粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述

蒙特卡罗(MC)方法发展已有60多年历史,广泛应用于核科学及相关领域.MC方法超强的几何处理能力,使用精密的连续点截面参数,能够模拟各种复杂几何系统内的中子、光子、电子、α粒子、质子及其耦合输运问题.随着计算机的快速发展,通过大规模并行计算,MC方法及程序已成为模拟各种粒子输运问题的首选工具.     

非定常粒子输运蒙特卡罗并行算法研究

蒙特卡罗方法应用于粒子输运求解已是众所周知的事，然而由于MC的误差与跟踪的样本数的平方根成反比，通常要达到误差要求，需要模拟大量粒子历史，从而花费大量的计算时间。特别对非定常粒子输运问题的MC模拟，需要模拟上万个时间步，每步需要跟踪上百万个粒子。由于粒子寿命远超过时间步步长，因此，上个时间步剩余粒子的广播和本时间步剩余粒子状态量的汇总，I/O需求量大，成为制约并行的瓶颈。     

分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运现象

引入分数阶微积分理论,建立耦合分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 发现在具有记忆性的分数阶棘齿系统中, 系统阶数与粒子间耦合强度不仅可影响粒子链输运速度, 还可使粒子链出现与整数阶方向相反的定向流; 在阶数固定下, 定向输运速度将随参数(噪声强度、耦合强度、棘齿势峰值高度)变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶布朗马达 闪烁棘齿势 合作定向输运 广义随机共振     

输运问题蒙特卡罗模拟方法回顾及展望北大核心CSCD

蒙特卡罗(MC)方法具有复杂几何处理能力强,方法通用灵活,核数据完备,模拟忠实于物理过程等特点,成为中子学数值模拟的首选方法之一。在核能领域,MC方法得益于计算机的快速发展,在辐射屏蔽、反应堆堆芯临界安全分析、乏燃料后处理、放射性废物处置、核设施退役、核事故应急、放射性石油测井、核医学等领域均有广泛应用。对MC方法及软件输运计算做简要回顾,并对未来发展进行展望。     

解粒子输运问题的半随机模拟数值方法

分析了解粒子输运问题的随机模拟方法和确定性方法的优缺点,提出了零方差迭代格式和半随机模拟方法——把MC方法和确定性方法有机结合起来,达到扬长避短的目的。扼要地介绍了近年来在这方面的工作。     

γ分布与特征峰绝对探测效率关系的Monte-Carlo模拟

用γ谱法评估放射性物质的量时，必须获得相应的探测效率。当测量比较复杂体系中的放射性物质的量时，被测对象的材料密度、材料组分以及源分布状态的差异使得用标准源刻度法是非常困难的。因此，无标定量分析方法具有更适用的价值。该方法的理论基础是光子的输运理论，而解决光子输运问题最好的方法是蒙特卡洛(Monte-Carlo，简称MC)模拟方法。MC法能够逼真地描述真实的物理过程、在解决光子的输运问题时具有无可比拟的优点。为此，用MC方法来模拟γ源分布与特征峰绝对效率的关系具有重要的意义。对假定长方体内的点源、线源、面源和体源，以几种形式稀疏分布(均匀、抛物)，模拟计算了相应条件的特征射线的绝对探测效率，并讨论了模拟计算绝对探测效率与能量、吸收体厚度、源分布和探测几何位置等关系。模拟计算程序结构见图1。     

JMCT程序在线多普勒展宽研究

在核反应堆堆芯物理分析中, 考虑燃料核素的多普勒效应对反应性的影响是必要的. 基于最小二乘拟合法, 在自主蒙特卡罗粒子输运程序JMCT中开发了在线多普勒展宽功能. 在300-3000 K的温度范围内, 利用核数据处理程序(NJOY)制作了系列温度点下的连续能量核数据. 在统一的能量网格上, 进行最小二乘拟合, 得到拟合参数. JMCT利用这些拟合参数, 快速计算得到任意温度的核数据, 用于输运计算. 计算结果表明, 拟合得到的核数据与NJOY制作的核数据符合很好, 满足精度要求. JMCT临界模型计算结果表明, 拟合参数计算有效增殖因数k_eff与直接采用NJOY加工得到核数据的计算结果吻合.     

SiC-pn结二极管α粒子辐射效应

为了研究6HSiC材料制作的pn结二极管探测器的辐照特性,采用蒙卡程序模拟研究了4.3和1.8MeV能量的α粒子在辐照探测器中的物理过程。介绍了二极管探测器的工艺制作和物理参数,根据其结构建立了仿真模型,利用蒙卡程序进行了α粒子照射的仿真研究。研究结果直观地反映了α粒子在探测器中的输运情况。α粒子在探测器中的辐射效应主要是电离作用,电离产生的电子空穴对形成一定的分布。给出了α粒子在探测器中的电离能量损失分布及二极管探测器的电荷收集效率表达式。     

基于蒙特卡罗正算输运的全局减方差方法

蒙特卡罗方法是当前形势下辐射屏蔽计算的首选分析工具。小概率深穿透问题则是屏蔽计算的关键与亟待解决的核心问题,需要使用有效的减方差技巧。针对全局问题,利用蒙特卡罗正算输运得到的粒子通量或探测响应来构建权重窗参数,将现有的粒子位置偏移拓展到位置和能量偏倚。利用国际屏蔽基准题进行测试验证,通过使用该方法,粒子被引导到模型的所有位置。平均相对误差降低到10%以下,几乎所有网格区域都有粒子统计。结果表明,基于蒙特卡罗正算输运的输运偏倚参数构建方法能够实现全局减方差。     

二维非对称周期时移波状通道中的粒子定向输运问题

目前关于通道中粒子的输运问题大部分是在静态边界的情形下研究的,但时变通道中的粒子输运问题的研究显然具有重要价值和意义.为此,本文讨论了二维非对称周期时移波状通道中的粒子定向输运问题,详细分析了该模型的输运机理,利用数值仿真讨论了输运速度与通道参数和噪声强度的关系研究发现,通道沿延伸方向的非对称周期时移会使粒子位置分布在通道横截方向上表现出非对称性,粒子总体在通道延伸方向会表现出定向输运流.定向流平均速度与通道对称参数成正比例关系,随通道宽度的增加而递减,随通道空间频率及时间频率变化均会出现广义共振现象;随着噪声强度的增加,定向流速度会先增大后减小,即适当的噪声可以增强系统的输运行为.     

等离子体成像的初步诊断结果

HL-2A装置的主要目标是开展高参数条件下改善等离子体约束实验，研究剖面控制和建立先进约束位形。在偏滤器物理方面，研究等离子体粒子与能量控制、边界输运及刮削层物理机制，此外也可以进行二级加热和电流驱动。     

质子、α粒子在水中的径迹结构

简述了一个模拟质子、α粒子的蒙特卡罗径迹结构模型，考虑了质子、α粒子在水中输运时的电离、激发等非弹性散射机制，模拟计算了质子、α粒子在水蒸气(密度为1g／cm^3)中的径迹，质子、α粒子的能量范围为0．3—5MeV／u．考虑了产生的大量低能电子(能量下限为1eV)在水介质中的输运．计算得到的射程、径向剂量等参数，与实验数据符合得较好．     

耦合分数阶布朗马达在非对称势中的输运

讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶Frenkel-Kontorova模型 记忆性介质 随机共振 定向输运反向流     

多物理耦合计算中动态输运问题高效蒙特卡罗模拟方法

多物理耦合计算在众多领域都有重要应用.如果其包含粒子输运过程,用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间,因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大,其不可避免地依赖于大规模并行.基于动态输运问题的特点,本文提出了两种新方法:一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法;二是动态输运计算样本数自适应算法.两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少,从而提高了效率.     

系统非对称性及记忆性对布朗马达输运行为的影响

在对分数阶布朗马达输运现象研究的基础上,引入了描述系统势场对称性的参数(简称对称性参数),并详细分析了该参数及记忆性参数(分数阶阶数)对粒子输运状态的影响.仿真结果表明,分数阶阶数和对称性参数的共同作用会使得布朗粒子形成定向输运反向流,反向后达到最大平均流速所对应的阶数与外加驱动力频率无关联,但会随对称性参数的增加而单调递增.     

蒙特卡罗粒子输运程序JMCT研制

介绍了具有自主知识产权的蒙特卡罗(MC)粒子输运程序JMCT的初步研制成果。JMCT基于三维组合几何支撑软件框架JCOGIN,采用模块化,分成多层管理结构,可处理多群碰撞和连续能量碰撞,可进行粒子并行和区域分解并行两种并行方法,并具有良好的可扩展性和高速通信技术,同时配有可视化建模前处理软件。介绍了JMCT采用的多群物质碰撞机制,展示了程序模拟计算测试模型的结果,与MCNP程序计算结果一致。JMCT串行计算速度相比MCNP提高了约3 倍;在20 480个处理器核上模拟2109样本,并行效率可达70%。     

HL-2Aװ�����������˵��о�

用密度调制的方法研究了等离子体中粒子输运问题。采用了注入脉冲式补充送气和超声分子束两种不同的密度调制方法。在HL-2A装置常规欧姆放电的情况下,运用有限差分法和Nagashima矩阵技术,求解了粒子平衡方程。计算出了粒子的输运系数(对流速度v和扩散系数D)。研究了粒子输运系数与等离子体线平均密度之间的关系。实验结果表明,在欧姆放电的情况下,等离子体芯部的粒子对流速度方向始终是向内的,并且密度低时,粒子输运系数(粒子扩散系数D和对流速度v)较大;密度高时,粒子输运系数较小。     

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中的边界湍流和输运

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中使用一个快速扫描气动朗缪尔探针来研究边界湍流和输运。随着中心弦平均等离子体密度的增加，在等离子体边界观察到径向电场剪切增强，径向电场的增强能够解释边界输运的减小和全局粒子约束的改善。粒子约束时间的增加和垂直扩散系数的减小证明粒子输运降低了。在等离子体边界区域发现电离和辐射驱动湍流的特征，表明电离和辐射在湍流驱动过程中具有重要性。     

双层薄膜界面声子输运的Monte Carlo模拟

界面声子热输运现象广泛地存在于纳米热电装置和微纳电子器件中,但其物理机制和介观模型仍不完善。本文将考虑真实色散关系的漫射失配(DMM)界面模型引入到高效、低噪的动力型声子Monte Carlo(MC)方法,建立了一个频谱穿透系数的界面声子输运数值模型。采用新的数值模型研究了室温下Si/Al薄膜中的界面声子输运,可准确捕捉法向输运和面向输运的非平衡效应。     

带反馈的分数阶耦合布朗马达的定向输运

研究具有幂律记忆性的带反馈耦合布朗马达的定向输运现象, 引入分数阶理论, 建立了带反馈的分数阶耦合布朗马达模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 仿真结果表明, 系统的记忆性通过影响带反馈的棘齿势的打开和闭合而影响粒子的定向输运, 即当系统的阶数在较小的范围内, 系统的记忆性会使带反馈的棘齿势的开关频率增加, 从而增大定向流速; 当系统其他参数(势垒高度、噪声强度等)固定时, 输运速度随着阶数的变化出现广义随机共振现象.