中子输运连续能量伴随蒙特卡罗方法

The adjoint theory has been widely applied in many neutron transport problems, such as sensitivity analysis, calculation of kinetics parameters and calculation of detector response. Although the adjoint flux is essential for these applications, it is difficult to solve the adjoint neutron transport equation. To achieve this goal, the multi-group approximation theory is always adopted. Therefore, there is a lack of continuous-energy Monte Carlo (MC) methods for the adjoint equation. Recently, several approximate calculation methods are presented.. This project will be devoted to the study on continuous-energy neutron transport adjoint Monte Carlo methods. To overcome difficulties of the adjoint methods, the adjoint cross section of any nuclide for any reaction type is introduced. Meanwhile, based on these adjoint cross sections, continuous-energy adjoint MC methods will be developed. Also, an adjoint numerical simulation platform will be built and testified. By this project, a neutron transport adjoint calculation system, including the adjoint cross section library, the calculation methods and the simulation platform, will be established. Especially, the simulation platform is required for many neutron transport problems. Therefore, this work is significant for both science and engineering.

伴随理论已广泛应用于敏感性分析、动态参数计算、探测器响应计算等中子物理学问题的研究。计算伴随通量是此类研究的关键环节。目前，求解中子输运伴随方程时，无论是蒙特卡罗(MC)方法还是确定论方法，均需采用分群近似。可见，连续能量伴随方程的直接求解仍是有待解决的难题。近期，国内外均发展了基于连续能量的中子伴随通量近似计算方法。. 本项目将从分析连续能量伴随计算的难点出发，拟通过伴随截面的定义和伴随蒙卡方法的发展，彻底解决连续能量伴随计算难题。即，本项目将以往单一的算法研究拓展到参数+算法，伴随截面在计算中的作用类似于ACE截面在MCNP中的作用，是实现伴随计算的基石，使得伴随计算非常类似于中子输运过程的模拟，可采用现有成熟方法。基于伴随截面，发展连续能量伴随蒙卡方法，研制相应的程序并进行验证。最终，形成一套完整的包含伴随截面库、计算方法与程序的中子连续能量伴随蒙卡计算体系和模拟能力。

数值模拟是中子物理学研究的重要技术手段。由于伴随通量广泛用于敏感性分析、动态参数计算、探测器响应计算等物理问题的研究，使得中子输运伴随方程的数值求解能力具有重要的实际应用价值。针对仅能基于分群近似求解伴随方程的现状，开展了本项目的研究，以期获得中子输运连续能量伴随蒙卡方法。. 首先，在对比分析了蒙卡方法求解输运问题与伴随问题异同点的基础上，明确了中子核反应过程的有效模拟是蒙卡方法求解中子输运连续能量伴随方程的难点所在；其次，提出了基于伴随截面的连续能量中子输运伴随蒙卡方法，给出了伴随截面的详细定义，发展了基于ACE格式的中子截面参数计算伴随截面的方法，解决了连续能量伴随计算难题；最后，给出了中子输运伴随问题的蒙卡模拟流程，研制了伴随截面与伴随蒙卡计算模块，包括基于响应函数实现源中子的抽样、逆中子运动方向实现空间输运和基于伴随截面实现由出射中子信息反求入射中子的信息。. 与此同时，围绕粒子输运蒙卡程序NPTS的发展完善开展了系列工作，包括中子-光子耦合输运功能、粒子输运点通量与针孔成像计算功能、三维辐射场高效计算功能、大规模问题的高效并行计算功能、自动动态权窗降方差计算功能、基于TMS的在线温度效应处理功能、基于连续能量蒙卡的多群截面计算功能、系统化的考核验证。上述工作有效地提升了NPTS程序的模拟功能、效率与可靠性。. 在该基金项目资助下，项目组成员围绕中子输运数值模拟方法发表了9篇SCI论文和1篇EI论文，申请获得了2项软件著作权（粒子输运蒙特卡罗模拟平台软件2018SR923471和扩散方程并行数值模拟平台软件2018SR923464），完成了两项技术成果转化，培养了1名博士后和2名硕士研究生。