Неклассический перенос излучений в случайно-гетерогенных материалах :: НПК ВИЭРТ

Неклассический перенос излучений в случайно-гетерогенных материалах


Методы имитационного математического моделирования в настоящее время широко используются при разработке ядерных и радиационных ресурсосберегающих технологий и решении фундаментальных и прикладных проблем радиационного и реакторного материаловедения. Общая для всех этих приложений задача состоит в необходимости расчета радиационных полей с адекватным учетом структурных особенностей среды распространения излучений. Поэтому в современной радиационной физике и технике развитие методов, алгоритмов и программных средств компьютерного эксперимента и повышение их вычислительной эффективности являются неотъемлемой составляющей исследований и разработок.

Во многих практически важных случаях среды распространения обладают экспериментально не разрешаемой внутренней гетерогенностью, которая тем не менее оказывает существенное влияние на перенос в них излучений. Характерными примерами таких сред являются:

	объекты промышленных электрофизических и гамма-радиационных технологий [1, 2007],

	дисперсные поглощающие материалы радиационных защит и реакторов,

	TRISO-топлива высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) засыпного (pebble-bed) типа с двойной гетерогенностью,

	турбулентные потоки теплоносителя и среды с гетерофазными флуктуациями плотности,

	атмосферы (облачный покров) Земли и планет.

В теории переноса излучения принято их стохастическое рассмотрение, как случайных сред. Для некоторых из них (например, бинарных случайных смесей) существуют статистически точные двойные методы Монте-Карло [30, 2010] моделирования переноса излучения. Однако их вычислительная эффективность невелика и недостаточна для решения многих практически важных задач.

С целью ее повышения перспективно использование интенсивно развиваемой в современной статистической физике концепции неклассических (аномальных) явлений переноса в структурно сложных средах. На ее основе для материалов, структура которых характеризуется только статистически, разработан новый алгоритм моделирования переноса излучения, в котором полное макроскопическое сечение взаимодействия излучения с материалом представлено эргодическим случайным процессом на длине свободного пробега частиц, а в модель материала введены обобщенные ядра распространения излучения, осредненные по статистическому ансамблю реализаций случайной среды.

Это позволило построить однократный метод Монте-Карло решения обобщенного уравнения Больцмана (Эд. Ларсен, 2007), описывающего неклассический перенос в средах с пространственными корреляциями неразрешаемой гетерогенности. Его применение в обеспечило повышение быстродействия Монте-Карло кода RaT 3.1 [19, 2010] на основе ЦЕРН Geant4 на 1-2 порядка величины и открыло возможность адекватного моделирования эффектов неклассического переноса нейтронов и фотонов в дисперсных поглотителях (см. рис. 1) и новых радиационно-защитных материалах.

Рисунок 1 – Пространственные распределения наработки гелия тепловыми нейтронами в дисперсном нейтроно-поглощающем материале разработки ННЦ ХФТИ (зерна карбида бора в пироуглеродной матрице), рассчитанные по Монте-Карло в приближении атомно-гомогенизованного материала (1), двойным методом Монте-Карло (2) и разработанным неклассическим однократным методом Монте-Карло (3).