一种基于自由程预处理的权窗参数自动生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于自由程预处理的权窗参数自动生成方法，属于核物理、核系 统设计等领域中辐射屏蔽计算方向。
【背景技术】
[0002] 辐射屏蔽计算是核反应堆工程设计的核心内容之一，其设计的好坏直接影响核能 系统寿命以及工作人员与周边环境的辐射安全。蒙特卡罗方法因其几何适用性强、模拟精 度高等优势而被广泛应用于核反应堆工程设计中，但收敛速度慢是蒙特卡罗方法用于反应 堆模拟时的重要瓶颈，尤其在进行深穿透厚屏蔽问题、小概率探测器问题计算时表现更为 明显。如何有效解决这一瓶颈性问题成为近些年核反应堆领域的研究焦点。减方差技巧是 引导粒子朝着感兴趣区域输运，能够降低方差、提高计算效率的方法，可以加快蒙特卡罗方 法的收敛速度，因此在应用蒙特卡罗方法解决屏蔽计算问题的过程，有效地使用减方差技 巧是必不可少的。但是传统的减方差技巧参数设置需用户根据经验、猜测、多次尝试才能给 出有效的参数值。如何避免经验式的减方差技巧使用，自动化给出优化参数设置，高效地指 导减方差技巧的使用，是基于蒙特卡罗辐射屏蔽计算方法的关键技术之一。
[0003] 减方差技巧不仅仅是蒙特卡罗粒子输运模拟问题加速的一种技巧，也是进行模拟 计算所必需的一项。在深穿透问题中，若不使用足够有效的减方差方技巧，将会因为参数设 置的不合理而无法引导粒子朝着感兴趣区域输运，最终导致"过偏"和"欠偏"现象的产生。 因此，这就要求用户必须很熟练的使用蒙特卡罗粒子输运模拟的减方差技巧。目前现有的 减方差技巧包括隐俘获、权截断、几何/能量/时间分裂与轮盘赌、强迫碰撞、指数变换、源 偏倚、权窗、点探测器、DXTRAN和相关抽样。其中，属权窗的应用最广泛。
[0004] 权窗是相空间（空间-能量/时间）的分裂和轮盘赌技巧。作为一种常用的减方 差技巧，它会对低权重的粒子进行轮盘赌，减少对计数贡献较少粒子的跟踪，对权重高于权 窗上限的粒子进行分裂，能有效避免极高权重粒子对计数的扰动，以达到提高计算效率的 目的。这项技术可以控制粒子权重在一个合理的范围内。
[0005] 权窗方法包含栅元权窗和网格权窗两种。其中，栅元权窗是一种基于栅元空间的 权窗方法，网格权窗是一种基于虚拟网格空间的权窗方法。栅元权窗一般适用于简单几何 模型，对于大型、复杂模型或带重复结构的模型，其适用性较差，而网格权窗恰好可以弥补 栅元权窗的这些缺点。
[0006] 但传统的网格权窗减方差技巧在使用过程中，尤其对于蒙卡程序初学者，他们往 往无法对网格进行有效的划分，导致不能一次得到有效的网格边界参数生成有效的权窗下 限参数值，出现计算结果"欠偏"和"过偏"的情况。因此，需反复多次进行网格划分设置。即 使经验丰富的使用人员也只能定性地给出大致的网格边界参数值，这将极大地耗费时间， 工序也变得繁琐、机械。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于：克服传统网格权窗减方差技巧在网格划分中的不足，提供一 种基于自由程预处理的自动化参数生成方法，使得基于蒙特卡罗的辐射屏蔽计算的粒子自 动从辐射源区域向计数区域进行偏倚，避免了传统的基于经验式划分网格的权窗减方差技 巧使用，达到快速、精确进行辐射屏蔽计算的效果。
[0008] 本发明的技术方案如下：一种基于自由程预处理的权窗参数自动生成方法，包括 如下步骤：
[0009] (1)粗网格边界参数自动化获取：
[0010] a)根据计算模型提取计数区域几何信息、辐射源分布与位置信息、问题空间几何 模型描述信息；
[0011] b)根据（a)中提取的计数区域几何信息、辐射源分布与位置信息，确立感兴趣区 域，再结合问题空间几何模型描述信息，提取栅元包围盒的边界信息处理得到感兴趣区域 的初始粗网格边界参数值；
[0012] c)基于问题空间几何模型描述信息，沿着模型x/y/z或者r/z/ Θ (x/y/z，r/z/ Θ 分别为直角坐标系、圆柱坐标系下的坐标轴方向）方向合并相同材料区域网格，得到优化 的粗网格边界参数值、边界间隔L以及粗网格边界所围成的粗网格；
[0013] (2)基于自由程预处理的细网格边界参数自动化优化处理：
[0014] a)根据用户给定的粒子数目，预先进行粒子输运模拟；
[0015] b)统计经过步骤⑴的c)中感兴趣区域的每个粗网格中所有粒子的自由程，得 到粒子在不同粗网格下自由程的平均值λ，用户将根据问题特性给出指定细网格尺寸相比 λ的倍数m :
[0016] 根据当前粒子类型、能量及材料密度预先输运计算得到宏观截面Σ
[0017] Σ = No
[0018] 其中，〇为微观截面，它与靶核的性质和中子的能量有关，N为靶片内单位体积中 的原子核数。宏观截面Σ是一个中子与单位体积内所有原子核发生核反应的平均概率大 小的一种度量。得到当前材料、能量下的自由程λ'，
[0020] 其中，e Σχ为一个中子穿过X长的路程仍未发生核反应的概率，Σ(1χ为在X和x+dx 之间发生核反应的概率。
[0021] 通过预先粒子输运模拟计算得到经过某个粗网格所有粒子自由程的平均值λ。
[0022] c)将步骤⑴的c)中得到的感兴趣区域中某个粗网格不同方向上的边界间隔L 与步骤（2)的b)中得到的与该粗网格相对应的πιλ倍（m为常数）进行比较，细分粗网格 边界间隔：
[0023] 若L>mX，则将该粗网格边界间隔细分成[L/mX]+l份，
[0024] 若L彡m λ，则不进行细分。
[0025] 即在计算粒子所在当前粗网格的平均自由程时，是通过预先粒子输运模拟，统计 所有经过粗网格粒子的自由程，取其平均值得到，从而在保障计算精度的同时，自动化生成 较优的权窗参数值，不仅提高计算效率，也能增强网格权窗减方差技巧的易用性。
[0026] (3)基于蒙特卡罗粒子径迹的网格权窗下限生成：
[0027] 利用步骤（1)中得到不同方向上的粗网格边界参数值和步骤（2)中得到不同方向 上的细网格边界参数值，首先通过粒子输运模拟，统计粒子径迹数据，然后计算得到相应网 格的权窗下限值。
[0028] 在粒子输运模拟过程中，对每一个粒子的径迹进行跟踪，保留对计数区域有贡献 的粒子径迹数据以及经过每个网格区域的粒子权重数据，其中对计数有贡献的粒子径迹数 据包括：粒子穿过网格的序号，粒子到达计数区域时的权重及其能量等。
[0029] 在所有粒子输运模拟结束后，根据蒙特卡罗粒子径迹数据，计算得到每个网格相 对计数区域贡献值的重要性，自动化得到各网格相应的权窗下限参数值（即重要性倒数的 常数倍）。最后进行辐射屏蔽计算，得到计数区域的剂量值。
[0030] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0031] (1)本发明根据计数区域几何信息、辐射源分布与位置信息以及问题空间几何模 型描述信息，自动化地给出网格划分边界参数值，而无需用户猜测、反复尝试，避免了传统 的基于经验式权窗减方差技巧的使用，达到快速、精确进行辐射屏蔽计算的效果。
[0032] (2)本发明在自动化生成网格边界参数值的过程中，预先通过粒子输运模拟统计 得到自由程的平均值进行网格