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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorLeppänen, Jaakko, Adj. Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Nuclear Energy, Finland
dc.contributor.authorViitanen, Tuomas
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorTuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2015-04-24T09:00:29Z
dc.date.available2015-04-24T09:00:29Z
dc.date.defence2015-05-08
dc.date.issued2015
dc.description.abstractThermal 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.abstractLämpöliike 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.extent65 + app. 120
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-951-38-8243-3 (electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8242-6 (printed)
dc.identifier.issn2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (printed)
dc.identifier.issn2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15759
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-951-38-8243-3
dc.language.isoenen
dc.opnGoluoglu, Sedat, Prof., University of Florida, Department of Material Sciences & Engineering
dc.publisherVTT Technical Research Centre of Finlanden
dc.publisherTeknologian tutkimuskeskus VTTfi
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.relation.ispartofseriesVTT Scienceen
dc.relation.ispartofseries84
dc.revKiedrowski, Brian, Prof., University of Michigan, Nuclear Engineering and Radiological Sciences
dc.revSmith, Kord, Prof., Massachusetts Institute of Technology, Nuclear Science & Engineering
dc.subject.keywordMonte Carloen
dc.subject.keywordneutron trackingen
dc.subject.keywordtemperatureen
dc.subject.keywordDoppler-broadeningen
dc.subject.keywordDBRCen
dc.subject.keywordTarget Motion Samplingen
dc.subject.keywordTMSen
dc.subject.keywordtemperature majorant cross sectionen
dc.subject.keywordneutronikuljetusfi
dc.subject.keywordlämpötilafi
dc.subject.keywordDoppler-leveneminenfi
dc.subject.keywordDBRCfi
dc.subject.keywordTarget Motion Samplingfi
dc.subject.keywordTMSfi
dc.subject.otherEnergyen
dc.titleDevelopment of a stochastic temperature treatment technique for Monte Carlo neutron trackingen
dc.titleStokastinen menetelmä lämpöliikkeen huomioimiseen Monte Carlo -neutronikuljetuslaskun aikanafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_66869
local.aalto.formfolder2015_04_23_klo_14_39
Files
Original bundle
Now showing 1 - 9 of 9
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789513882433.pdf
Size:
1.31 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
errata.pdf
Size:
37.89 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
No Thumbnail Available
Name:
publication1.pdf
Size:
371.12 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version
No Thumbnail Available
Name:
publication2.pdf
Size:
349.4 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version
No Thumbnail Available
Name:
publication3.pdf
Size:
268.5 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version
No Thumbnail Available
Name:
publication4.pdf
Size:
1.06 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version
No Thumbnail Available
Name:
publication5.pdf
Size:
582.44 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Accepted author manuscript / post-print version
No Thumbnail Available
Name:
publication6.pdf
Size:
559.57 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version
No Thumbnail Available
Name:
publication7.pdf
Size:
283.19 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Publishers version