Nesta tese mostraremos uma aplicação do método SGF, cf., spectral Greens function, para gerar fluxos angulares nas interfaces dos nodos na formulação de ordenadas discretas (SN) para equação de transporte de partículas neutras em geometria cartesiana unidimensional e a uma velocidade, usando quadraturas de alta ordem. Utilizando o método de malha grossa SGF, primeiramente determinamos as constantes arbitrárias da solução geral analítica das equações SN em cada nodo espacial. Então usamos a fórmula de quadratura angular para estimar uma expressão para o fluxo escalar de nêutrons e substituímos no termo de fonte de espalhamento isotrópico na equação de transporte. Resolvemos analiticamente a equação unidimensional de transporte de nêutrons com a fonte de espalhamento aproximada desta maneira e geramos os valores para o fluxo angular no interior de cada nodo espacial. Como o método SGF gera soluções numéricas de malha grossa completamente livres de erro de truncamento espacial, esperamos que o esquema de reconstrução analítica proposto tenha alta precisão para os fluxos angulares, considerando as condições de continuidade nas interfaces dos nodos do domínio espacial. Esta técnica caracteriza um problema inverso, pois a partir da solução de malha grossa do método SGF, podemos reconstruir o fluxo angular de nêutrons em qualquer ponto do domínio. / We offer in this work an application of the SGF method, cf., spectral Greens function, to generate the angular fluxes at the region interfaces of multilayer slabs, using high-order angular quadrature sets in the one-speed discrete ordinates (SN) formulation of the neutral particle transport equation. Using the SGF coarse-mesh numerical solution, we first determine the arbitrary constants of the analytical general solution of the SN equations within each spatial node. Then, we use the angular quadrature formula to estimate the expression of the scalar flux distribution, that we substitute into the isotropic scattering source term of the transport equation. We solve analytically the slab-geometry transport equation, with the scattering source so approximated, in order to generate the angular flux profile within each spatial node. As the SGF method generates coarse-mesh numerical solution, which is completely free from spatial truncation errors, we expect that the offered approximate analytical reconstruction scheme be accurate enough for the localized angular flux distribution, considering the node interface continuity conditions within the domain. This technique is thought of as an inverse problem since from the SGF coarse-mesh nodal solution we are able to reconstruct the angular flux profile at any point inside the domain.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, três técnicas para resolver numericamente problemas inversos de transporte de partículas neutras a uma velocidade para aplicações em engenharia nuclear são desenvolvidas. É fato conhecido que problemas diretos estacionários e monoenergéticos de transporte são caracterizados por estimar o fluxo de partículas como uma função-distribuição das variáveis independentes de espaço e de direção de movimento, quando os parâmetros materiais (seções de choque macroscópicas), a geometria, e o fluxo incidente nos contornos do domínio (condições de contorno), bem como a distribuição de fonte interior são conhecidos. Por outro lado, problemas inversos, neste trabalho, buscam estimativas para o fluxo incidente no contorno, ou a fonte interior, ou frações vazio em barras homogêneas. O modelo matemático usado tanto para os problemas diretos como para os problemas inversos é a equação de transporte independente do tempo, a uma velocidade, em geometria unidimensional e com o espalhamento linearmente anisotrópico na formulação de ordenadas discretas (SN). Nos problemas inversos de valor de contorno, dado o fluxo emergente em um extremo da barra, medido por um detector de nêutrons, por exemplo, buscamos uma estimativa precisa para o fluxo incidente no extremo oposto. Por outro lado, nos problemas inversos SN de fonte interior, buscamos uma estimativa precisa para a fonte armazenada no interior do domínio para fins de blindagem, sendo dado o fluxo emergente no contorno da barra. Além disso, nos problemas inversos SN de fração de vazio, dado o fluxo emergente em uma fronteira da barra devido ao fluxo incidente prescrito no extremo oposto, procuramos por uma estimativa precisa da fração de vazio no interior da barra, no contexto de ensaios não-destrutivos para aplicações na indústria. O código computacional desenvolvido neste trabalho apresenta o método espectronodal de malha grossa spectral Greens function (SGF) para os problemas diretos SN em geometria unidimensional para gerar soluções numéricas precisas para os três problemas inversos SN descritos acima. Para os problemas inversos SN de valor de contorno e de fonte interior, usamos a propriedade da proporcionalidade da fuga de partículas; ademais, para os problemas inversos SN de fração de vazio, oferecemos a técnica a qual nos referimos como o método físico da bissecção. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a precisão das três técnicas, conforme descrito nesta tese. / In this work, three techniques for numerically solving one-speed neutral particle inverse transport problems for nuclear engineering applications are developed. It is well known that direct steady-state monoenergetic transport problems are characterized by estimating the flux of particles as a distribution function of space and direction-of-motion independent variables, when the material parameters (cross sections), the geometry, and the incoming flux at the boundaries of the domain (boundary conditions), as well as the interior source distribution are known. Conversely, inverse problems, in this work, seek for estimates to the incident boundary flux, or interior source, or void fractions in homogeneous slabs. The mathematical model used for direct and inverse problems is the time-independent one-speed slab-geometry transport equation with linearly anisotropic scattering in the discrete ordinates (SN) formulation. In the boundary-value inverse problems, given the existing flux at one boundary of the slab, as measured by a neutron detector, for example, we seek for accurate estimate for the incident flux at the opposite boundary. On the other hand, in the interior source inverse SN problems, we seek for accurate estimate for the interior source stored within the slab for shielding purpose, given the exiting flux at the boundary of the slab. Furthermore, as with the void fraction inverse SN problems, given the exiting flux at one boundary of the slab due to prescribed incident flux at the opposite boundary, we seek for accurate estimate of the void fraction within the slab in the context of non-destructive testing applications in industry. The computer code developed in this work presents the coarse-mesh spectral Greens function (SGF) nodal method for direct SN problems in slab geometry to generate accurate numerical solutions to the three inverse SN problems described above. For the boundary-value and interior source inverse SN problems, we use the proportionality property of the leakage of particles; moreover, for the void fraction inverse SN problems, we offer the technique that we refer to as the physical bisection method. We present numerical results to illustrate the accuracy of the three techniques, as described in this dissertation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação propomos a utilização do método espectro-nodal SGF, cf. spectral Greens function, para transporte SN de partículas neutras, para determinarmos os fluxos angulares nas interfaces das regiões homogêneas do domínio espacial heterogêneo, com espalhamento linearmente anisotrópico usando preferencialmente altas ordens de quadraturas angulares. As reconstruções espaciais analíticas dos fluxos angulares são feitas no interior das regiões homogêneas, determinando as constantes arbitrárias da solução analítica local das equações SN no interior dos nodos espaciais da grade de dicretização. A seguir, utilizando essas constantes, determinamos as expressões do fluxo escalar e da corrente de nêutrons, que são substituídas na equação de transporte unidimensional em geometria retangular Cartesiana no termo de fonte por espalhamento linearmente anisotrópico. Resolvemos analiticamente a equação de transporte com os termos do fluxo escalar e corrente de nêutrons assim aproximados para estimarmos o perfil do fluxo angular de nêutrons no domínio. Esta reconstrução analítica aproximada da solução da equação de transporte de partículas neutras em geometria unidimensional Cartesiana constitui um problema inverso, na medida em que a partir da solução nodal de malha grossa fazemos primeiramente uma reconstrução analítica espacial do fluxo angular nas direções das ordenadas discretas, para em seguida procedermos à reconstrução analítica aproximada do fluxo no domínio angular. / We describe the application of the spectral Greens function SN nodal method for one-speed neutral particle transport calculations to determine the angular fluxes at the homogeneized regions within heterogeneous domains, for linearly anisotropic scattering, using preferably high-order angular quadratures. The reconstruction scheme in the space variable of the angular flux is carried out within the homogenized regions using uniform spatial grid. We determine the arbitrary constants of the analytical SN general solution inside each spatial node. Then, we determine the SN expression for the scalar flux and total current that we substitute into the analytical slab-geometry transport equation, precisely into its linearly anisotropic scattering source term. Further, we solve analytically the slab-geometry transport equation, so approximated, to obtain the flux profile within the space and angular domains. This approximate analytical reconstruction scheme of the solution of the neutral particle transport equation in slab geometry is an inverse problem, in the sense that we use accurate coarse-mesh SN numerical solution, to recover the SN analytical solution in the space variable, and then reconstruct the solution approximately in the angular domain.

Nesta tese mostraremos uma aplicação do método SGF, cf., spectral Greens function, para gerar fluxos angulares nas interfaces dos nodos na formulação de ordenadas discretas (SN) para equação de transporte de partículas neutras em geometria cartesiana unidimensional e a uma velocidade, usando quadraturas de alta ordem. Utilizando o método de malha grossa SGF, primeiramente determinamos as constantes arbitrárias da solução geral analítica das equações SN em cada nodo espacial. Então usamos a fórmula de quadratura angular para estimar uma expressão para o fluxo escalar de nêutrons e substituímos no termo de fonte de espalhamento isotrópico na equação de transporte. Resolvemos analiticamente a equação unidimensional de transporte de nêutrons com a fonte de espalhamento aproximada desta maneira e geramos os valores para o fluxo angular no interior de cada nodo espacial. Como o método SGF gera soluções numéricas de malha grossa completamente livres de erro de truncamento espacial, esperamos que o esquema de reconstrução analítica proposto tenha alta precisão para os fluxos angulares, considerando as condições de continuidade nas interfaces dos nodos do domínio espacial. Esta técnica caracteriza um problema inverso, pois a partir da solução de malha grossa do método SGF, podemos reconstruir o fluxo angular de nêutrons em qualquer ponto do domínio. / We offer in this work an application of the SGF method, cf., spectral Greens function, to generate the angular fluxes at the region interfaces of multilayer slabs, using high-order angular quadrature sets in the one-speed discrete ordinates (SN) formulation of the neutral particle transport equation. Using the SGF coarse-mesh numerical solution, we first determine the arbitrary constants of the analytical general solution of the SN equations within each spatial node. Then, we use the angular quadrature formula to estimate the expression of the scalar flux distribution, that we substitute into the isotropic scattering source term of the transport equation. We solve analytically the slab-geometry transport equation, with the scattering source so approximated, in order to generate the angular flux profile within each spatial node. As the SGF method generates coarse-mesh numerical solution, which is completely free from spatial truncation errors, we expect that the offered approximate analytical reconstruction scheme be accurate enough for the localized angular flux distribution, considering the node interface continuity conditions within the domain. This technique is thought of as an inverse problem since from the SGF coarse-mesh nodal solution we are able to reconstruct the angular flux profile at any point inside the domain.