Soutenance de thèse de Henri HUTINET
Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Monte-Carlo,Transport des neutrons,Estimateur Next-Event,eTLE,GPGPU,Réduction de variance,
Keywords
Monte-Carlo,Neutrons transport,Next-Event estimator,eTLE,GPGPU,Variance reduction techniques,
Titre de thèse
Développement dun estimateur déterministe appliqué au
transport de particules neutres en méthode Monte-Carlo
Development of an expectation estimator applied to neutral particles transport using the Monte-Carlo method
Date
Monday 16 September 2024
à 14:00
Adresse
Château de Cadarache, Amphithéâtre, 13115, St Paul lez Durance
Amphithéâtre
Jury
Directeur de these | M. Abdallah LYOUSSI | CEA Cadarache |
Rapporteur | M. Eric DUMONTEIL | CEA Saclay |
Rapporteur | M. Franck VIDAL | School of Computer Science & Electronic Engineering, Bangor University |
Président | M. Christian MOREL | Centre de Physique des Particules de Marseille |
Examinateur | Mme Claire MICHELET | CENBG-LP2I Bordeaux |
CoDirecteur de these | Mme Cindy LE LOIREC | CEA Cadarache |
Résumé de la thèse
La méthode Monte-Carlo est largement utilisée pour simuler le transport de particules dans une configuration donnée. Elle est même considérée comme la simulation
de référence, car elle nimplique « aucune approximation » dans sa méthode pour
résoudre léquation de Boltzmann. Cependant, elle présente un inconvénient majeur :
son temps dexécution peut être long pour obtenir une variance convenable sur les observables dintérêt. Ce comportement est notamment exacerbé dans les problèmes de
radioprotection, qui, par définition, impliquent une forte atténuation entre la source
de rayonnement et la zone de détection. Or, les deux estimateurs usuels, permettant
détablir ces observables (flux, taux de réaction, débit de dose ...), nécessitent laccès, par la marche aléatoire, des particules au détecteur.
Dans ce contexte, lobjectif de cette thèse consiste à mettre en oeuvre et à étudier le
comportement dun estimateur rarement utilisé, mais qui ne nécessite pas daccéder
à la zone de détection pour estimer des grandeurs dintérêt telles que le flux, le taux de
réaction ou le débit déquivalent de dose. Cet estimateur est désigné ici sous le nom de
eTLE . Cependant, il présente une contrepartie en termes de coût computationnel, car
il implique davantage de calculs aux intersections avec des primitives géométriques
et dinterpolations de sections efficaces macroscopiques totales. Pour remédier à
cela, deux solutions ont été étudiées : lutilisation dun échantillonnage préférentiel
pour dévier les pseudo-particules propres à la méthode en direction de la zone de
détection, et le transfert des étapes de calcul coûteuses en temps de calcul mais
nécessaires à lestimateur sur un processeur graphique (GPU). Chaque version est
nommée respectivement eTLE DF et seTLE . Après avoir validé les résultats pour
limplémentation des deux méthodes dans TRIPOLI-4® , ces dernières ont montré des
gains en variance par rapport aux estimateurs de référence pour différents types de
configurations.
LeTLE DF offre des facteurs daccélération dune voire deux décades pour des
configurations de type « void » ou des blindages modérés ou forts. Il est particulièrement efficace pour des détecteurs à neutrons rapides. Il peut également être utilisé
avec dautres méthodes de réduction de variance sans biaiser le score recherché, permettant ainsi de multiplier le gain offert par la méthode de biaisage dune décade
supplémentaire. LeTLE , associé au transport en ligne droite porté sur GPU de façon asynchrone, offre lui aussi des gains dune voire deux décades. Ce dernier est
particulièrement efficace dans les zones où les particules ont du mal à accéder par
leur marche aléatoire, comme dans les régions absorbantes. Les paramètres de la méthode, tels que lordre de multiplicité, le nombre de CPUs et léchantillonnage des
paramètres de renvoi sur GPU, possèdent un optimum qui dépend de la physique et
des caractéristiques du matériel utilisé et permettent de tirer pleinement parti des
performances de lestimateur.
Thesis resume
The Monte Carlo method is widely used to simulate the particle transport in a given
configuration. Since it does not involve any approximation, it is the reference solution
of the Boltzmann equation. However, it has a major drawback: its execution time
could be significant to obtain a reasonable variance on the observables. This behavior
is particularly exacerbated in radiation shielding, which, by definition, involves a
strong attenuation between the radiation source and the detection area. Moreover,
the two usual estimators require that the particles access the detector through their
random walk.
In order to cope with these issues, the aim of this thesis is to implement and study
the behavior of an estimator that is rarely used, but does not require access to the
detection area to estimate quantities of interest such as particle flux, reaction rate or
dose equivalent rate. This estimator is referred as eTLE . The tradeoff is its computational cost, as it involves more geometric primitive intersection calculations and
supplementary total macroscopic cross-sections interpolations. Two solutions have
been studied to overcome this issue : the use of importance sampling to force the
deviation of the methods pseudo-particles towards the detection area, and the transfer of the necessary computational steps to the estimator on a graphics processing
unit (GPU). Each version is named eTLE DF and seTLE , respectively. After validating
the results for the two methods implementation in TRIPOLI-4® , these showed good
stastical convergence and can greatly reduce the statistical uncertainty.
The eTLE DF estimator provides acceleration factors from one to two orders of
magnitude for void type configurations or for moderate to strong shielding scenes.
It is especially efficient for fast neutron detectors. It can also be used in conjunction
with other variance reduction methods without biasing the desired score, thereby
allowing to multiply the gain offered by these techniques by an additional decade. The
eTLE , combined with straight-line transport carried out asynchronously on the GPU,
also offers factors of one or even two orders of magnitude. This is particularly effective
in domains with high absorption probabilities. The methods parameters, such as the
number of samples per collision, the number of CPUs, and the scattering parameters
sampling on the GPU, have an optimum and allow to fully leverage the estimators
performance.