核截面溫度反饋（多普勒展寬）、超大規(guī)模并行計算和物理熱工耦合等內(nèi)容，研究了關(guān)鍵方法和算法。首先，針對多溫度連續(xù)能量點截面內(nèi)存占用太大的問題，開發(fā)了高效的全能區(qū)在線截面處理方法。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙卡程序RMC與子通道程序COBRATF的物理熱工耦合，完成了國際基準(zhǔn)題MITBEAVRS的兩循環(huán)熱態(tài)滿功率工況的模擬。其次，基于區(qū)域分解、數(shù)據(jù)分解和MPI/OpenMP混合并行，依托天河二號超級計算機實現(xiàn)了高效的千萬網(wǎng)格超大規(guī)模燃耗計算。最后，在隨機介質(zhì)計算方面，提出了多種顆粒類型的弦長抽樣法和帶虛擬網(wǎng)格加速的顯式模擬法等方法，并結(jié)合大規(guī)模燃耗，實現(xiàn)了彌散燃料全堆輸運燃耗計算。
論文在蒙卡高保真模擬和隨機介質(zhì)計算方法上進行了創(chuàng)新，并取得了程序計算能力的突破，使RMC程序在該方面的研究達到了先進水平。同時，開發(fā)的程序也成功應(yīng)用于大型壓水堆、核動力艦船、高溫堆和先進事故容錯燃料等領(lǐng)域的工程模擬當(dāng)中，所以，該研究兼具重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。
我相信本書的出版一定會促進讀者對蒙卡方法在核工程技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的認識。
王侃清華大學(xué)工程物理系2019年8月
劉仕倡，華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師。2018年畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，獲博士學(xué)位，導(dǎo)師為王侃教授。2016-2017年曾赴美國麻省理工大學(xué)Kord Smith、Benoit Forget實驗室訪學(xué)。
主持國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項（2018YFE0308103）子課題、國家自然科學(xué)基金青年項目、教育部重點實驗室課題、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費等。發(fā)表SCI 23篇（1作16篇），EI 16篇（1作8篇），擔(dān)任International Journal of Energy Research、Annals of Nuclear Energy等SCI期刊審稿人。
目錄
第1章引言
1.1研究背景與意義
1.2研究現(xiàn)狀
1.2.1蒙卡全壽期高保真耦合模擬研究現(xiàn)狀
1.2.2蒙卡隨機介質(zhì)精細計算研究現(xiàn)狀
1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容
1.4組織結(jié)構(gòu)
第2章蒙卡物理熱工耦合方法研究與程序開發(fā)
2.1引論
2.2溫度相關(guān)截面全能區(qū)在線處理方法
2.2.1可分辨共振能區(qū)在線截面處理
2.2.2熱化能區(qū)在線截面處理
2.2.3不可分辨共振能區(qū)在線截面處理
2.3溫度相關(guān)截面在線處理功能驗證
2.3.1可分辨共振能區(qū)
2.3.2熱化能區(qū)
2.3.3不可分辨共振能區(qū)
2.4RMC/CTF通用耦合
2.4.1蒙卡輸運中的熱工反饋處理
2.4.2熱工水力程序CTF
2.4.3耦合方式與網(wǎng)格對應(yīng)
2.4.4蒙卡物理熱工耦合穩(wěn)定性及加速研究
2.5RMC/CTF物理熱工耦合功能驗證
2.5.1耦合有效性檢驗
2.5.2耦合穩(wěn)定性及加速檢驗
2.6本章小結(jié)
第3章蒙卡大規(guī)模燃耗及換料計算方法研究與程序開發(fā)
3.1引論
3.2基于綜合并行的大規(guī)模燃耗計算方法
3.2.1三種大規(guī)模燃耗并行算法介紹
3.2.2綜合并行大規(guī)模燃耗算法
3.3蒙卡大規(guī)模燃耗中的氙平衡修正
3.3.1氙平衡修正介紹
3.3.2氙平衡修正收斂性及改進平衡氙方法
3.4基于pinbypin燃耗的換料方法
3.4.1蒙卡輸運燃耗耦合計算介紹
3.4.2蒙卡換料功能
3.5數(shù)值驗證
3.5.1綜合并行燃耗算法測試
3.5.2改進平衡氙方法測試
3.5.3蒙卡換料功能測試
3.6全壽期高保真耦合策略
3.7本章小結(jié)
第4章隨機介質(zhì)精細計算方法研究與程序開發(fā)
4.1引論
4.2隨機介質(zhì)輸運計算方法
4.2.1隨機柵格法
4.2.2多種類型顆粒的弦長抽樣法
4.2.3帶虛擬網(wǎng)絡(luò)加速的顯式模擬法
4.3隨機介質(zhì)輸運計算功能驗證
4.3.1顯式模擬法
4.3.2隨機柵格法
4.3.3弦長抽樣法
4.3.4各種建模方法的比較
4.4隨機介質(zhì)燃耗計算方法
4.4.1隨機介質(zhì)燃料元件/組件燃耗計算
4.4.2隨機介質(zhì)全堆燃耗計算
4.5隨機介質(zhì)燃耗計算功能驗證
4.5.1基于虛擬網(wǎng)格的燃耗區(qū)合并策略驗證
4.5.2基于空間的燃耗區(qū)合并策略驗證
4.5.3彌散燃料全堆輸運燃耗計算
4.6本章小結(jié)
第5章高保真與隨機介質(zhì)基準(zhǔn)題計算分析
5.1引論
5.2CASLVERA基準(zhǔn)題
5.2.1基準(zhǔn)題介紹
5.2.2VERA Problem 6
5.2.3VERA Problem 7
5.3MITBEAVRS基準(zhǔn)題
5.3.1基準(zhǔn)題介紹
5.3.2熱態(tài)零功率計算
5.3.3兩循環(huán)熱態(tài)滿功率計算
5.4高溫堆燃料元件燃耗基準(zhǔn)題
5.4.1燃料球算例
5.4.2棱柱堆超柵元算例
5.5球床式高溫堆HTR10首次臨界試驗計算
5.5.1HTR10介紹
5.5.2首次臨界試驗建模與計算
5.6本章小結(jié)
第6章總結(jié)與展望
6.1總結(jié)
6.2創(chuàng)新點
6.3展望
參考文獻
在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝
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