Development of a GPU-Based Monte Carlo Neutron Transport Code for Advanced Reactor Analyses = 선진원자로 해석을 위한 GPU 기반 몬테칼로 중성자 수송해석 코드 개발

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 선진 원자로 시스템의 고정밀 해석을 위한 GPU 기반 몬테칼로 중성자 수송 해석 시스템을 개발한 연구이다. 선진 원자로는 복잡한 형상과 강한 다물리 피드백을 특징으로 하며, 이는 기존 해석 도구로는 정확한 분석이 어려운 중요한 과제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 세 가지 핵심 기술을 중심으로 시스템을 구현하였다. 첫째, 비정형 격자 기반의 GPU 가속 중성자 추적 모듈, 둘째, MPI 동적 프로세스 관리에 기반한 확장형 다물리 연성 해석 체계, 셋째, 실용적인 시간 의존 과도현상 해석을 위한 GPU 기반 시간종속 몬테칼로 해석 기법이다.

첫 번째로, 비정형 격자를 효율적으로 지원하는 중성자 추적 모듈을 개발하였다. 그래픽스 레이 트레이싱 기법과 Proper-Hit 알고리즘을 도입하여 복잡한 형상의 기하학 처리를 안정적으로 수행할 수 있도록 하였으며, 이와 함께 Zone-wise Delta-tracking 기법을 적용하여 이질 재료 분포를 가지는 비정형 격자에서의 계산 효율을 개선하였다. 또한, 수송 격자와 독립적으로 탤리를 수행할 수 있는 유연한 다중 격자 탤리 구조를 도입하여, 다물리 연성 해석과의 연계도 가능하게 하였다.

두 번째로, 다물리 해석을 위한 MPI 기반 코드 연계 프레임워크를 구축하였다. 본 프레임워크는 몬테칼로 중성자 수송 해석 코드와 열수력 및 구조 해석 코드 간의 모듈화된 연계를 지원하며, 비정합 격자 간의 양방향 데이터 교환을 가능하게 한다. 해당 체계는 히트파이프 냉각 초소형원자로에 적용되어 정상 운전 및 냉각 손상 조건에서의 해석이 수행되었으며, NASA의 KRUSTY 실험과 MegaPower 전노심 문제를 통한 검증을 통해 그 정확성과 계산 성능이 입증되었다.

세 번째로, 시간 종속 몬테칼로 해석 기법을 GPU 상에서 구현하였다. 시구간 별 입자 추적 구조에 대해, GPU 병렬화된 입자 개체 수 제어 기법 및 지발 중성자 처리 알고리즘을 개발하여 통계적 안정성과 계산 확장성을 확보하였다. 해당 기법은 C5G7-TD 및 VERA 벤치마크 과도 해석을 통해 정확성이 검증되었고, 선진원자로의 제어 드럼 회전 과도 시나리오에 해당 기법을 적용하여 고정밀 과도 해석의 실용적인 적용 가능성을 입증하였다.

본 연구에서 개발된 시스템은 기하학 표현, 연성 해석, 시간 의존 시뮬레이션 측면에서 기존 MC 기반 해석의 한계를 극복하고, 선진 원자로의 고신뢰 해석을 위한 고성능 시뮬레이션 환경을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents the development of a GPU-based Monte Carlo (MC) neutron transport system tailored for the high-fidelity analysis of advanced reactor systems. These reactors often feature geometrically complex cores and exhibit strong multiphysics feedback, posing significant challenges for conventional simulation tools. To overcome these limitations, this research introduces three significant advancements: a GPU-based neutron tracking module for unstructured meshes, an extensible multiphysics coupling framework, and a GPU-based time-dependent Monte Carlo (TDMC) simulation capability.

The first development is a neutron tracking module designed to efficiently support unstructured mesh geometries. By integrating graphics ray tracing technology and introducing the Proper-Hit algorithm, the system ensures robust and accurate ray traversal across complex geometries. A zone-wise delta-tracking method was also implemented to improve overall tracking efficiency in unstructured meshes. A flexible multi-mesh tally scheme was also implemented, allowing decoupling between transport and tally meshes, and enabling compatibility with multiphysics codes.

The second contribution is the construction of a multiphysics simulation framework based on MPI dynamic process management. This framework enables modular coupling between the MC neutron transport code and external thermal-hydraulic or structural solvers. It supports bidirectional data exchange across non-conforming meshes and facilitates fully coupled simulations. The framework was applied to the analysis of heat pipe–cooled microreactors (HPMRs), and its accuracy was validated through the KRUSTY experiment and full core simulations of the MegaPower reactor.
The third advancement is a GPU-based TDMC method that enables direct simulation of transient phenomena. A time bin-by-bin particle tracking scheme with GPU-parallelized population control and delayed neutron treatment was implemented to ensure statistical stability and scalability. The method was verified against standard benchmarks and applied to transient scenarios involving control rod and control drum movements of practical reactor problems.

Collectively, the proposed system provides a scalable, high-fidelity simulation environment for advanced reactors, overcoming long-standing limitations in geometry representation, solver coupling, and time-dependent MC simulations.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables ix
• List of Algorithms x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Overview and Motivation 1
• 1.2 Literature Overview 8
• 1.3 Objectives and Scopes 11
• Chapter 2. Unstructured Mesh Neutron Tracking Methodology 13
• 2.1 Graphics Ray Tracing for Neutron Transport 14
• 2.1.1 Graphics Ray Tracing Overview 14
• 2.1.2 Unstructured Mesh Treatment 20
• 2.1.3 Self-Intersection Resolution 25
• 2.1.4 Verification and Performance Analysis 31
• 2.2 Tracking Algorithm 34
• 2.2.1 Surface-Tracking Algorithm 35
• 2.2.2 Delta-Tracking Algorithm 37
• 2.2.3 Zone-wise Delta tracking algorithm. 41
• 2.2.4 Comprehensive Performance Analysis 43
• 2.3 Unstructured Mesh Domain Decomposition 55
• 2.3.1 Azimuthal Domain Partitioning 56
• 2.3.2 Surface Source Exchange 57
• 2.3.3 Performance Analysis 59
• 2.4 Multi-Mesh Treatment 62
• 2.4.1 Multi-Mesh Tally 62
• 2.4.2 CMFD Acceleration with Multi-Mesh 68
• 2.5 Comprehensive Demonstration 72
• 2.5.1 ABTR Benchmark 72
• 2.5.2 MSRE Experiment 78
• Chapter 3. Extensible Multiphysics Coupling Framework 83
• 3.1 Extensible Multiphysics Reactor Simulator 84
• 3.1.1 Manager – Worker Code Coupling 85
• 3.1.2 Multi-Layered Coupling Structure 87
• 3.1.3 Coupled Simulation Workflow 89
• 3.2 HPMR Multiphysics Analysis System 91
• 3.2.1 OpenFOAM 91
• 3.2.2 ANLHTP 93
• 3.2.3 OpenFOAM – ANLHTP Coupling 93
• 3.3 Initial Verification 95
• 3.3.1 Integrity Examination 97
• 3.3.2 Nominal Operating Condition 98
• 3.3.3 Heat Pipe Failure Condition 100
• 3.4 Comprehensive Verification and Validation 106
• 3.4.1 KRUSTY Experiment 107
• 3.4.2 MegaPower Reactor 119
• Chapter 4. GPU-Based Time-Dependent Monte Carlo Method 125
• 4.1 Theory and Methodology 127
• 4.1.1 Direct Time-Dependent Monte Carlo Method 127
• 4.1.2 Particle Population Control 131
• 4.1.3 Delayed Neutron Treatment 136
• 4.1.4 Steady-State Initialization 138
• 4.2 Initial Verification 142
• 4.2.1 C5G7-TD Benchmark Case 0 143
• 4.2.2 C5G7-TD Benchmark Case 4 145
• 4.3 Comprehensive Verification and Application 152
• 4.3.1 VERA Benchmark Problem 3: Control Rod Ejection 153
• 4.3.2 Advanced Reactor Application: Control Drum Rotation 157
• Chapter 5. Conclusions 164
• References 166
• 초 록 169