The traditional form of parallelism in Monte Carlo particle transport simulations, wherein each individual particle history is considered a unit of work, does not lend itself well to data-level parallelism. Event-based algorithms, which were originally used for simulations on vector processors, may offer a path toward better utilizing data-level parallelism in modern computer architectures. In this study, a simple model is developed for estimating the efficiency of the event-based particle transport algorithm under two sets of assumptions. Data collected from simulations of four reactor problems using OpenMC was then used in conjunction with the models to calculate the speedup due to vectorization as a function of the size of the particle bank and the vector width. When each event type is assumed to have constant execution time, the achievable speedup is directly related to the particle bank size. We observed that the bank size generally needs to be at least 20 times greater than vector size to achieve vector efficiency greater than 90%. When the execution times for events are allowed to vary, the vector speedup is also limited by differences in the execution time for events being carried out in a single event-iteration.
The operation of a nuclear power plant relies on precalculated nuclear design predictions based on core calculations of various reactor states. The fuel temperature is a crucial factor in determining the reactor fuel behavior, but assessing the temperature variation in a fuel pellet taking into account neutron transport is challenging. Detailed simulation of the temperature behavior within the fuel pellet can be obtained by coupling of Monte Carlo neutron transport codes with thermal-hydraulics solvers. However, this approach is not practical for standard nuclear design calculations, and computationally cheaper and faster methods must be used. In nuclear core simulators, a concept of a single "effective temperature" that yields the same neutron response as in the case of the actual temperature shape is mainly applied. This paper evaluates various fuel temperature models used in nuclear core simulation calculations, ultimately recommending a new effective temperature model that considers the burnup correction.
Garcia, Manuel;Vocka, Radim;Tuominen, Riku;Gommlich, Andre;Leppanen, Jaakko;Valtavirta, Ville;Imke, Uwe;Ferraro, Diego;Uffelen, Paul Van;Milisdorfer, Lukas;Sanchez-Espinoza, Victor
Nuclear Engineering and Technology
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제53권10호
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pp.3133-3150
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2021
This work deals with the validation of a high-fidelity multiphysics system coupling the Serpent 2 Monte Carlo neutron transport code with SUBCHANFLOW, a subchannel thermalhydraulics code, and TRANSURANUS, a fuel-performance analysis code. The results for a full-core pin-by-pin burnup calculation for the ninth operating cycle of the Temelín II VVER-1000 plant, which starts from a fresh core, are presented and assessed using experimental data. A good agreement is found comparing the critical boron concentration and a set of pin-level neutron flux profiles against measurements. In addition, the calculated axial and radial power distributions match closely the values reported by the core monitoring system. To demonstrate the modeling capabilities of the three-code coupling, pin-level neutronic, thermalhydraulic and thermomechanic results are shown as well. These studies are encompassed in the final phase of the EU Horizon 2020 McSAFE project, during which the Serpent-SUBCHANFLOW-TRANSURANUS system was developed.
J. Romero-Barrientos;F. Molina;J.I. Marquez Damian;M. Zambra;P. Aguilera;F. Lopez-Usquiano;S. Parra
Nuclear Engineering and Technology
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제55권5호
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pp.1593-1603
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2023
In deterministic and Monte Carlo transport codes, b-delayed emission is included using a group structure where all of the precursors are grouped together in 6 groups or families, but given the increase in computational power, nowadays there is no reason to keep this structure. Furthermore, there have been recent efforts to compile and evaluate all the available b-delayed neutron emission data and to measure new and improved data on individual precursors. In order to be able to perform a transient Monte Carlo simulation, data from individual precursors needs to be implemented in a transport code. This work is the first step towards the development of a tool to explore the effect of individual precursors in a fissile system. In concrete, individual precursor data is included by expanding the capabilities of the open source Monte Carlo code OpenMC. In the modified code - named Time Dependent OpenMC or OpenMC(TD)- time dependency related to β-delayed neutron emission was handled by using forced decay of precursors and combing of the particle population. The data for continuous energy neutron cross-sections was taken from JEFF-3.1.1 library. Regarding the data needed to include the individual precursors, cumulative yields were taken from JEFF-3.1.1 and delayed neutron emission probabilities and delayed neutron spectra were taken from ENDF-B/VIII.0. OpenMC(TD) was tested in a monoenergetic system, an energy dependent unmoderated system where the precursors were taken individually or in a group structure, and in a light-water moderated energy dependent system, using 6-groups, 50 and 40 individual precursors. Neutron flux as a function of time was obtained for each of the systems studied. These results show the potential of OpenMC(TD) as a tool to study the impact of individual precursor data on fissile systems, thus motivating further research to simulate more complex fissile systems.
Research reactors for radioisotope production, fuel and material testing and research activities are designed, constructed and operated based on the society's needs. In this study, neutronic and thermal hydraulic design of a high neutron flux research reactor core for radioisotope production is presented. Main parameters including core excess reactivity, reactivity variations, power and flux distribution during the cycle, axial and radial power peaking factors (PPF), Pu239 production and minimum DNBR are calculated by nuclear deterministic codes. Core calculations performed by deterministic codes are validated with Monte Carlo code. Comparison of the neutronic parameters obtained from deterministic and Monte Carlo codes indicates good agreement. Finally, subchannel analysis performed for the hot channel to evaluate the maximum fuel and clad temperatures. The results show that the average thermal neutron flux at the beginning of cycle (BOC) is 1.0811 × 1014 n/㎠-s and at the end of cycle (EOC) is 1.229 × 1014 n/㎠-s. Total Plutonium (Pu239) production at the EOC evaluated to be 0.9487 Kg with 83.64% grade when LEU (UO2 with 3.7% enrichment) used as fuel. This designed reactor which uses LEU fuel and has high neutron flux and low plutonium production could be used for peaceful nuclear activities based on nuclear non-proliferation treaty concepts.
This study systematically compared two hybrid deterministic/Monte Carlo transport codes, ADVANTG/MCNP and MAVRIC, in solving a difficult shielding problem for a real-world spent fuel storage cask. Both hybrid codes were developed based on the consistent adjoint driven importance sampling (CADIS) methodology but with different implementations. The dose rate distributions on the cask surface were of primary interest and their predicted results were compared with each other and with a straightforward MCNP calculation as a baseline case. Forward-Weighted CADIS was applied for optimization toward uniform statistical uncertainties for all tallies on the cask surface. Both ADVANTG/MCNP and MAVRIC achieved substantial improvements in overall computational efficiencies, especially for gamma-ray transport. Compared with the continuous-energy ADVANTG/MCNP calculations, the coarse-group MAVRIC calculations underestimated the neutron dose rates on the cask's side surface by an approximate factor of two and slightly overestimated the dose rates on the cask's top and side surfaces for fuel gamma and hardware gamma sources because of the impact of multigroup approximation. The fine-group MAVRIC calculations improved to a certain extent and the addition of continuous-energy treatment to the Monte Carlo code in the latest MAVRIC sequence greatly reduced these discrepancies. For the two continuous-energy calculations of ADVANTG/MCNP and MAVRIC, a remaining difference of approximately 30% between the neutron dose rates on the cask's side surface resulted from inconsistent use of thermal scattering treatment of hydrogen in concrete.
Improving over a previous study [1], this paper provides a Monte Carlo method for the heat conduction analysis of problems with complicated geometry (such as a pebble with dispersed fuel particles). The method is based on the theoretical results of asymptotic analysis of neutron transport equation. The improved method uses an appropriate boundary layer correction (with extrapolation thickness) and a scaling factor, rendering the problem more diffusive and thus obtaining a heat conduction solution. Monte Carlo results are obtained for the randomly distributed fuel particles of a pebble, providing realistic temperature distributions (showing the kernel and graphite-matrix temperatures distinctly). The volumetric analytic solution commonly used in the literature is shown to predict lower temperatures than those of the Monte Carlo results provided in this paper.
Different types of deterministic solution methods were used to solve neutron transport equations corresponding to half-space and slab albedo problems. In these types of solution methods, in addition to the error of the numerical solutions, the obtained results contain truncation and discretization errors. In the present work, a non-analog Monte Carlo method is provided to simulate the half-space and slab albedo problems with Inönü and Anlı-Güngör strongly anisotropic scattering functions. For each scattering function, the sampling method of the direction of the scattered neutrons is presented. The effects of different beams with different angular dependencies and the effects of different scattering parameters on the reflection probability are investigated using the developed Monte Carlo method. The validity of the Monte Carlo method is also confirmed through the comparison with the published data.
원자력 분야에서 중성자 수송계산을 위해 개발되어 널리 사용되는 방향차분법을 시간 종속 복사 열전달식의 해를 구하는데 적용하였다. 광자의 방향별 밀도를 자체수반형 2계 편미분방정식으로 나타내어 해의 안정성을 높였고 매질의 온도방정식의 비선형성은 다단계 선형화법을 사용하여 근사하였다. 본 연구에서 개발된 해법을 전형적인 Marshak wave 문제에 적용하였고 계산 결과를 기존의 Monte Carlo의 계산결과와 비교하여 그 우월성을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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