Development of a stochastic temperature treatment technique for Monte Carlo neutron tracking

Abstract

Thermal motion of nuclides has a significant effect on the reaction probabilities and scattering kinematics of neutrons. Since also the nuclides in nuclear reactor materials are in constant thermal motion, the temperature-induced effects need to be taken into account in all neutron transport calculations. This task is notably complicated by the fact that the temperature distributions within operating power reactors are always non-uniform. With conventional transport methods, accurate modeling of temperature distributions within a reactor is cumbersome. The temperature distributions that are in reality continuous in space need to be approximated with regions of uniform temperature. More importantly, pre-generated temperature-dependent data on reaction probabilities must be stored in the computer memory at each temperature appearing in the system, which restricts the feasible level of detail in the modeling of temperature distributions. This thesis covers the previous development of a temperature treatment technique for modeling the effects of thermal motion on-the-fly during Monte Carlo neutron transport calculation. Thus, the Target Motion Sampling (TMS) temperature treatment technique is capable of modeling arbitrary temperature distributions such that the memory footprint of the interaction data is unaffected by the resolution of the temperature discretization. As a very convenient additional feature the TMS technique also provides for modeling of continuous temperature distributions as-is, making the discretization of temperature distributions unnecessary altogether. The basic idea of the TMS technique is introduced, and the results are shown to be in accordance with reference solutions calculated with conventional neutron transport methods. The TMS method is developed further by optimizing its implementation, and the performance is compared against conventional neutron transport methods in different reactor systems. The results show that the TMS method significantly facilitates the modeling of complex temperature distributions in nuclear reactors without compromising the accuracy of the calculations. The method also proves to be well-feasible in terms of performance, especially as long as the number of temperature-dependent nuclides remains relatively small.

Lämpöliike vaikuttaa merkittävästi sekä neutronien todennäköisyyteen vuorovaikuttaa nuklidien kanssa että nuklidien sirotusominaisuuksiin. Koska myös ydinreaktorin polttoaine ja muut reaktorimateriaalit ovat jatkuvassa lämpöliikkeessä, lämpötilan vaikutus täytyy huomioida käytännössä kaikissa neutronikuljetuslaskuissa. Tarkoissa reaktorifysiikka-analyyseissä täytyy lisäksi ottaa huomioon, että tehoajolla olevassa ydinreaktorissa lämpötilajakauma on epätasainen polttoaineen lämmöntuotannon vuoksi. Lämpötilajakaumien yksityiskohtainen mallinnus on hankalaa perinteisillä neutronikuljetusmenetelmillä. Ensinnäkin jatkuvat lämpötilajakaumat joudutaan mallintamaan likimääräisesti joukkona tasalämpöisiä alueita. Toiseksi neutronien vuorovaikutustodennäköisyydet täytyy tallentaa tietokoneen muistiin erikseen jokaisessa mallin lämpötilassa, joten tietokoneiden muistikapasiteetti rajoittaa merkittävästi mallinnettavissa olevien lämpötila-alueiden lukumäärää ja siten myös mallin tarkkuutta. Tässä väitöskirjassa on kehitetty Target Motion Sampling (TMS) -tekniikka, jonka avulla lämpötilan vaikutus reaktiotodennäköisyyksiin voidaan ottaa huomioon Monte Carlo -neutronikuljetuslaskun aikana. Uutta menetelmää käytettäessä vuorovaikutustodennäköisyydet tallennetaan tietokoneen muistiin ainoastaan yhdessä lämpötilassa riippumatta mallissa esiintyvien lämpötilojen määrästä, jolloin tietokoneiden muistikapasiteetti ei enää rajoita lämpötilajakaumien mallinnustarkkuutta. Lisäksi TMS-tekniikkaa käytettäessä jatkuvat lämpötilajakaumat voidaan mallintaa tarkasti myös sellaisenaan, jakamatta geometriaa tasalämpöisiin alueisiin. Väitöskirjassa esitellään ensin TMS-tekniikan perusidea ja osoitetaan, että TMS-tekniikalla ja perinteisillä kuljetusmenetelmillä päästään tilastollisen vaihtelun puitteissa samaan lopputulokseen. Tämän jälkeen menetelmää optimoidaan, ja sen suorituskykyä tutkitaan mallintamalla erilaisia reaktoreita. TMS-menetelmän käytön havaitaan helpottavan huomattavasti monimutkaisten lämpötilajakaumien mallinnusta vaikuttamatta tulosten tarkkuuteen. Menetelmä on hyvin käyttökelpoinen myös tehokkuutensa puolesta erityisesti silloin, kun mallissa olevien nuklidien määrä on suhteellisen pieni.