On the Impact of Monte Carlo Statistical Uncertainty on Surrogate-based Design Optimization
研究蒙特卡洛模拟不确定性对中子慢化器等设计优化中代理模型的影响,发现影响因问题而异,建议采用多保真度方法平衡计算效率与优化准确性。
2025-05-19 physics.comp-ph stat.AP
Constructing Sub-scale Surrogate Model for Proppant Settling in Inclined Fractures from Simulation Data with Multi-fidelity Neural Network
Peking University(北京大学);Peng Cheng Laboratory(鹏城实验室);Southern University of Science and Technology(南方科技大学);China University of Geosciences(中国地质大学)
颗粒在倾斜通道中的沉降是在页岩气生产的水力压裂期间发生的重要现象。通常,为了准确地模拟大规模(油田规模)支撑剂输送过程,构建快速且准确的亚尺度支撑剂沉降模型或替代模型成为关键问题,因为物理参数与支撑剂沉降速度之间的映射是复杂的。以前,颗粒沉降通常通过高保真实验和细观尺度数值模拟来研究,这两种方法都很耗时。在这项工作中,提出并利用了一种新的方法,即,多保真度神经网络(MFNN),以构建一个沉降代理模型,它可以利用高保真度和低保真度(因此,更便宜)的数据。结果表明,使用MFNN构建沉降代理可以减少对高保真数据的需求,从而减少80%的计算成本,而与高保真代理相比,精度损失小于5%。将所研究的颗粒沉降模型应用于宏观尺度的支撑剂运移模拟中,结果表明该模型对支撑剂运移具有重要意义,并能得到较准确的结果。这为快速预测储层应用中的支撑剂沉降速度开辟了新途径。
2021-09-25 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Speeding up reactive transport simulations in cement systems by surrogate geochemical modeling: deep neural networks and k-nearest neighbors
我们通过将RT代码中的地球化学求解器替换为代理模型或仿真器来加速反应性输运(RT)模拟,考虑经过训练的深度神经网络(DNN)或k-最近邻(kNN)回归量。我们专注于2D浸出硬化水泥浆体扩散或平流-分散运输条件下,硅酸钙水合物和4或7个化学成分的固溶体表示,并使用HPx(耦合Hydrus PHREEQC模型)反应运输代码作为基线。我们发现,经过训练,我们的基于DNN和基于kNN的代码HPx-DNN和HPx-kNN都可以令人满意地做出非常准确的预测,同时与HPx相比,提供了3到9的加速因子,具有4个核心的并行地球化学计算。以单线程HPx为基准,这些加速因子变为8到33。总的来说,HPx-DNN是HPx-kNN被发现在GPU上执行DNN回归和kNN搜索时实现接近最佳的加速比。重要的是,对于更复杂的7组分水泥体系,无法设计出在可能的地球化学条件的整个空间上全局准确的仿真器。相反,我们因此构建“本地”仿真器,这些仿真器仅在输入参数空间的相关部分上有效。这个空间是通过运行一个粗略的,因此计算便宜的全RT模拟,并随后通过内核密度采样探索。未来的工作将集中在提高这种类型的水泥系统的准确性。
2021-11-30 physics.chem-ph physics.comp-ph
Graph Convolutional Networks for Simulating Multi-phase Flow and Transport in Porous Media
Chevron Technical Center(雪佛龙技术中心);The University of Arizona(亚利桑那大学)
针对CNN难以处理多孔介质多相流模拟中非结构化网格的问题,提出适配耦合PDE双曲特性的GCN代理模型,可高精度预测压力与饱和度演化,对未见过的不规则域和非结构化网格泛化性好。
2024-04-15 cs.LG physics.comp-ph
Neurons for Neutrons: A Transformer Model for Computation Load Estimation on Domain-Decomposed Neutron Transport Problems
Oregon State University(俄勒冈州立大学)
本文提出一种带三维输入嵌入的Transformer模型,用于预测域分解中子输运问题的子域计算负载,在SMR模拟上达到98.2%准确率并可跳过小规模模拟步骤。
2025-03-31 cs.AI physics.comp-ph
numerical caseology by Lagrange interpolation for the 1D neutron transport equation in a slab
在这里,我们关注的是一个新的,高精度的,数值解的基础上的情况下解析奇异本征函数展开(SEE)的一维中子输运方程。虽然目前存在相当数量的数值解,但可以理解的是,由于其复杂性,即使在一维中,中子输运方程也只有少数真正的解析解。1960年,凯斯为各种理想化的运输问题引入了SEE的一致性理论,并永远改变了分析运输理论的面貌。包括FN方法在内的几种数值方法都是基于该理论。提出的是另一种称为Lagrange阶N方法(LNM)的方法,其特点是具有FN方法的简单性和精度,但更方便和自然的Lagrange多项式基。
2022-09-08 physics.comp-ph
Multigroup Neutron Transport using a Collision-Based Hybrid Method
将中子输运方程离散纵标近似的基于碰撞的混合算法推广到多群情形。该算法使用两种不同分辨率的离散能量和角度网格,并在粗网格上近似裂变和散射源。耦合的碰撞输运方程,离散的粗网格,与未碰撞的输运方程,离散的细网格,产生一个算法,在大多数情况下,比传统的多组方法更有效。对现有技术的改进证明了与时间相关的问题,不同的材料,几何形状,和能源集团。
2022-12-02 physics.comp-ph
Calculating Time Eigenvalues of the Neutron Transport Equation with Dynamic Mode Decomposition
基于含时输运方程的解,提出了一种计算中子输运问题时间本征值的新方法。使用这些解决方案,我们使用动态模式分解(DMD),形成一个近似的运输运营商。这个近似算子的本征值可以直接与中子输运方程的时间本征值相关。这种方法适用于任何临界水平的系统,并且不需要用户对特征值进行估计。数值结果均质和非均质介质。数值结果表明,该方法在给定的时间范围内找到了对解演化最重要的特征值,而实部最大的特征值对系统演化并不一定重要.
2019-01-14 physics.comp-ph
A coupled neutronics shock physics solver: implementation of an SN neutron transport module
米兰理工大学正在开发一种耦合中子学和冲击物理学的多物理场有限体积法(FVM)求解器,用于分析冲击内爆裂变材料[1]。建议的求解器可以是一个有用的工具,使初步的安全评估亚临界钚实验[2],更一般地说,进行临界安全评估的情况下,涉及裂变材料的强能量事件(如化学爆炸)[3]。为此,将多群SP3中子输运模型与流体动力学冲击物理模型[4]耦合,该模型适合于描述固体材料中强冲击波的传播。冲击物理模块实现了动态网格来再现材料变形,并且其控制方程以任意拉格朗日欧拉(ALE)公式编写,以在大变形的情况下保持网格质量。
2020-01-07 physics.comp-ph
Advanced surrogate model for electron-scale turbulence in tokamak pedestals
本文基于敏感性驱动稀疏网格插值构建托卡马克边缘ETG湍流输运代理标度律,纳入$q$、$β_e$、$λ_D$等参数,并通过bootstrap区间及分布内、越界、分布外测试验证其优于现有标度律。
2024-10-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An Accurate S$_N$ Method for Solving Static Multigroup Neutron Transport Equations in Slab Geometry
本文提出一种精确的S_N求解器,用于平板几何中恒定截面区域,无需精细网格或近似解形式即可获得精确角通量。
2023-07-23 physics.comp-ph
iQMC: Iterative Quasi-Monte Carlo for k-Eigenvalue Neutron Transport Simulations
本研究提出iQMC方法,将拟蒙特卡罗模拟替代标准求积技术,在MCDC中结合幂迭代和广义戴维森法求解k特征值中子输运问题,并通过Takeda-1基准验证。
2023-06-20 nucl-th physics.comp-ph
Collision-Based Hybrid Method for Two-Dimensional Neutron Transport Problems
本文针对二维瞬态多群中子输运方程离散纵标近似问题,提出基于碰撞的混合方法,通过拆分方程并分别采用高低保真度网格,在收敛时间和精度上优于传统方案。
2025-02-14 physics.comp-ph
Application of Reinforcement Learning for Multigroup Energy Grid Optimization for Neutron Transport Criticality Problems
Los Alamos National Laboratory(洛斯阿拉莫斯国家实验室)
提出使用强化学习结合代理模型优化一维球k临界问题的能群结构,通过修改PPO算法奖励准确且少群的结构,并利用神经网络代理模型加速训练,在Godiva和BeRP球问题中优于常用群结构。
2026-05-27 physics.comp-ph
Data Reduction in Deterministic Neutron Transport Calculations Using Machine Learning
裂变和散射数据的中子截面矩阵对于每种材料、温度和富集水平都是必需的,以便准确地计算中子输运方程。当能量组的数量很大时,使用多组离散坐标(SN)方法时,此信息可能是一个限制因素。机器学习(ML)可以用于通过再现将标量通量映射到散射和裂变源的函数来代替对截面矩阵的需要。通过使用自动编码器和深度联合信息神经网络(DJINN),对于618组问题,数据存储需求减少了94%。这是在保持标量通量、保持一般性和减少挂钟时间的同时实现的。
2022-05-10 physics.comp-ph
Solving the Discretised Boltzmann Transport Equations using Neural Networks: Applications in Neutron Transport
Imperial College London(帝国理工学院);Queen Mary University of London(伦敦玛丽女王大学)
在本文中,我们使用AI库求解玻尔兹曼输运方程。这之所以有吸引力,是因为它使人们能够在AI库中使用高度优化的软件,使人们能够在不同的计算机体系结构上运行,并使人们能够利用为AI和ML应用开发的大量基于社区的软件,例如混合算术精度或模型并行。在这里,我们采取的第一步发展这种方法的玻尔兹曼输运方程,并制定必要的方法,以便有效地做到这一点。这包括:1)空间角度多重网格求解方法,可以提取在GPU或新AI计算机上高效运行所需的并行度。2)一种新的卷积有限元法(ConvFEM),大大简化了高阶有限元(二次到五次)的实现。3)引入耗散各向异性的非线性Petrov-Galerkin方法。
2023-01-25 cs.CE cs.LG physics.comp-ph
A generative machine learning surrogate model of plasma turbulence
首次提出基于卷积变分自编码器与循环神经网络的 GAIT 生成式代理模型,将等离子体湍流模拟速度提升 400 倍,并在多种谱、拓扑及输运特征上与 HW 模型高度一致。
2024-12-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Neural network surrogate of QuaLiKiz using JET experimental data to populate training space
在集成托卡马克等离子体建模,湍流输运代码通常是计算瓶颈限制其日常使用以外的放电后分析。神经网络(NN)代理已被用来加速这些计算,同时保持所需的准确性的物理模型。本文扩展了以前的神经网络模型,称为QLKNN超10 D,将杂质,等离子体旋转和磁平衡效应的影响。这是通过增加轻杂质分数密度($n_{imp,light} / n_e$)及其归一化梯度、归一化压力梯度($α$)、环形马赫数($M_{tor}$)和归一化环形流速度梯度来实现的。输入空间根据JET托卡马克的实验数据进行采样,以避免维数灾难。由此产生的网络,命名为QLKNN-jetexp-15 D,显示出良好的协议与原来的EST-LiKiz模型,无论是通过比较个人的运输量预测,以及比较其在集成模型,JINTRAC的影响。对于测试的5种情景中的每一种情景,综合建模模拟的剖面平均RMS <10%。这是不平凡的给定的潜在数值不稳定性内的高度非线性系统的方程管理等离子体传输,特别是考虑到新增加的动量通量预测模型在这里提出的。在一个径向位置评估所有25个NN输出量需要$\sim$ 0.1 ms,比原始的LIGHTLiKiz模型快$10^4$倍。在本研究中进行的JINTRAC集成建模测试中,使用QLKNN-jetexp-15 D导致速度仅增加60 - 100,因为湍流传输之外的其他物理模块成为瓶颈。
2021-05-03 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The Method of Simultaneous Solutions Applied to Neutron Transport and Heat Conduction
Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院);University of Michigan(密歇根大学)
提出同时求解法,一种蒙特卡洛方法,通过追踪中子输运随机游走同时求解中子输运和热传导方程,以降低计算成本,但存在分支过程耗时、无限方差和近似误差等问题。
2026-05-23 physics.comp-ph
Reducing Spatial Discretization Error with Linear Discontinuous Source Tilting in Iterative Quasi-Monte Carlo for Neutron Transport
本文针对迭代准蒙特卡洛(iQMC)中子输运方法中空间离散和分段常数源导致的空间误差限制收敛问题,借鉴IMC概念开发了基于历史的不连续分段线性源倾斜方案以减少误差,并通过改编自Takeda-1的二维问题验证了其有效性。
2023-06-26 physics.comp-ph
Neutron Counting Statistics calculations Using Deterministic Transport
针对低源反应堆启动等需考虑中子输运随机性的场景,推导任意阶矩且裂变项按裂变多重性矩展开的耦合伴随输运方程组,在PANDA代码实现并验证,可计算探测中子数的矩和概率。
2024-11-17 nucl-ex physics.comp-ph
Piecewise Diffusion Synthetic Acceleration Scheme for Neutron Transport Simulations in Diffusive Media
离散纵标法($S_N$)是求解中子输运方程的常用方法。然而,众所周知的是,在光学厚和扩散介质中,例如压水核反应堆(PWR),其遭受散射源的缓慢会聚。在反应堆物理应用中,$S_N$方法因此通常伴随有加速算法,例如扩散合成加速(DSA)。随着最近计算能力的提高,整个堆芯输运计算已成为一个合理的目标。然而,它需要使用大型计算机和并行化的运输求解器。由于DSA算子的椭圆性质,其并行化并不简单。在本文中,我们提出了一个加速算子来自DSA,但定义在一个分段的方式,使其并行实现是直接的。我们发现,对于光学厚度足够的介质,这种分段扩散合成加速(PDSA)保留了DSA的良好性能。这一结论得到了数值实验的支持。
2017-11-07 physics.comp-ph
Double PN Benchmark Solution for the 1D Monoenergetic Neutron Transport Equation in Plane Geometry
针对线性中子输运方程数值验证需求及全域PN方法在材料界面处精度不足的问题,提出一种双PN方程求解新方法,可分别展开入射出射通量以保留界面不连续性,并在各向同性散射介质中完成验证。
2024-06-18 physics.comp-ph
TOUCANS: a versatile Monte Carlo neutron transport code based on Geant4
本文介绍了基于Geant4开发的新型蒙特卡罗中子输运代码TOUCANS,它通过简单输入文件快速建模复杂系统,结合自适应多级分裂等先进技术提供屏蔽与临界计算能力,并与多个工具深度耦合,在中子物理精度上达到工业级水平。
2023-02-06 nucl-ex nucl-th physics.acc-ph
A Numerical Solution of the Time-Dependent Neutron Transport Equation Using the Characteristic Method. Applications to ICF and to Hybrid Fission-Fusion Systems
Military Institute of Engineering(军事工程学院)
本文提出利用特征法求解时间依赖中子传输方程,用于惯性约束聚变和混合裂变-聚变系统的模拟。
2025-12-16 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Physics-Informed Neural Networks as Fast Surrogate Models for Electrochemical Flow Reactors
Tecnológico de Monterrey(蒙特雷理工学院);New York University(纽约大学);University of Southampton(南安普顿大学)
本研究提出物理信息神经网络(PINN),将其作为电化学流动反应器的快速替代模型,经验证精度高、速度快,为低计算成本的数字孪生建模提供基础。
2026-08-21 physics.chem-ph physics.comp-ph
NCrystal : a library for thermal neutron transport
介绍了一个用于热中子输运模拟的开放源码软件包。该代码有助于基于蒙特卡罗的输运模拟,并在初始版本中侧重于镶嵌单晶以及多晶材料和粉末中的相互作用。相干弹性(布拉格衍射)和非相干或非弹性(声子)散射建模,作为输入的晶体晶胞的基本参数。包括一个经过验证的晶体定义的数据库,独立工具和C++,C和Python编程语言的接口。两个流行的模拟软件包,Geant 4和McStas,提供了接口,使高度逼真的模拟典型组件的中子散射仪器,包括射束过滤器,单色器,分析仪,样品和探测器。所有接口都详细介绍,以及最终用户配置程序,该程序在所有接口中都保持用户友好和一致。概述了相关的中子散射理论,并讨论了该软件的物理建模能力。这里特别关注从各种输入来源加载晶体结构和形状因子的能力,并根据实验数据和现有晶体学软件对结果进行基准测试和验证。良好的协议得到遵守。
2019-07-10 cond-mat.mtrl-sci nucl-ex nucl-th
Limit theorems for the neutron transport equation
本文针对中子输运与Iterated Fission Probability方法,证明单粒子渐近中子种群矩的极限定理,并构造可验证Monte Carlo代码的精确基准。
2024-07-05 math.PR physics.comp-ph
The influence of nuclear models and Monte Carlo radiation transport codes on stray neutron dose estimations in proton therapy
本文研究了几种蒙特卡罗辐射输运程序和核模型对次级中子能谱模拟的影响及其对质子治疗中子剂量计算和测量的影响。使用三种不同的多用途蒙特卡罗辐射输运代码(FLUKA、MCNPX、Geant 4)和不同的可用核模型,使用10 cm x 10 cm矩形单能质子束(110、150、180和210 MeV)计算PMMA壁水箱体模内各点的次级中子能谱。采用比释动能近似,利用水中注量-剂量当量转换系数计算了二次中子剂量。此外,电化学蚀刻的CR 39检测器校准的不同光谱的影响进行了分析,为不同的代码和模型。在布拉格峰以外的远端位置,结果显示最大的代码之间的变化,高达53%的高能量中子注量在16厘米从布拉格峰的110 MeV质子束。在横向位置,代码之间的变化较小,总中子注量在20%以内。MCNPX中的核模型的变化仅在180和210 MeV的质子束能量下可见,并且在距离束轴11 cm的横向处对210 MeV的高能量中子注量进行建模,其高达23%。对于所使用的不同模型,对中子剂量当量的影响有限(<8%),而对于不同的代码,影响很明显(在距离110 MeV质子束的布拉格峰16 cm处为45%)。CR 39横向校正因子在程序间平均变化10%,在核模型间平均变化5%,这表明不同程序对计算的中子注量谱有很大影响,而MCNPX中不同模型对质子治疗中子模型的影响较小。
2021-12-07 physics.comp-ph physics.med-ph
Simplified-DPN treatment of the neutron transport equation
本文提出中子输运方程的简化双球谐函数SDPN近似,将其转化为二阶多群扩散方程并用有限元法求解,在相同计算成本下比SPN在临界性特征值等参数上精度更高。
2023-10-09 nucl-th physics.comp-ph