Некласичний перенос випромінювання у випадково-неоднорідних матеріалах :: НВК ВДЕРТ

Некласичний перенос випромінювання у випадково-неоднорідних матеріалах


Методи імітаційного математичного моделювання нині широко використовуються при розробці ядерних і радіаційних ресурсозберігаючих технологій та вирішенні фундаментальних і прикладних проблем радіаційного і реакторного матеріалознавства. Загальне для всіх цих застосувань завдання полягає у необхідності розрахунку радіаційних полів з адекватним урахуванням структурних особливостей середовища поширення випромінювання. Тому в сучасній радіаційній фізиці та техніці розвиток методів, алгоритмів і програмних засобів комп'ютерного експерименту та підвищення їх обчислювальної ефективності є невід'ємною складовою досліджень і розробок.

У багатьох практично важливих випадках середовища поширення мають експериментально не розв'язувану внутрішню неоднорідність, яка тим не менш суттєво впливає на перенос у них випромінювання. Характерними прикладами таких середовищ є:

	об'єкти промислових електрофізичних і гамма-радіаційних технологій [1, 2007],

	дисперсні поглинаючі матеріали радіаційних захистів і реакторів,

	TRISO-паливо високотемпературних газоохолоджуваних реакторів (ВТГР) насипного (pebble-bed) типу з подвійною неоднорідністю,

	турбулентні потоки теплоносія і середовища з гетерофазними флуктуаціями густини,

	атмосфери (хмарний покрив) Землі і планет.

У теорії переносу випромінювання прийнято їх стохастичний розгляд, як випадкових середовищ. Для деяких з них (наприклад, бінарних випадкових сумішей) існують статистично точні подвійні методи Монте-Карло [30, 2010] моделювання переносу випромінювання. Проте їх обчислювальна ефективність невелика і недостатня для вирішення багатьох практично важливих завдань.

З метою її підвищення перспективним є використання інтенсивно розвинутої в сучасній статистичній фізиці концепції некласичних (аномальних) явищ переносу у структурно складних середовищах. На її основі для матеріалів, структура яких характеризується лише статистично, розроблено новий алгоритм моделювання переносу випромінювання, в якому повний макроскопічний переріз взаємодії випромінювання з матеріалом представлено ергодичним випадковим процесом на довжині вільного пробігу частинок, а в модель матеріалу введено узагальнені ядра поширення випромінювання, усереднені за статистичним ансамблем реалізацій випадкового середовища.

Це дозволило побудувати однократний метод Монте-Карло розв'язання узагальненого рівняння Больцмана (Ед. Ларсен, 2007), що описує некласичний перенос у середовищах з просторовими кореляціями нерозв'язуваної неоднорідності. Його застосування забезпечило підвищення швидкодії Монте-Карло коду RaT 3.1 [19, 2010] на основі ЦЕРН Geant4 на 1-2 порядки величини і відкрило можливість адекватного моделювання ефектів некласичного переносу нейтронів і фотонів у дисперсних поглиначах (див. рис. 1) і нових радіаційно-захисних матеріалах.

Рисунок 1 – Просторові розподіли напрацювання гелію тепловими нейтронами у дисперсному нейтронопоглинаючому матеріалі розробки ННЦ ХФТІ (зерна карбіду бору в пірографітовій матриці), розраховані за Монте-Карло у наближенні атомно-гомогенізованого матеріалу (1), подвійним методом Монте-Карло (2) і розробленим некласичним однократним методом Монте-Карло (3).