Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

• Main Author: Previti, Alberto <1985>
• Other Authors: Mostacci, Domiziano
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna 2014
• Subjects: ING-IND/18 Fisica dei reattori nucleari; Allo; Suo; The Cryosphere
• Online Access: http://amsdottorato.unibo.it/6599/; http://amsdottorato.unibo.it/6599/1/Previti_Alberto_tesi.pdf

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors. Questo lavoro si propone di presentare diversi aspetti della simulazione numerica del trasporto di particelle e di radiazione per applicazioni industriali e di protezione ambientale, per consentire l'analisi di processi fisici complessi in modo veloce, affidabile ed efficiente. Nella prima parte è trattata la velocizzazione della simulazione numerica del trasporto di neutroni per l'analisi del nocciolo di un reattore nucleare. Le proprietà di convergenza della source iteration del Metodo delle Caratteristiche applicate a geometrie strutturate eterogenee sono state migliorate per mezzo della Boundary Projection Acceleration, consentendo lo studio di geometrie 2D e 3D con la teoria del trasporto senza omogeneizzazione spaziale. Le prestazioni computazionali sono state verificate tramite il benchmark C5G7 2D e 3D, mostrando una sensibile riduzione del numero di iterazioni e del tempo di calcolo. La seconda parte è dedicata allo studio dello scattering elastico dei neutroni con isotopi pesanti in funzione della temperatura vicino alla zona termica. È presentato il calcolo numerico della convoluzione Doppler del kernel di scattering elastico col modello gas per una generale sezione d'urto dipendente dall'energia e per una generica legge di scattering nel sistema del centro di massa. L'intervallo di integrazione è stata ottimizzato utilizzando un cutoff numerico, consentendo una valutazione numerica più veloce dell'integrale. I momenti di Legendre del kernel di trasferimento sono successivamente ottenuti per quadratura diretta e validati tramite un'analisi numerica della convergenza. La terza parte è focalizzata alle applicazioni di telerilevamento del trasferimento radiativo per indagini sulla criosfera terrestre. L'equazione del trasporto per fotoni è applicata per simulare la riflettività dei ghiacciai a diverse età dello strato di neve o ghiaccio, al suo spessore, alla presenza o meno di altri strati sottostanti, al grado di polvere inclusa nella neve, creando un sistema in grado di decifrare segnali spettrali raccolti dai rivelatori orbitanti.