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