Конспект лекций-2010

8.3. Сопряженные функции и уравнения

не будем, сосредоточившись только на теории возмущений, дающей, в частности, и общий формализм подхода к константной проблеме.

8.3. Сопряженные функции и уравнения

Если известно значение функции плотности потока ϕ(r,E,Ω), то любую физическую величину, линейно связанную с этой функцией, можно выразить в виде линейного функционала

Ip = dr dE dΩϕ(r,E,Ω)·p(r,E,Ω) ≡ ϕ,p .

(8.29)

Здесь для краткости угловыми скобками обозначено интегрирование по всем переменным. Функция p(r,E,Ω) характеризует связь рассматриваемой физической величины Ip с плотностью потока ϕ(r,E,Ω). Ее физический смысл – вклад единичной плотности потока в измеряемую величину Ip. Приведем примеры типичных функционалов.

1.Количество столкновений в некоторой фиксированной точке r

вединицу времени

Ip(r ) =	dΩ	dE ϕ(r,E,Ω)·Σ(E)·δ(r −r )dr.	(8.30)
Здесь p(r,E,Ω) = Σ(E)·δ(r −r ), где δ(r −r ) – дельта-функция.
2. Доза в некоторой произвольно фиксированной точке r :
Ip(r ) =	dΩ dE	ϕ(r,E,Ω)·D(E)·δ(r −r )dr,	(8.31)

где D(E) – доза, определяемая единичным потоком излучения с энергией E. Здесь p(r,E,Ω) = D(E)·δ(r −r ).

3. Плотность потока излучения в произвольно фиксированнойточке r с направлением скорости Ω и энергией E :

Ip(r ) =

ϕ(r,E,Ω)·δ(r −r )·δ(E −E )·δ(Ω −Ω )dr dE dΩ. (8.32)

Здесь p(r,E,Ω) = δ(r −r )·δ(E −E )·δ(Ω −Ω ). Значениефункционала(8.29)иегоконкретныхмодификаций(8.30)-

(8.32) можно определить также с помощью функции ϕ (r,E,Ω), сопряженной потоку ϕ(r,E,Ω):

Ip = Iq = dr dE dΩϕ	(r,E,Ω)	q(r,E,Ω)	≡	ϕ	,q .	(8.33)
p	·			p

149

Глава 8. Многоскоростное уравнение переноса

Здесь q(r,E,Ω)– источник в УП (8.25), а ϕp(r,E,Ω)– решение сопряженного уравнения. Это уравнение будет получено ниже. Здесь отметим, что, в отличие от универсальной сопряженной функции, фигурирующей при расчете критичности реактора, – функции «ценности» нейтронов, при расчете характеристик защиты от излучения используются различные сопряженные функции, каждая из которых относится к определенному функционалу. В расчетах защиты сопряженную функцию ϕp(r,E,Ω) принято называть функцией «опасности» нейтронов.

«Опасность» нейтронов ϕp(r,E,Ω)характеризует вклад в исследуемый функционал Ip от единичного нейтронного потока в точке r с энерги-

ей E по направлению Ω. Так, существует «опасность» нейтронов по отношению к дозе в какой-либо точке, «опасность» по отношению к полному потоку внутри слоя или на границе и т.д.

Получим сопряженное уравнение. Для этого запишем уравнение (8.25) в операторном виде

ˆ	(8.34)
L ϕ = q.

Тогда сопряженное уравнение запишется следующим образом:

Lˆ ϕ = p.

(8.35)

Здесь ˆ – сопряженный по Лагранжу оператор, который определяется

L

из соотношения

ϕ Lˆ ϕdr dE dΩ =

ϕLˆ ϕ dr dE dΩ,

(8.36)

ϕ – сопряженная по потоку нейтронов функция «опасности» нейтронов; p – произвольная пока функция. В краткой записи (8.36) будет выглядеть следующим образом:

ϕ ˆ ϕ ϕ ˆ ϕ (8.37)

,L = ,L .

Запишем последнее выражение, воспользовавшись (8.34),(8.35):

ϕ ,q = ϕ,p .	(8.38)
Сопоставляя (8.27) и (8.38), запишем
Ip [ϕ] = ϕ,p = ϕ ,q = Iq [ϕ ],	(8.39)

т.е. здесь соотношение (8.33) получено строго, один и тот же функционал можно получить двумя способами.

150

8.3. Сопряженные функции и уравнения

Из этого следует, что каждому линейному функционалу Ip [ϕ] может быть поставлена в соответствие функция ϕ , удовлетворяющая уравнению (8.35), причем в качестве свободного члена этого уравнения следует использовать именно функцию p, характеризующую ин-

тересующий нас процесс. Поэтому функцию ϕ следует индексировать

ϕp.

Получим сопряженное уравнение, т.е. найдем вид сопряженного

оператора ˆ , исходя из условия (8.36). Рассмотрим левую часть урав-

L

			ˆ
нения (8.36), используя явный вид оператора L из (8.25):
ϕ Lˆ ϕdr dE dΩ = dr dΩ dEϕ · Ω ϕ +Σϕ−
− dΩ	∞ dE Σs(r,E		→ E,µ → µ)ϕ(r,E ,Ω ) .	(8.40)
E
Рассмотрим следующий интеграл:
		dr ϕ Ω ϕ.		(8.41)
Воспользовавшись теоремой Остроградского-Гаусса
	$	%	drs|Ωn|ϕϕ ,
dr	Ω	ϕϕ =		(8.42)
V			S

где n – единичный вектор внешней нормали к поверхности S, получаем

dr ϕ Ω ϕ = −	dr ϕΩ ϕ +	drs|Ωn|ϕϕ .	(8.43)
V	V	S

Для простоты рассмотрим случай нулевых граничных условий (отсутствия внешнего облучения):

ϕ(rs,E,Ω) = 0	при	(Ω ·n) < 0.	(8.44)
Если теперь потребовать, чтобы
ϕ (rs,E,Ω) = 0	при	(Ω ·n) > 0,	(8.45)
то, с учетом (8.44), будем иметь
drs|Ω ·n|ϕϕ = 0.			(8.46)
S

151

Глава 8. Многоскоростное уравнение переноса

Следовательно, первый член правой части (8.40) можно записать так:

dr dΩ dE ϕ Ωϕ = − dr dΩ dE ϕΩϕ .

(8.47)

В третьем члене правой части (8.40) изменим порядок интегрирования по углам:

∞

− dr dΩ dE ϕ (r,E,Ω) dΩ dE Σs(r,E → E,Ω → Ω)ϕ(r,E ,Ω ) =

E

∞

= − dr dΩ dE ϕ(r,E ,Ω ) dΩ dEΣs(r,E → E,Ω → Ω)ϕ (r,E,Ω).

E

(8.48) Для удобства переобозначим переменные интегрирования и изменим соответствующим образом пределы интегрирования по энергиям:

− dr dΩ dE ϕ(r,E,Ω) dΩ		E
		dE Σs(r,E →E ,Ω →Ω )ϕ (r,E ,Ω ).
		0		(8.49)
Учитывая (8.47) и (8.49), выражение (8.40) перепишем в виде
dr dΩ dEϕ Lˆ ϕ = dr dΩ dEϕ · −Ω ϕ +Σϕ −
− dΩ	E dE Σs(r,E → E ,µ → µ )ϕ (r,E ,Ω ) .			(8.50)
	0
Окончательно сопряженное уравнение (8.35) будет выглядеть так:
E	dE Σs(r,E →E ,µ →µ )ϕ (r,E ,Ω )+p(r,E,Ω),
−Ω ϕ +Σϕ = dΩ
0				(8.51)
а соответствующее “нулевое” граничное условие:
ϕ (r,E,Ω) = 0		при	$Ω ·n% > 0.	(8.52)

152

8.4. Теория возмущений

8.4. Теория возмущений

Получим соотношения теории возмущений для линейных функционалов. Если свойства среды изменяются, т.е. оператор уравнения (8.34) переходит в “возмущенное” состояние:

Lˆ = Lˆ +δˆL,	(8.53)
то изменяется и решение задачи – ϕ, следовательно,
ϕ → ϕ ; Ip[ϕ] → Ip = Ip +δIp.	(8.54)

Не будем фиксировать пока конкретно “способ” изменения оператора

ˆ . Это может быть, например, изменение размеров области (т.е. воз-

L

действие на градиентныйчлен) или изменениесостава материалов (т.е. воздействие на плотность столкновений и интеграл рассеяния) и т.д. Установим связь изменения оператора и функционала. Возмущённая система описывается уравнением

$	%
Lˆ ϕ = Lˆ +δˆL	ϕ = q ,	(8.55)

где q =q +δq – возмущенный источник. Сопряженная функция невозмущенной системы, соответствующая функционалу Ip , описывается уравнением

Lˆ ϕp = p.

(8.56)

Умножим (8.55) на ϕp, а (8.56) – на ϕ и проинтегрируем полученные выражения по всем переменным. Затем вычтем одно из другого и, пользуясь определением сопряженного оператора (8.37), получим слева

ϕp, Lˆ ϕ −ϕ , Lˆ ϕp			= ϕp,$δˆLϕ % ,	(8.57)
а справа, в силу (8.38),	будем	иметь
ϕp,q −ϕ ,p = ϕp,q + ϕp,δq−ϕ ,p =
= ϕp,q−ϕ ,(p +δp) + ϕp,δq + ϕ ,δp .				(8.58)

Здесь δр – некоторое возмущение источника сопряженной задачи:

p = p +δp.	(8.59)
Воспользуемся выражением для возмущенного функционала
Ip )ϕ * = ϕ ,p = Iq )ϕ * = ϕ ,q .	(8.60)

153

Глава 8. Многоскоростное уравнение переноса

Приравнивая выражения (8.57) и (8.58), в соответствии с формулами (8.39), (8.59) и (8.60), находим

$	%
ϕp,	δˆLϕ = Ip −Ip + ϕp,δq + ϕ ,δp .	(8.61)

Отсюда, используя формулу (8.54), получим общее соотношение теории возмущений

δIp = ϕp,δq + ϕ ,δp−ϕp,$δˆLϕ % .

(8.62)

Если вместо уравнений (8.55) и (8.56) рассмотреть сопряженное уравнение

$Lˆ +δˆL%ϕp = p

(8.63)

и невозмущенное основное кинетическое уравнение (8.34), аналогичным путем можно получить выражение, эквивалентное выражению (8.62):

$ %

δIp = ϕ,δp + ϕp ,δq−ϕ, δˆL ϕp . (8.64)

При отсутствии возмущения величин источников р и q , т.е. δp = 0, δq = 0, формулы теории возмущений (8.62) и (8.64) существенно упрощаются:

$ % $ %

δIp = −ϕp, δˆLϕ .δIp = −ϕ, δˆL ϕp . (8.65)

Запишем эти соотношения теории возмущений в явном виде через изменения параметров среды. Пусть различные возмущения в рассматриваемой системе приводят к изменению сечений взаимодействия нейтронов с веществом:

Σ →Σ+δΣ, Σs(E →E,µ →µ)→Σs(E →E,µ →µ)+δΣs(E →E,µ →µ).

(8.66) При этом изменяется оператор как основного кинетического урав-

ˆ ˆ	ˆ			ˆ	ˆ	ˆ
нения (L → L +δL), так и сопряженного уравнения (L → L +δL ),
причем
δˆL = δΣ −			∞
		dΩ	dE δΣs(E → E,µ → µ),			(8.67)
			E
δˆL = δΣ −			E
		dΩ	dE δΣs(E → E ,µ → µ ).			(8.68)
			0

154

8.4. Теория возмущений

Подставив эти выражения в уравнения (8.65) и (8.66) соответственно, получим формулы теории возмущений в виде

δIp

=

−

dr

dΩ

dE ϕp δΣϕ

−

−

dΩ

∞ dE δΣs(E

→

E,µ

→

µ)ϕ (r,E ,Ω )

,

(8.69)

E

δIp

=

−

dr

dΩ

dE ϕ δΣϕp

−

,Ω ) .

−

dΩ

E dE

δΣs(E

→

E

,µ

→

µ )ϕp

(r,E

(8.70)

0

Теория малых возмущений, часто применяемая в расчетах реактора и

защиты, состоит в следующем. Если возмущение оператора ˆ (а следо-

L

вательно, и ˆ ) мало, так что оно не очень сильно искажает функции

L

ϕ и ϕp, то в формулах (8.62) - (8.70) можно заменить ϕ →ϕ и ϕp →ϕp. При этом получаются формулы теории малых возмущений. В частности,

δIp =		−	dr	dΩ	dE ϕ	δˆLϕ,	(8.71)
					p
δIp =	−		dr	dΩ	dE ϕδˆL ϕ .		(8.72)
						p

Эквивалентность этих соотношений следует из сопряженности операторов δˆL и δˆL .

Вариация оператора δˆL означает изменение (возмущение) свойств среды. Характер этих изменений может быть как естественным (выгорание делящегося вещества со временем в работающем ядерном реакторе и накопление в нем продуктов деления; погружение регулирующих стержней в активную зону реактора или извлечение их оттуда; аварийный режим при прорыве, например, канала с жидким теплоносителем в реакторе и т.д.), так и искусственным, когда, например, уточняются сечения нейтрон-ядерных реакций на основе более совершенного эксперимента (в этом случае объективные свойства веществ не меняются, а меняются лишь наши сведения о них) или фиктивно

155

Глава 8. Многоскоростное уравнение переноса

меняются параметры среды для упрощения математического моделирования (в частности, это относится к методам гомогенизации гетерогенной активной зоны реактора, к получению многогрупповых констант при многогрупповом методе решения уравнений переноса излучения и т.д.).

Полученные формулы можно использовать для анализа влияния различных факторов при оценке небольших изменений в конструкции системы без расчетов для возмущенной системы. Формулы теории возмущений используют при оптимизации реакторных и защитных композиций, при групповом анализе уравнения переноса, в расчетах чувствительности функционалов к возмущениям и т.д.

156

ГЛАВА 9

ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим простейшую иллюстрацию применения теории малых возмущений в задачах оптимизации характеристик поля излучения.

9.1. Общая формулировка задачи

Пусть плоскопараллельная защита от излучения облучается “слева” (рис. 9.1) первичными нейтронами и гамма-квантами, падающими нормально к поверхности. При прохождении нейтронов в слоях генерируется вторичное гамма-излучение. На “правой” поверхности x = H измеряется мощность дозы излучений (как нейтронов, так и гамма-излучения). Типичная задача оптимизации формулируется таким образом:

Формулировка I. Посредством варьирования толщин слоев Xk = xk − −xk−1 при сохранении постоянной полной толщины защит минимизировать мощность дозы D = Dn +Dγ +Dnγ на поверхности x = H.

Индексы у обозначений мощности дозы соответствуют нейтронной и гамма-компоненте излучения.

В задачах оптимизации характеристик защиты транспортных реакторных установок часто фиксируется не размер защиты, а ее масса. Поэтому приведенная выше формулировка задачи изменяется:

Рис. 9.1. Плоскопараллельная задача оптимизации

157

Глава 9. Задачи оптимизации характеристик поля излучения

Формулировка II. Посредством варьирования толщин слоев Xk = xk − −xk−1 при сохранении постоянной полной массы защиты минимизировать мощность дозы D = Dn +Dγ +Dnγ на поверхности x = H.

Возможна и “обратная” формулировка,прикоторой фиксируетсяуровень интенсивности излучений, а варьированием переменных задачи минимизируется, например, масса защиты или ее частей:

Формулировка III. Посредством варьирования толщин слоев Xk = xk − −xk−1 при сохранении заданного уровня мощности дозы D = Dn +Dγ + Dnγ на поверхности x = H минимизировать полную массу защиты.

Вернемся к формулировке I и рассмотрим подходы к решению сформулированной таким образом задачи оптимизации.

9.2. Оптимизация функции

Для анализа и решения оптимизационных задач развито несколько специальных математических дисциплин (в частности, линейное

инелинейное программирование, теория оптимального управления

ит.д.). Для наших целей достаточно иметь представление о градиентных методах оптимизации. Кратко изложим основные принципы градиентного метода.

Сущность любого из градиентных методов состоит в использо-

вании производной f (ξ) (градиента) оптимизируемой функции f (ξ) многих переменных ξ : +ξ1,ξ2,...,ξN , для построения последовательности векторов ξ0, ξ1, ..., ξk, удовлетворяющих условию

f (ξ0) > f (ξ1) > ... > f (ξk) >,

(9.1)

т.е. последовательности векторов (точек), обеспечивающих движение к оптимуму (здесь – к минимуму). Точки последовательности (ξk) вычисляются по формуле

ξk+1 = ξk +αk ·hk,

(9.2)

где hk – направление движения к оптимуму, а αk – длина шага вдоль этого направления. Градиент функции используется для определения этого направления.

Как известно из анализа, градиент скалярной функции f (ξ) в неко-

торой точке ξ: +ξ1,ξ2,...,ξN , направлен в сторону наискорейшего возрастания функции и ортогонален линии уровня (т.е. поверхности по-

158