khóa luận tốt nghiệp chương trình mô phỏng monte carlo OpenMC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN THÀNH TRƯỜNG – 1210245 CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MONTE CARLO OPENMC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN THS NGUYỄN DANH HƯNG KHÓA 2012-2017 i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đà lạt, ngày tháng năm .… Giáo viên hướng dẫn [Ký tên ghi rõ họ tên] ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Khóa luận đáp ứng yêu cầu khóa luận kỹ sư hạt nhân Đà lạt, ngày tháng năm .… Giáo viên phản biện [Ký tên ghi rõ họ tên] iii LỜI CẢM ƠN Được phân công Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt, đồng ý Thầy giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Danh Hưng tơi thực đề tài “Chương trình mơ Monte Carlo OpenMC” Để hồn thành khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại học Đà Lạt Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Danh Hưng tận tình, chu đáo hướng dẫn tơi thực khóa luận Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận thực tế hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Tơi mong góp ý q Thầy, Cơ giáo để khóa luận hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Đà Lạt, ngày tháng 12 năm 2016 iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH OPENMC .2 1.1 OPENMC CHƯƠNG TRÌNH MONTE CARLO MÃ NGUỒN MỞ 1.2 CÀI ĐẶT OPENMC TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH UBUNTU Chương - CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT MONTE CARLO 2.1.1 Cơ sở phương pháp Mone Carlo 2.1.2 Phương pháp tạo số ngẫu nhiên 2.2 LÝ THUYẾT VẬT LÝ 2.2.1 Dữ liệu tiết diện phản ứng 2.2.2 Thuật tốn tìm kiếm tiết diện phản ứng 2.2.3 Các trình vật lý 10 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OPENMC 11 2.4 DỰNG MÔ HÌNH 14 2.4.1 Phương pháp kết cấu hình học khơng gian 14 2.4.2 Universes 17 2.4.3 Lattices 18 2.4.4 Xây dựng đồ họa hình học 18 2.5 TALLY 19 2.6 TÍNH TOÁN SONG SONG 21 2.7 KỸ THUẬT GIẢM PHƯƠNG SAI 22 2.8 PHƯƠNG PHÁP CMFD 23 Chương - THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN 24 3.1 INPUT/OUTPUT 24 v 3.1.1 Input file 24 3.1.2 Output file 25 3.2 THIẾT KẾ HÌNH HỌC ĐƠN GIẢN 26 3.2.1 Định nghĩa hình học – geometry.xml 27 3.2.2 Khai báo vật liệu – materials.xml 30 3.2.3 Khai báo tham số mô – settings.xml 33 3.2.4 Chuẩn đầu toán pin-cell đơn giản 34 3.3 THIẾT KẾ HÌNH HỌC PHỨC TẠP 36 3.3.1 Universe 36 3.3.2 Lattices 39 3.3.3 Bài tốn lõi lị đơn giản 40 3.3 DỰNG ĐỒ HỌA MƠ HÌNH 43 3.4 TALLY 46 Chương - CHƯƠNG TRÌNH ERSN-OPENMC 48 4.1 GIAO DIỆN NGUỒN MỞ CHO NGƯỜI DÙNG OPENMC 48 4.2 TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH CÀI ĐẶT OPENMC 49 4.3 TẠO VÀ SOẠN THẢO DỰ ÁN NHANH 50 4.4 TỰ ĐỘNG TẠO CODE CHO TALLIES 51 4.5 TIỆN ÍCH ĐỒ HỌA VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 52 Chương - MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ THIẾT KẾ CÁC MƠ HÌNH 53 5.1 BÀI TỐN BIÊN PHẢN XẠ 53 5.2 BÀI TOÁN CÁC KHỐI HỘP 54 5.3 BÀI TOÁN PIN-CELL MULTIGROUP 56 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Hình Ngun tắc hoạt động phương pháp Monte Carlo Hình Xác suất tương tác theo khoảng cách hạt 12 Hình Quá trình hạt cắt mặt 13 Hình Quá trình chọn hạt nhân tương tác 13 Hình Quá trình chọn loại tương tác 14 Hình ví dụ khơng gian chia mặt 15 Hình Ví dụ mặt ellipse không gian 15 Hình Cell hình thành ba mặt 16 Hình Tiết diện mơ hình Advanced Test Reactor (ATR) mơ hình 3D grid spacer 19 Hình 10 Ngun lý làm việc tính tốn song song 21 Hình 11 Tiết diện ngang fin-cell 26 Hình 12 Các mặt pin-cell 27 Hình 13 Một cell điền universe 37 Hình 14 universe điền vào cell nhỏ 38 Hình 15 Cell điền universe dịch chuyển xoay 38 Hình 16 Các pin-cell mơ tả lattice 40 Hình 17 Hình vẽ chiều lõi tô màu theo cell theo vật liệu 44 Hình 18 Tơ màu cho lõi lò 45 Hình 19 Hình ảnh xuất sau dùng thuộc tính mặt nạ 46 Hình 20 Cửa sổ ứng dụng java ERSN-OpenMC 49 Hình 21 Hộp thoại cho phép người dùng cài đặt gói phần mềm trước cài đặt OpenMC 50 vii Hình 22 Ứng dụng GUI tạo dự án 50 Hình 23 Bảng nguyên tố hạt nhân đồng vị 51 Hình 24 Hộp thoại tự động thêm nội dung cho tally.xml 51 Hình 25 Tiết diện ngang khối hộp 54 Bảng Các loại mặt OpenMC 16 Bảng Vật liệu cấu trúc fin-cell 26 viii LỜI NÓI ĐẦU Dù nhà nghiên cứu trường đại học hay nhà nghiên cứu thiết kế lò phản ứng cần đến công cụ mô mạnh mẽ chương trình mơ ứng dụng Monte Carlo để giải tốn khơng thể giải phương pháp tất định Phương pháp Monte Carlo đời với lịch sử đóng góp quan trọng nhiều lĩnh vực đại từ vật lý, hóa học, sinh học, trường đại học lĩnh vực tài kinh tế vĩ mơ Đề tài mang lại nhìn tổng quát OpenMC, chương trình mơ vận chuyển hạt mã nguồn mở ứng dụng phương pháp Monte Carlo, phát triển viện công nghệ Massachusetts OpenMC không phần mềm mô với câu lệnh nhàm chán mà nghệ thuật thiết kế phân tích lị phản ứng OpenMC kết hợp ngơn ngữ lập trình đại với cú pháp trực quan dễ tiếp cận hiệu xử lý cao khả mô mềm dẻo mơ hình phức tạp tốn lớn Điều làm nên khác biệt OpenMC khơng có giới hạn phần mềm bao gồm: sử dụng, chép, sửa đổi đóng gói, phân phối lại bán sản phẩm OpenMC chìa khóa giúp tổ chức cá nhân học hỏi tự phát triển riêng chương trình mơ Monte Carlo phù hợp với thực tế tổ chức hay cá nhân Đối với thực tế Việt Nam xây dựng nhà máy điện hạt nhân tương lai, việc OpenMC đưa vào nghiên cứu phát triển bước cụ thể rõ ràng OpenMC động lực để hướng đến tầm nhìn nội địa hóa thành phần cấu tạo lò phản ứng Hàn Quốc làm Đề tài chia thành thành năm chương: Chương - Tổng quan chương trình OpenMC Chương - Các phương pháp lý thuyết Chương - Thiết kế phát triển Chương - Chương trình ERSN-OpenMC Chương – Một số ví dụ thiết kế mơ hình 6.59928975E-02 4.62200600E-02 3.80594850E05 1.32017225E-08 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 72 3.25131926E-02 2.27715674E-02 1.87510386E05 6.50418701E-09 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 6.32002662E-01 4.42641588E-01 3.64489161E04 1.26430632E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 7.28595687E-01 5.10293344E-01 4.20196380E04 1.45753838E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 8.67209000E-03 1.62426000E-03 1.02716000E-02 3.90447000E-02 1.92576000E-02 3.74888000E-01 4.30599000E-01 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.31504000E-01 4.20460000E-02 8.69720000E06 5.19380000E-09 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3.30403000E-01 1.64630000E03 2.60060000E-09 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 01 2.47490000E-03 0.00000000E+00 4.61792000E- 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 4.68021000E-01 5.43300000E-03 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 1.85970000E-04 2.85771000E-01 8.39730000E-03 8.92800000E-09 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 2.39160000E-03 2.47614000E-01 1.23220000E-02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 8.96810000E-03 2.56093000E-01 73 1.83044902E-01 3.36704903E-01 5.00506900E-01 6.06174000E-01 5.02754279E-01 9.21027600E-01 9.55231100E-01 FC.300K FC.300K 2.53E-8 0 true 5.1132E-04 7.5813E-05 3.1643E-04 1.1675E-03 3.3977E-03 9.1886E-03 2.3244E-02 1.323401E-08 1.434500E-08 1.128599E-06 1.276299E-05 3.538502E-07 1.740099E-06 5.063302E-06 5.8791E-01 4.1176E-01 3.3906E-04 1.1761E-07 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 4.79002E-09 5.82564E-09 4.63719E-07 5.24406E-06 1.45390E-07 7.14972E-07 2.08041E-06 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 74 6.61659000E-02 5.90700000E-022.83340000E-04 1.46220000E-06 2.06420000E-08 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 2.40377000E-01 5.24350000E-02 2.49900000E04 1.92390000E-05 2.98750000E-06 4.21400000E-07 0.00000000E00 0.00000000E00 1.83425000E-01 9.22880000E02 6.93650000E-03 1.07900000E-03 2.05430000E-04 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 7.90769000E-02 1.69990000E01 2.58600000E-02 4.92560000E-03 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 3.73400000E-05 9.97570000E02 2.06790000E-01 2.44780000E-02 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 9.17420000E-04 3.16774000E-01 2.38760000E-01 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 0.00000000E00 4.97930000E-02 1.09910000E00 1.26032048E-01 2.93160367E-01 2.84250824E-01 2.81025244E-01 3.34460185E-01 5.65640735E-01 1.17213908E00 GT.300K GT.300K 2.53E-8 0 false 75 5.11320000E-04 7.58010000E-05 3.15720000E-04 1.15820000E-03 3.39750000E-03 9.18780000E-03 2.32420000E-02 6.61659000E-02 5.90700000E-022.83340000E-04 1.46220000E-06 2.06420000E-08 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 2.40377000E-01 5.24350000E02 2.49900000E-04 1.92390000E-05 2.98750000E-06 4.21400000E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 01 9.23970000E-02 6.94460000E-03 1.83297000E- 1.08030000E-03 2.05670000E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 7.88511000E-02 1.70140000E-01 2.58810000E-02 4.92970000E-03 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3.73330000E-05 9.97372000E-02 2.06790000E-01 2.44780000E-02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 9.17260000E-04 3.16765000E-01 2.38770000E-01 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 4.97920000E-02 1.09912000E+00 1.26032043E-01 2.93160349E-01 2.84240290E-01 2.80960000E-01 3.34440033E-01 5.65640060E-01 1.17215400E+00 LWTR.300K LWTR.300K 2.53E-8 0 false 76 6.0105E-04 1.5793E-05 3.3716E-04 1.9406E-03 5.7416E-03 1.5001E-02 3.7239E-02 0.0444777 0.1134000 0.0007235 0.0000037 0.0000001 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.2823340 0.1299400 0.0006234 0.0000480 0.0000074 0.0000010 0.0000000 0.0000000 0.3452560 0.2245700 0.0169990 0.0026443 0.0005034 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0910284 0.4155100 0.0637320 0.0121390 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000714 0.1391380 0.5118200 0.0612290 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0022157 0.6999130 0.5373200 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.1324400 2.4807000 0.15920605 0.41296959299999997 0.59030986 0.5843499999999999 0.7180000000000001 1.2544497000000001 2.650379 CR.300K CR.300K 2.53E-8 0 false 1.70490000E-03 8.36224000E-03 8.37901000E-02 3.97797000E-01 6.98763000E-01 9.29508000E-01 1.17836000E+00 77 1.70563000E-01 4.44012000E-02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 4.71050000E-01 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3.81486000E-03 3.69760000E-09 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 2.02465000E-01 4.75290000E-03 0.00000000E+00 3.53043000E-03 6.58597000E-01 2.16767595E-01 4.80097720E-01 8.86369232E-01 9.70009150E-01 9.10481420E-01 1.13775017E+00 1.84048743E+00 ======================================================================== ======================> SIMULATION FINISHED TIMING STATISTICS k-effective (Collision) = 1.32659 +/k-effective (Track-length) k-effective (Absorption) Combined k-effective Leakage Fraction 79 KẾT LUẬN OpenMC phần mềm mô vận chuyển hạt non trẻ, phát triển để nghiên cứu giúp nâng cao hiệu cho mô tảng máy tính có hiệu cao Định dạng liệu ACE cho tiết diện phản ứng lượng liên tục, OpenMC bám sát tương tác vật lý thực tế sử dụng gần Để mô tương tác vùng cộng hưởng vùng neutron nhiệt cách thích hợp nhất, OpenMC sử dụng liệu định luật tán xạ S (α ,β) bảng xác suất Tất dạng hình học xây dựng phương pháp kết cấu hình học khơng gian bao gồm mặt bậc bậc hai Kết hợp mơ hình hình học vật lý tạo nên mơ lị phản ứng hạt nhân cách đáng tin cậy OpenMC phát triển thiết kế thừa hưởng thành tựu khoa học máy tính đại Nó dử dụng định dạng liệu XML cho liệu đầu vào HDF5 cho liệu đầu Điều giúp giảm bớt thời gian nghiên cứu OpenMC dễ tiếp cận cho nhà phát triển người dùng Một vài kết so sánh hệ nhân k thu từ MCNP OpenMC thực Các kết tương đồng đáng ý giải thích mơ q trình vật lý phù hợp với phạm vi toán đề Đặc biệt, kết Bài toán Pin-cell (Cullen et al., 2004) Big Ten benchmark (NEA Nuclear Science Committee, 2009) giải thích trình thực thi mơ hính tán xạ nhiệt S (α ,β) phương pháp bảng xác suất cho vùng cộng hưởng chưa xảy sai sót Kết nghiên cứu Điểm chuẩn Hiệu suất Monte Carlo (Hoogenboom et al., 2011) giải thích khả mơ hình hóa mơ hình lớn với dạng hình học vật liệu phức tạp Kỹ thuật ánh xạ giúp tăng tốc tìm kiếm liệu làm tăng hiệu suất cách đáng kế trình theo dõi hạt ghi tally Chương trình OpenMC trở thành thành phần quan trọng nghiên cứu phát triển Nhóm Vật lý Tính tốn Lị Phản Ứng MIT sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu trung tâm nghiên cứu mô Exascale Vì OpenMC phát hành giấy phép nguồn mở, đón nhận rộng mở từ cộng đồng nghiên cứu lượng hạt nhân cho nghiên cứu phát triển 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO Balay, S., Brown, J., Buschelman, K., Gropp, W.D., Kaushik, D., Knepley, M.G., McInnes, L.C., Smith, B.F., Zhang, H., 2013 PETSc Web page https://www.mcs.anl.gov/petsc (accessed April 29, 2013) Brown, Forrest B , 2014 New Hash-based Energy Lookup Algorithm for Monte Carlo Codes American Nuclear Society, 2014 Winter Meeting, 2014-11-09/2014-11-13 (Anaheim, California, United States Carney, S E., Brown, F B., Iciedrowski, B C., & Martin, W R (2012) Fission matrix capability for MCNP Monte Carlo LA-UR-12-24533, Los Alamos National Laboratory EL Bakkali, J., & EL Bardouni, T (2014) ERSN-OpenMC software URL https://github.com/EL-Barkkali-Jaafar/ERSN-OpenMC EL Bakkali, J., & EL Bardouni, T (2015) ERSN-OpenMC, a java-based GUI for OpenMC Monte Carlo code URL https://github.com/ELBarkkali-Jaafar/ERSN-OpenMC Hoogenboom, J.E., Veen, D.V., 2011 Efficiency improvement of local power estimation in the general purpose Monte Carlo code MCNP Progr Nucl Sci Technol 2, 866–871 Lee, M.-J., Joo, H G., Lee, D., & Smith, K (2010) Multigroup Monte Carlo reactor calculation with coarse mesh finite difference formulation for real variance reduction In Proc Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications and Monte Carlo, Tokyo, Japan, October 17e21 Lee, M.J., Joo, H.G., Lee, D., Smith, K., 2012 Monte Carlo reactor calculation with substantially reduced number of cycles In: PHYSOR – Advances in Reactor Physics – Linking Research, Industry, and Education Knoxville, Tennessee Leppänen, J., 2009 Two practical methods for unionized energy grid construction in continuous-energy Monte Carlo neutron transport calculation Ann Nucl Energy 36, 878–885 81 Levitt, L.B., 1972 The probability table method for treating unresolved neutron resonances in Monte Carlo calculations Nucl Sci Eng 49, 450–457 NEA Nuclear Science Committee, 2012 International Handbook of Evaluated Criticality Safety Benchmark Experiments NEA/NSC/DOC(95)03 OECD Nuclear Energy Agency Romano, P.K., Forget, B., (2012) Parallel fission bank algorithms in Monte Carlo criticality calculations Nucl Sci Eng 170 (2), 125–135, URL http://hdl.handle.net/1721.1/73569 Romano, P K., & Forget, B (2013) The OpenMC Monte Carlo code particle transport code Annals of Nuclear Energy Romano, P K., Herman, B., Horelik, N., & Forget, B (2013) OpenMC: A Stateof-the Art Monte Carlo code for research and development Annals of Nuclear Energy Romano, P.K., (2013) The OpenMC Monte Carlo Code — OpenMC Documentation URL https://mit-crpg.github com/openmc Romano, P.K., Herman, B.R., Horelik, N.E., Forget, B., Smith, K., Siegel, A.R., 2013a Progress and status of the OpenMC Monte Carlo code In: Int Conf Mathematics and Computational Methods Applied to Nuclear Science and Engineering Sun Valley, Idaho Squillicote, A.H., 2007 The ParaView Guide: A Parallel Visualization Application Kitware, Inc Toth, B E., & Griesheimer, D P (2007) A novel source convergence acceleration scheme for monte carlo criticality calculations, Part II: implementation & results In Proc Joint International Topical Meeting on Mathematics & Computation and Supercomputing in Nuclear Applications, Monterey, California, April 15-19 Yamamoto, T., & Miyoshi, Y (2004) Reliable method for fission source convergence of Monte Carlo criticality calculation with Wielandt's method Journal of Nuclear Science and Technology, 41(2), 99 VisIt Development Team, 2005 Visit User’s Manual, Version 1.5 UCRLSM-200449 Lawrence Livermore National Laboratory 82 Sutton, T.M., Trumbull, T.H., Lubitz, C.R., 2009 Comparison of some Monte Carlo models for bound hydrogen scattering In: Int Conf Mathematics, Computational Methods, and Reactor Physics Saratoga Springs, New York Kelly, D.J., Sutton, T.M., Wilson, S.C., 2012 MC21 analysis of the Nuclear Energy Agency Monte Carlo performance benchmark problem In: PHYSOR – Advances in Reactor Physics – Linking Research, Industry, and Education Knoxville, Tennessee 83 ... quan chương trình OpenMC Chương - Các phương pháp lý thuyết Chương - Thiết kế phát triển Chương - Chương trình ERSN -OpenMC Chương – Một số ví dụ thiết kế mơ hình Chương – TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH... Chương – TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH OPENMC 1.1 OPENMC CHƯƠNG TRÌNH MONTE CARLO MÃ NGUỒN MỞ OpenMC chương trình mơ vận chuyển hạt ứng dụng phương pháp Monte Carlo Sự vận chuyển hay dịch chuyển... khóa luận hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Đà Lạt, ngày tháng 12 năm 2016 iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH OPENMC .2 1.1 OPENMC CHƯƠNG TRÌNH MONTE