We studied new features for the high-fidelity whole-core Monte Carlo (MC) analysis. Using the McBOX code implementing these features, we tested and demonstrated the performances of the three main features; 1) the MC k-eigenvalue simulation with the partial current-based coarse-mesh finite difference (p-CMFD) feedback (MC/p-CMFD), 2) the domain decomposed MC simulation via fission and surface source (FSS) iteration method, and 3) the transient MC simulation based on the predictor-corrector quasi-static (PCQS) method.
On the 3-D continuous-energy whole-core problem, the MC/p-CMFD not only accelerated the convergence of the fission source distributions (FSDs) during inactive iterations, but also reduced the real variances of the local MC tallies and the inter-iteration correlations of local MC tallies. Furthermore, the MC/p-CMFD mitigated the spatial clustering phenomenon in the FSDs. We also generalized a variant p-CMFD method by introducing arbitrary factor α and investigated the acceleration performances of the MC/p-CMFD during inactive iterations. A comparison study was also given between the p-CMFD method and the fission matrix method in various aspects.
For the practical use of the domain decomposed MC simulation via the FSS iteration method, the following four issues were considered and their corresponding remedies were presented: 1) To reduce the total execution time by overlapping communication and computation, the non-blocking communication in the message-passing interface (MPI) was applied, 2) To accelerate the slow source convergence of the fission and surface source distributions, the p-CMFD feedback was applied, 3) To reduce the idle times due to the different computing loads for local problems, the source splitting scheme was applied, and 4) To estimate the real variance, the history-based batch (HB) method was applied.
For the transient MC simulation based on the PCQS method, the fission source iteration was applied to solve the transient fixed-source problem (TFSP), where the p-CMFD feedback was applied to accelerate the convergence of the FSDs. Due to the fission source iteration for the transient fixed-source MC simulation, a neutron history is always guaranteed to be terminated even in a super-prompt critical system and the numerical stability is enhanced.
The major findings and results of the thesis are as follows: 1) The real variance and inter-iteration correlation of MC tallies was reduced by the p-CMFD feedback, 2) The FSS iteration method with a load-balancing scheme was proposed for the domain decomposed MC simulation, and 3) The framework of the transient MC simulation based on the PCQS method was established.
초정밀 전노심 몬테칼로 해석을 위해 새로운 방법론들을 연구하였고, 개발한 McBOX 코드를 이용하여 세가지 주요 방법론인 1) 부분 중성자류 소격격자 차분 (p-CMFD) 피드백을 이용한 몬테칼로 고유치 해석 (MC/p-CMFD), 2) 핵분열 및 표면 선원 (FSS) 반복법을 이용한 영역분할 몬테칼로 해석, 3) 예측-수정을 이용한 준 정적 (PCQS) 방법론을 이용한 몬테칼로 과도 해석을 검증 및 시연하였다.
3차원 연속에너지 전노심 문제에서 MC/p-CMFD 방법이 비활성 반복 동안 핵분열 중성자 선원 분포 (FSDs) 의 수렴성을 가속시킬 뿐만 아니라, 국소 MC 집계의 진분산 감소와 반복계산 결과 간의 상관관계 감소에 효과가 있었다. 또한 FSDs의 공간적 클러스터링 효과를 완화시켰다. 그리고 p-CMFD 방법에 임의적 요소인 α를 도입하여 변형된 p-CMFD 방법을 일반화하고 비활성 반복 동안 MC/p-CMFD의 가속 성능에 대해 조사하였고, 또한 p-CMFD 방법과 핵분열 행렬 (fission matrix) 방법의 비교 연구를 수행하였다.
3차원 영역분할 몬테칼로 시뮬레이션을 위한 FSS 반복 방법의 실제적인 사용을 위해 해결해야 할 4가지 문제가 고려되었고 그 해법이 다음과 같이 제시되었다. 1) 총 실행 시간을 줄이기 위해 통신과 계산을 중첩할 수 있는 메시지-전달 인터페이스 (MPI)의 비봉쇄 방식이 적용하였다. 2) 핵분열 및 표면 선원 분포의 느린 수렴성을 p-CMFD 피드백으로 가속하였고, 3) 국소 문제에 따라 계산 시간이 달라서 발생하는 유휴 시간을 줄이기 위해 선원 분할 기법을 적용하였다. 그리고 4) 실제 분산을 추정하기 위해 히스토리-기반 배치 (HB) 방법을 이용하였다.
PCQS 방법론을 이용한 몬테칼로 과도해석에서는 과도 고정 선원 문제 (TFSP)에 핵분열 중성자 선원 반복기법을 도입하였고, p-CMFD 피드백을 적용하여 수렴성을 가속하였다. 이러한 방법은 TFSP를 해석하기 위한 몬테칼로 시뮬레이션이 큰 양의 반응도 삽입 문제에서도 항상 종료된다는 보장이 있으며 핵분열 중성자 선원 반복의 발산이 예측 가능해짐으로써 계산 안정성을 향상시킨다.
이 논문의 주요 결과는 다음과 같다. 1) p-CMFD 피드백으로 몬테칼로 집계의 진분산을 감소시켰고, 2) 영역분할 몬테칼로 계산을 위한 FSS 반복기법이 제안되었다. 그리고 3) PCQS 방법에 기반한 몬테칼로 과도해석법을 확립하였다.
