Cross-Sections for Transient Analyses: Development of a Genetic Algorithm for the Energy Meshing
Creators: name: Massone, Mattia Vincenzo Edoardo
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Multigroup cross-sections
Genetic algorithm
Reactor safety
Energy grouping

description: Die Bereitstellung von Multigruppen-Wirkungsquerschnitts-Bibliotheken ist ein wesentlicher Schritt in Multigruppen-Neutronentransportrechnungen: eine größere Zahl von Energiegruppen verbessert die Genauigkeit der Ergebnisse, erhöht aber den Rechenaufwand deutlich. Dadurch wird die Durchführung deterministischer transienter Berechnungen erschwert, was sich insbesondere bei einer 3D-Modellierung der Reaktorgeometrie nachteilig auswirkt. Daraus ergibt sich für derartige Rechnungen die Notwendigkeit, die kontinuierliche Energieskala mit möglichst wenigen Energiegruppen zu repräsentieren.
Ein neuartiges Verfahren zur geeigneten Kondensation von Multigruppen-Wirkungsquerschnitten wurde in die mechanistischen Rechenprogramme SIMMER-III und SIMMER-IV implementiert, so dass in den auszuführenden Transportrechnungen eine geringere Auszahl von Gruppen benutzt werden kann, als die ursprünglichen Bibliotheken mit ihrer Feinstruktur der Energiegruppen enthalten. Damit sind genauere Ergebnisse zu erwarten, da die tatsächlich verwendeten Wirkungsquerschnitte eher den ursprünglichen nuklearen Daten entsprechen. Dies muß im Gegenzug nicht durch eine drastische Erhöhung der Rechenzeit erkauft werden, da der Löser der Transportgleichungen nur mit einer limitierten Anzahl von Energiegruppen belastet wird. 
Bei diesem Verfahren hat die geschickte Auswahl der Grobgruppen-Strukur entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Ergebnisse. In der Vergangenheit wurde die Auswahl in den meisten Fällen auf Basis empirischer Erfahrungswerte getroffen. Dies erforderte in der Regel umfangreiche Tests für den jeweils betrachteten Reaktortyp, wobei die spezifische Lösung nur eingeschränkt auf andere Systeme übertragen werden konnte.
In der vorliegenden Arbeit wird ein allgemeines Verfahren beschrieben, das für den jeweils betrachteten Anwendungsfall die bestmögliche Auswahl der Energiegruppen trifft, um später vorhandene Feingruppen-Bibliotheken in eine geeignete Grobstruktur zu überführen. Die Auswahl der Gruppen erfolgt automatisiert durch einen genetischen Optimierungs-Algorithmus. Mit diesem innovativen Verfahren lassen sich verfügbare allgemeine Feingruppen-Bibliotheken zu anwendungsspezifischen Grobstruktur-Wirkungsquerschnitten kondensieren. Durchgeführte Tests für unterschiedliche Reaktortypen und mit verschiedenen Feingruppen-Bibliotheken erbrachten den Nachweis der zuverlässigen Anwendbarkeit der entwickelten Methode, die unter Berücksichtigung der Eigenheiten der betrachteten Anwendungsfälle geeignete Strukturen lieferte. Darüberhinaus gestattet das Verfahren zusätzliche Einblicke in das neutronische Verhalten des Reaktors, die bei der üblichen manuellen Vorgehensweise leicht übersehen werden können. Die Tests zeigen, dass der implementierte Algorithmus repräsentative Energiegruppen-Strukturen bereitstellt, die zuverlässige Ergebnisse für Reaktor-Kenngrößen wie  Multiplikationsfaktor, Reaktivitäts-Rückwirkungs-Koeffizienten und Reaktionsraten liefern. Aus der Analyse der Testergebnisse geht hervor, wie unterschiedliche Reaktorparameter, wie Geometrie, Materialzusammensetzung und das daraus resultierende Neutronenspektrum, den Algorithmus bei der bestmöglichen Wahl der Energiestruktur steuern. Damit wird die Effektivität der entwickelten Methode nachdrücklich demonstriert.