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

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Leppänen, Jaakko, Adj. Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Nuclear Energy, Finland
dc.contributor.author Viitanen, Tuomas
dc.date.accessioned 2015-04-24T09:00:29Z
dc.date.available 2015-04-24T09:00:29Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-951-38-8243-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8242-6 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15759
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 65 + app. 120
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher Teknologian tutkimuskeskus VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 84
dc.relation.haspart [Publication 1]: T. Viitanen and J. Leppanen, “Explicit treatment of thermal motion in continuous-energy Monte Carlo tracking routines”, Nuclear Science and Engineering, 171, pp. 165-173, (2012). DOI: 10.13182/NSE11-36
dc.relation.haspart [Publication 2]: T. Viitanen and J. Leppanen, “Explicit temperature treatment in Monte Carlo neutron tracking routines — first results”, In proc. PHYSOR-2012, Knoxville, TN, Apr. 15-20 2012, (2012).
dc.relation.haspart [Publication 3]: T. Viitanen and J. Leppanen, “Optimizing the implementation of the target motion sampling temperature treatment technique—How fast can it get?”, In proc. M&C 2013, Sun Valley, ID, May 5-9 2013, (2013).
dc.relation.haspart [Publication 4]: T. Viitanen and J. Leppanen, “Target motion sampling temperature treatment technique with elevated basis cross-section temperatures”, Nuclear Science and Engineering, 177, pp. 77-89, (2014). DOI: 10.13182/NSE13-37
dc.relation.haspart [Publication 5]: T. Viitanen and J. Leppanen, “Temperature majorant cross sections in Monte Carlo neutron tracking”, Nuclear Science and Engineering, Accepted for publication Aug 31. 2014. DOI: 10.13182/NSE14-46
dc.relation.haspart [Publication 6]: T. Viitanen and J. Leppanen “Effect of the target motion sampling temperature treatment method on the statistics and performance”, Annals of Nuclear Energy, Accepted for publication Aug 21. 2014. DOI: 10.1016/j.anucene.2014.08.033
dc.relation.haspart [Publication 7]: T. Viitanen, J. Leppanen and B. Forget, “Target motion sampling temperature treatment technique with track-length estimators in OpenMC — Preliminary results”, In proc. PHYSOR-2014, Kyoto, Japan, Sep. 28-Oct 3. 2014, (2014).
dc.subject.other Energy en
dc.title Development of a stochastic temperature treatment technique for Monte Carlo neutron tracking en
dc.title Stokastinen menetelmä lämpöliikkeen huomioimiseen Monte Carlo -neutronikuljetuslaskun aikana fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword Monte Carlo en
dc.subject.keyword neutron tracking en
dc.subject.keyword temperature en
dc.subject.keyword Doppler-broadening en
dc.subject.keyword DBRC en
dc.subject.keyword Target Motion Sampling en
dc.subject.keyword TMS en
dc.subject.keyword temperature majorant cross section en
dc.subject.keyword neutronikuljetus fi
dc.subject.keyword lämpötila fi
dc.subject.keyword Doppler-leveneminen fi
dc.subject.keyword DBRC fi
dc.subject.keyword Target Motion Sampling fi
dc.subject.keyword TMS fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-8243-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Tuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Goluoglu, Sedat, Prof., University of Florida, Department of Material Sciences & Engineering
dc.rev Kiedrowski, Brian, Prof., University of Michigan, Nuclear Engineering and Radiological Sciences
dc.rev Smith, Kord, Prof., Massachusetts Institute of Technology, Nuclear Science & Engineering
dc.date.defence 2015-05-08


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account