Improving Monte Carlo reactor physics simulations using adaptive sampling of neutron histories

Amélioration des simulations Monte Carlo en physique des réacteurs par échantillonnage adaptatif des histoires de neutrons

• Auteur / Autrice : Kévin Fröhlicher
• Direction : Eric Dumonteil, Alain Hébert, Julien Taforeau, Mariya Brovchenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'énergie nucléaire
• Date : Soutenance le 01/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....) - Laboratoire de Neutronique (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Tony Lelièvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elsa Merle, Eugene Shwageraus, Margaux Faucher, Cheikh M'Backé Diop
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elsa Merle, Eugene Shwageraus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport des neutrons, Théorie du

Monte-Carlo, Méthode de

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Neutronique

Equation de Boltzmann dépendante du temps

Monte-Carlo

Réduction de variance

Transitoire de puissance

Flux adjoint temporel

Neutron transport

Kinetic Boltzmann equation

Monte Carlo

Variance reduction

Power transient

Time-Dependent Adjoint Flux

Résumé

L'Adaptive Multilevel Splitting (AMS) est une méthode de réduction de variance précédemment mise en œuvre pour le transport des neutrons dans les calculs de radioprotection afin d'améliorer l'efficacité des calculs pour la modélisation d'événements rares.Cette thèse vise à présenter une extension du champ d'application de cette technique aux problèmes de physique des réacteurs en régime permanent et en cinétique/dynamique.En ce qui concerne les calculs en régime permanent ou de criticité, l'agorithme inspiré de la méthode d'itération sur la puissance et sur lequel ces calculs sont généralement basés peut présenter des problèmes.En effet, la normalisation de la population effectuée entre les générations amplifie les fortes corrélations spatiales et générationnelles déjà induites par le processus de naissance et de mort (processus de Galton-Watson) dans le transport des neutrons en milieu multiplicatif.Dans la plupart des situations pathologiques, ces corrélations peuvent provoquer la formation de clusters de neutrons, dépeuplant ainsi certaines parties du système et entraînant des problèmes de convergence.Dans cette thèse, l'itération sur la puissance classique a été refondue en un problème de réduction de variance pour lequel l'AMS a été utilisé afin de résoudre ce problème de clustering.Dans le but de réaliser une preuve de principe, l'AMS a été implémentée dans un code Monte Carlo maquette entièrement développé pendant ce doctorat, pouvant modéliser des problèmes de criticité/statiques avec une modélisation physique simplifiée.La méthode a été caractérisée sur un problème homogène avec des neutrons mono-énergétiques, et les résultats obtenus se sont avérés encourageants pour ce qui est de la réduction des corrélations indésirables dans les calculs de criticité.Une fois testée avec succès dans la maquette, l'AMS a donc été implémentée dans le code Monte Carlo SERPENT2 afin d'étendre son utilisation aux problèmes de cinétique et de dynamique.En effet, malgré les récents développements en matière de réduction de variance, les coûts de calcul associés à ce type de calculs demeurrent très élevés.A cet égard, il a été envisagé de s'appuyer sur l'utilisation d'une carte d'importance par l'AMS pour réduire la variance associée à l'estimation des scores locaux lors des transitoires, améliorant ainsi l'efficacité des calculs de cinétique.Pour ce faire, différentes combinaisons de méthodes ont été testées lors de l'implémentation de l'AMS dans SERPENT2.La caractérisation de l'AMS en cinétique a été principalement faite sur des cas simples tels que des compositions homogènes représentatives d'assemblages de Réacteur à Eau sous Pression (REP), ou des problèmes hétérogènes avec neutrons mono-énergétiques.La méthode a ensuite été appliquée à un transitoire opéré sur un groupe de 3x3 assemblages.Une carte d'importance dépendante du temps a été extraite des équations de cinétique ponctuelle adjointes à cette fin.L'objectif étant, avec le temps, de s'appuyer sur des cartes d'importance dépendantes de l'espace et du temps obtenues à partir de la cinétique espace-temps adjointe pour les neutrons et les précurseurs via des méthodes déterministes.

Adaptive Multilevel Splitting (AMS) is a variance reduction method previously implemented for neutron transport in shielding computation applications to perform variance reduction for rare events.This thesis aims to present an extension of the scope of this technique to steady state and kinetic/dynamic reactor physics problems.Regarding steady state or criticality calculations, the power iteration on which these calculations are generally based can present problems.The population normalization performed between generations amplifies the strong spatial and generational correlations already induced by the birth and death process in neutron transport in multiplicative media.In most pathological situations, these correlations can cause neutrons to form clusters, thus depopulating parts of the system and leading to convergence problems.In this Ph.D., the classical power iteration was recast as a variance reduction problem for which the AMS was used to solve this clustering problem.To realize a proof of concept, the AMS has been implemented in a toy-model Monte Carlo code entirely developed during this Ph.D., which can model criticality/static problems with simplified physics modeling.The method was characterized on a one-speed homogeneous problem, and the obtained results proved to be encouraging regarding the reduction of unwanted correlations in criticality calculations.Once successfully tested on a toy model, the AMS was therefore implemented in SERPENT2 Monte Carlo code to extend its use to kinetics and dynamics problems.Indeed, despite recent developments in variance reduction, the computational costs associated with this type of calculation remain very high.In this regard, we planned to rely on AMS's use of an importance map to reduce the variance on local tallies during transients, therefore improving kinetics calculations efficiency.To do so, different combinations of methods were tested while implementing the AMS into SERPENT2.While the characterization of the AMS in kinetics was mainly done on simple test cases such as homogeneous PWR-like compositions, or heterogeneous one-speed problems, the method was finally applied to a transient operated on an 3x3 assemblies cluster.A time-dependent importance map was retrieved from adjoint point kinetics equations for that purpose.The goal would be, with time, to rely on space and time-dependent importance maps retrieved from deterministic space-time adjoint kinetics for both neutrons and precursors.