Szkolenie edukatorów Energetyki Jadrowej - INSTNCEA
Transkrypt
Szkolenie edukatorów Energetyki Jadrowej - INSTNCEA
Szkolenie edukatorów Energetyki Jądrowej I.N.S.T.N. C.E.A./Saclay France 02.10–18.12.2010r. Dariusz B. Tefelski1 1 Wydział Fizyki Politechnika Warszawska Seminarium Zakładu VII Fizyki Jądrowej Spis treści 1 Wstęp 2 Dydaktyka w I.N.S.T.N. 3 Kody 4 Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Kody Założenia Szkolenie edukatorów energetyki jądrowej Wyjazd został zorganizowany przez Ministerstwo Gospodarki Był to drugi etap – szkoleniowy Trwał od 2 października do 18 grudnia 2010r. W szkoleniu wzięło udział 25 osób z uczelni z całego kraju Przewidziane etapy: 1 Zwiedzanie obiektów związanych z energetyką jądrową 2 Szkolenie 3 Staże 4 Współpraca w rozwoju programów nauczania Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Zakres wykładanych przedmiotów Podział na bloki Fizyka Jądrowa Neutronika Termohydraulika Materiały / Fizyka Ciała Stałego Cykl paliwowy Systemy reaktorowe Bezpieczeństwo - krytyczność Kody Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Kody Rodzaje zajęć Rodzaje zajęć Wykłady Wykłady konferencyjne Ćwiczenia rachunkowe Laboratoria Laboratoria komputerowe - praca z kodami Zwiedzanie obiektów przemysłowych i badawczych Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Kody Zwiedzanie Zwiedzane obiekty Reaktor doświadczalny OSIRIS (70MW) Reaktor doświadczalny ISIS (700kW) – laboratorium Jannus – akceleratory, eksperymenty z potrójną wiązka (Épimethée 3MV, Yvette 2,5MV, Japet 2MV) Wizyta techniczna w Luwrze Elektrownia jądrowa w Doel (Belgia) Teren budowy elektrowni EPR we Flamanville Zakład przetwarzania wypalonego paliwa w La Hague Atomowy okręt podwodny w muzeum w Cherbourgu Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Poznane kody Poznane przez nas kody Na laboratorium: TRIPOLI-4 APOLLO FLICA4 Na wykładach: Darwin Kody Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Kody Dostępność kodów Dostępność kodów Układy o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej (proliferacja) Kody w NEA http://www.oecd-nea.org (Nuclear Energy Data Bank) pismo do ministerstwa Uczestnictwo w projektach NURESIM, NURISP http://www.nuresim.com Licencje z CEA Staże Wstęp Dydaktyka w I.N.S.T.N. Możliwości wyjazdu Możliwości wyjazdu na staże AREVA EDF GDF-SUEZ C.E.A. różne ośrodki badawcze ... Kody Staże Wstęp Metoda Program Test Symulacje Monte–Carlo transportu neutronów „SPOT” J. Skubalski1 A. Polański2 T. Piotrowski3 P. Olbratowski4 D. Tefelski5 1 Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Universytet Łódzki Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana Świerk/Otwock 3 Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska 4 Wydział Fizyki, Universytet Warszawski 5 Wydział Fizyki, Politechnika Warszawska 2 Instytut Saclay, France Wnioski Wstęp Metoda Oficjalne logo Program Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Cele projektu 1 Napisanie kodu symulacji Monte–Carlo transportu neutronów 2 Wyznaczenie dawek radiacyjnych neutronów dla osłon betonowych różnego typu 3 Symulacje podkrytycznego reaktora ADS (Accelerator–Driven System) Wnioski Wstęp Metoda Spis treści 5 Wstęp Metoda Monte–Carlo 6 Metoda Propagacja i zderzenia Źródła i detektory 7 Program Zagadnienia numeryczne Projekt Wejście i wyjście 8 Test Warunki początkowe Wizualizacja danych 9 Wnioski Podsumowanie Program Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Wnioski Metoda Monte–Carlo Historia Stanisław Ulam (13.04.1909 – 13.05.1984) – Polski matematyk ze szkoły Lwowskiej, jeden z twórców metody Monte–Carlo. Brał udział w projekcie Manhattan w Los Alamos, miał duży wpływ na projekt broni termonuklearnej (projekt Teller–Ulam) a także zaproponował rakietowy silnik jądrowy. Wstęp Metoda Program Test Metoda Monte–Carlo Podstawowe zasady Zdefiniowanie systemu, który będzie symulowany Osłona, reaktor, ludzie ciało, itp. Symulowanie pojedynczej cząsteczki (neutronu) Propagacja i reakcje Statystyczna estymacja wartości Strumień cząstek (flux), dawka, itp. Wnioski Wstęp Metoda Program Test Metoda Monte–Carlo Charakterystyka programu SPOT Brak wpływu neutronów na medium w którym się propagują Uszkodzenia radiacyjne, zmiany składu izotopowego, wzrost temperatury itp. Brak powielania neutronów Rozszczepienie, reakcje (n,2n), itp. Brak oddziaływań nieelastycznych Produkcja innych cząstek, rozpraszanie nieelastyczne Jedynie rozpraszanie elastyczne oraz absorpcja Wnioski Wstęp Metoda Propagacja i zderzenia Los neutronu Program Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Propagacja i zderzenia Propagacja Brak interakcji z materią Ruch jednostajny prostoliniowy Odległość określana przez rozkład wykładniczy: t p(d) ∼ e −Σ d Obliczana jako: d =− 1 log (ξ) Σt ξ = random (0, 1) Wnioski Wstęp Metoda Program Test Propagacja i zderzenia Medium Medium Złożone z nuklidów posiadających makroskopowe przekroje czynne Σti Scharakteryzowane przez całkowity przekrój makroskopowy X Σt = Σti Wnioski Wstęp Metoda Program Test Propagacja i zderzenia Zderzenie – faza I Decyzja z jakim nuklidem nastąpiło zderzenie Pi = Losowanie wg rysunku Σti Σt Wnioski Wstęp Metoda Program Test Propagacja i zderzenia Zderzenie – faza II Decyzja jaka nastąpi reakcja Pr = Σri Σti Losowanie jak poprzednio W programie SPOT: jeśli nie wylosowano rozpraszania elastycznego, to mamy absorpcję. Wnioski Wstęp Metoda Program Test Propagacja i zderzenia Zderzenie – faza III Jeśli wylosowano rozpraszanie elastyczne, to w jakim kierunku Losowanie z różniczkowych kątowych przekrojów czynnych z użyciem metody von Neumanna. Wnioski Wstęp Metoda Program Propagacja i zderzenia Metoda losowania von Neumann’a Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Źródła i detektory Źródła neutronów Wymiar 1D (punktowe), 2D (powierzchniowe), 3D (objętościowe) Jednorodne lub z podanym rozkładem przestrzennym Kierunek Skierowane (skolimowane) Izotropowe Energia Monoenergetyczne Z określonego widma energetycznego Wnioski Wstęp Metoda Program Test Źródła i detektory Wielkości makroskopowe Dwa różne światy Symulacje Monte-Carlo dotyczą pojedynczych neutronów Strumienie neutronów, szybkość reakcji itp. to funkcje ciągłe Estymatory statystyczne Wnioski Wstęp Metoda Program Źródła i detektory Gęstość neutronów Poprzez zliczanie neutronów przechodzących przez objętość n' 1 X ti VT Poprzez zliczanie neutronów przechodzących przez powierzchnię n' d 1 X dST νi cos(αi ) Test Wnioski Wstęp Metoda Program Źródła i detektory Gęstość neutronów Poprzez zliczanie neutronów przechodzących przez objętość n' 1 X ti VT Poprzez zliczanie neutronów przechodzących przez powierzchnię n' 1 1 X ST νi cos(αi ) Test Wnioski Wstęp Metoda Program Źródła i detektory Strumień neutronów (flux) Strumień neutronów (flux) Φ = nν Przez objętość Φ' 1 X νi ti VT Przez powierzchnię Φ' 1 1 X ST cos(αi ) Test Wnioski Wstęp Metoda Program Źródła i detektory Detektory Typy Powierzchniowe Objętościowe Funkcje Zliczanie neutronów Wyznaczanie gęstości, strumienia, dawki itp. Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Zagadnienia numeryczne Zagadnienia numeryczne Wyznaczenie przekrojów czynnych Liniowa interpolacja w energii Interpolacja splajnami (cubic spline) dla przekrojów kątowych Transformacja pomiędzy układem odniesienia laboratoryjnym (LAB) a układem odniesienia środka masy (CMS) Wyznaczanie kierunku rozproszenia neutronu Poprzez kąty Eulera i macierze obrotów Wnioski Wstęp Metoda Program Test Projekt Projekt 1 Wybrany język programowania: C++ (programowanie obiektowe) 2 Wzorzec projektowy aplikacji konsolowej 3 Wykorzystanie rozproszonego systemu kontroli wersji „Mercurial” do współpracy w rozwoju programu. 4 Zaimplementowanie formatu XML jako plik wejściowy opisujący symulację (wykorzystano bibliotekę PugiXML na licencji MIT) 5 Wykorzystanie procedur histogramujących z oprogramowania GNU Octave w procesie analizy oraz programu Gnuplot do wykonywania wykresów 2d i 3d. Wnioski Wstęp Metoda Projekt Diagram przepływu danych Program Test Wnioski Wstęp Metoda Projekt Algorytm symulacji Program Test Wnioski Wstęp Metoda Program Projekt Fragment klasy neutron programu SPOT Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Projekt Diagram UML klasy opisującej materiał, w którym propagują się neutrony Xml + + + + + + + + + Target Xml(filename : c har*) getExperimentName() : string getIterationsNumber() : unsigned int getNeutronsNumber() : unsigned int getS eedValue() : unsigned long long int getS pec trumFileName() : string getIsotopes() getMediums() getTargets() + + + + + + + + + getName() : string getMedium() : c onst Medium* getMediumName() : string c hec kIfInside(p : c onst Point& ) : bool c hec kZ(p : c onst Point& ) : bool getLenX() : double getLenY() : double getLenZ() : double getVolume() : double -medium Target::Xml 0..1 Medium + + + + + + + + getNumber() : int getName() : string getS igmaElastic (number : int, energy : double) : double getS igmaTotal(number : int, energy : double) : double getS igma(energy : double) : double getA(number : int) : double getIsotope(number : int) : c onst Isotope& getDensity(number : int) : double Ingredient Medium::Xml Ingredient::Xml + Ingredient(density : double, isotope : Isotope*) -isotope 0..1 Isotope + + + + + + + + + getName() : c onst string& getTotal(energy : double) : double getElastic (energy : double) : double getTotalFileName() : string getElastic FileName() : string setA(A : double) getA() : double c hec k() tossAngle(energy : double) : double Sigma + operator >>(stream : istream& , sigma : S igma& ) : istream& Isotope::Xml Wnioski Wstęp Metoda Program Wejście i wyjście Plik wejściowy – źródło neutronów Test Wnioski Wstęp Metoda Wejście i wyjście Plik wejściowy – detektor Program Test Wnioski Wstęp Metoda Program Test Wejście i wyjście Wyjście Plik główny Statystyczne kalkulacje (wartość średnia i odchylenie standardowe) poprzez wielokrotne uruchomienia symulacji (batch jobs) Strumień neutronów (flux) Dawki Energie neutronów wyłapanych przez detektory Histogramy Wnioski Wstęp Metoda Program Test Wnioski Warunki początkowe Energie neutronów wygenerowane z rozkładu typowego dla reaktora lekkowodnego 6e+13 Flux [n/(cm2*s)] 5e+13 4e+13 3e+13 2e+13 1e+13 0 1e-10 1e-08 1e-06 0.0001 E [Mev] 0.01 1 100 Wstęp Metoda Program Test Wnioski Warunki początkowe Wygenerowane neutrony 6e+13 400 5e+13 350 Flux spectrum of generated neutrons 250 Counts [1/s] Flux [n/(cm2*s)] 300 4e+13 3e+13 200 150 2e+13 100 1e+13 50 0 0 2 4 6 8 10 12 E [Mev] 14 16 18 20 0 0 5 10 E [MeV] 15 20 Wstęp Metoda Program Test Wnioski Warunki początkowe Porównanie wyników symulacji z programów MCNP and SPOT 0.35 MCNP SPOT 0.3 Ndetector/N0 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 30 Z [cm] 35 40 45 50 Rys.: Neutrony monoenergetyczne 1MeV. Różna grubość osłon Wstęp Metoda Program Test Wnioski Warunki początkowe Porównanie wyników symulacji z programów MCNP i SPOT 0.7 MCNP SPOT 0.65 Ndetector/N0 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0 1 2 3 4 5 6 E [MeV] 7 8 9 10 Rys.: Grubość osłony: 10cm. Zakres energii początkowych: 0.1 - 10MeV Wstęp Metoda Program Test Wnioski Warunki początkowe Całkowity przekrój czynny i całkowity przekrój czynny na rozpraszanie elastyczne dla jądra tlenu Wstęp Metoda Program Test Wizualizacja danych Rozpraszanie neutronów w betonowym bloku. Źródło neutronów punktowe N=1000 E=2MeV z=10cm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4030 2010 0-10 -20-30 -40-40 -30 -20 -10 0 40 10 20 30 Wnioski Wstęp Metoda Program Test Wizualizacja danych Rozpraszanie neutronów w betonowym bloku. Źródło neutronów powierzchniowe - prostokątne N=2000 E=1MeV z=20cm 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -100-80 -60 -40 -20 -20 -40 0 20 -60 40 60 -80 80 100 -100 0 100 80 60 40 20 Wnioski Wstęp Metoda Program Test Podsumowanie Podsumowanie Został napisany program wykonujący symulacje Monte-Carlo transportu neutronów. Uzyskano ilościową zgodność wyników otrzymanych z programu MCNP i SPOT w spodziewanym przedziale energetycznym. Wnioski Wstęp Metoda Program Test Wnioski Podsumowanie Podziękowania Dziękujemy Pani Matyldzie Moiron za wskazanie nam darmowego i ogólnie dostępnego oprogramowania JANIS z bazami przekrojów czynnych, bez których nie udało by się wykonać symulacji Monte–Carlo. Wstęp Metoda Program Zdjęcie zadedykowane Peterowi Berbenowi z GDF Suez Dziękuję, za uwagę! Test Wnioski