多物理耦合分析自动建模软件SuperMC/MCAM5.2设计与实现

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC是一套通用、智能、多功能的核系统设计与安全分析软件。多物理耦合分析自动建模软件SuperMC/MCAM(multi-physics coupling analysis modeling program)是其中的自动建模模块,其目标是为多物理耦合分析提供精确高效的建模功能。SuperMC/MCAM最新版本SuperMC/MCAM5.2支持SuperMC、MCNP、FLUKA、Geant4、TRIPOLI等多种蒙特卡罗程序计算模型的自动建模,可进行CAD模型与蒙特卡罗计算模型之间的自动双向转换,以及进行各蒙特卡罗程序计算模型之间的相互转换。本文对SuperMC/MCAM5.2的功能及多蒙特卡罗几何正向与反向转换方法进行了介绍,采用国际热核实验堆ITER基准模型对SuperMC/MCAM5.2进行了测试,测试中SuperMC/MCAM5.2生成的各蒙特卡罗模型计算结果一致,证明了SuperMC/MCAM5.2建模功能的正确性和有效性。     

中国科学院核能安命技术研究所 中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室

<正>从源头确保核安全超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC基于创新的多过程直接耦合输运理论,发展了面向先进核能系统设计与安全评价的超级蒙卡核模拟软件系统SuperMc。它以辐射输运为核心,支持热工水力学、结构力学等多物理耦合模拟,是集精准建模、高效计算、可视分析于一体的先进核模拟软件系统,可应用于反应堆物理、辐射屏蔽、医学物理等领域。     

基于钠冷快堆BN-600的SuperMC基准校验分析

超级蒙特卡罗核模拟软件SuperMC是由FDS团队自主研发的一个通用的多物理耦合蒙特卡罗模拟程序,基于蒙特卡罗与确定论耦合方法并集成先进并行计算与减方差技术。最新版本SuperMC2.2支持中子、光子、中子光子耦合输运,实现了几何与物理的自动建模、输运计算、过程与计算结果可视化的集成计算分析。SuperMC2.2已通过国际临界安全基准实验手册(ICSBEP)、国际屏蔽积分泄漏率实验手册(SINBAD)等大量国际基准例题的正确性验证。本文用IAEA发布的钠冷快堆BN-600基准例题进一步进行测试校验,测试计算了有效增殖因数、多普勒系数、密度系数、膨胀系数等9个参数。结果显示,SuperMC2.2的计算结果与MCNP相比偏差均在1个标准差范围内,且基本在国际各研究机构计算结果之间,初步验证了SuperMC2.2应用于快堆中子输运计算中的准确性和可靠性。     

蒙特卡罗有效增殖因子计算方法研究

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC,是一套通用、智能、多功能的核系统设计与安全分析软件,目前最新版本SuperMC2.0支持中子、光子及中子/光子耦合输运模拟。本文在SuperMC2.0的基础上开展了基于碰撞估计、吸收估计、径迹长度估计及三者组合估计有效增殖因子及其置信区间的方法,并选择26道国际临界安全基准评价实验手册中代表性例题进行校验,SuperMC2.0计算结果与McNP计算结果进行比较并以实验值作为参考,偏差均在一个σ以内,符合统计学标准,证明了SuperMC2.0有效增殖因子计算的正确性。     

基于SuperMC/MCAM与SimpleGEO的FLUKA辐射输运建模能力对比

蒙特卡罗程序FLUKA传统的手工几何建模不直观、费时费力。针对FLUKA自动建模,欧洲核子中心发展了蒙特卡罗辅助建模软件SimpleGEO,但无法直接处理工程CAD模型和复杂几何。针对FLUKA建模面临的困难,FDS团队基于SuperMC/MCAM多物理耦合分析自动建模软件开发了FLUKA建模功能。本文选取具有代表性的ex7、Neutron-Maze、FDS-Ⅱ模型和ITER基准模型对SuperMC/MCAM和SimpleGEO的建模性能进行测试对比。测试内容涵盖了模型栅元体积、真空通量及真实物理输运结果。测试结果表明,SuperMC/MCAM能处理结构更为复杂的几何模型,且具备转换工程CAD几何模型的能力,相对于SimpleGEO几何处理能力更强。     

反应堆中子学分析精准建模方法

复杂反应堆存在精细几何结构,传统手工方式建模难以保证计算模型的精度。本文发展了基于辅助面的复杂结构智能分解技术和样条面处理方法,能够将复杂精细模型自动精准地转换为蒙特卡罗计算模型。本文对基于SuperMC建立的精细的国际热核聚变实验堆(ITER)C-Lite模型和手工建立的Benchmark模型典型部件的体积进行对比,结果显示该方法使得ITER的建模精度提升了近10倍。     

SuperMC在ITER中子学建模中的应用

安全高效的新型核能系统(聚变堆和先进裂变堆等)的几何结构、材料种类与中子源特性与传统核反应堆有很大不同,其时空分布复杂,传统基于规则体组合近似的蒙特卡罗粒子输运手工建模方式存在难度大、精度低、工作量大、且易出错的问题。针对该问题,SuperMC发展了基于体面混合与四级栅元层次树的中子输运非规则建模方法。本文介绍了SuperMC在系列ITER中子学标准模型创建中的应用,对比结果表明SuperMC将ITER中子学建模效率提升了千倍以上。     

基于双向遍历的蒙特卡罗临界计算并行方法

在基于蒙特卡罗粒子输运方法的反应堆模拟中,如裂变堆、聚变裂变混合堆等,达到可接受的统计误差需要大量的计算时间,这已成为蒙特卡罗方法的挑战问题之一,需通过并行计算技术解决。为解决现有方法中通信死锁的问题并保证负载均衡性,设计了基于双向遍历的临界计算并行算法。该方法基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC进行实现,以池式钠冷快堆BN600基准模型进行验证,并与MCNP进行对比。测试结果表明,串行和并行计算结果一致,且SuperMC并行效率高于MCNP。     

基于Hoogenboom基准模型的SuperMC全堆芯计算能力校验

基于国际经典的压水堆全堆芯Hoogenboom基准模型,对超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC(Super Monte Carlo Simulation Program for Nuclear and Radiation Process)进行了校验。对有效增殖因数keff、功率等反应堆关键参数进行了计算与正确性校验,对并行效率进行了分析。结果显示,SuperMC的计算结果与MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)吻合较好,在使用640核计算时并行效率高达98.7%,初步验证了SuperMC在全堆芯计算中的准确性及高效性。     

蒙特卡罗粒子输运计算网格计数方法研究

在进行反应堆数值模拟时,通过网格计数方法可以精细地统计整个堆芯中多种物理量的空间分布情况。本文基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC发展了一种反应堆静态物理参数的网格计数方法。通过日本原子能研究所临界实验装置TCA例题进行了数值验证,计算结果与MCNP计算结果吻合较好,表明了本文方法的可行性与正确性。     

基于CAD的点核剂量计算方法研究及初步应用

点核积分方法是辐射剂量计算的基本方法之一,广泛应用于辐射防护领域。传统的点核剂量计算中采用文本方式描述计算模型,存在难以描述复杂几何、易出错且耗时的问题。针对该问题,本文基于FDS团队自主研发的超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC,进行了基于CAD的点核剂量计算方法研究与程序开发,可基于实际问题的CAD模型直接进行支持多重源的光子点核剂量计算,提高了程序对复杂三维几何问题的处理能力,并包含较为完备的核数据库。使用ANSI/ANS6.6.1、ESIS和VisiPlan的基准例题对程序进行了测试验证,测试结果与VisiPlan4.0对比吻合良好。同时将该方法初步应用于ITER热室屏蔽的设计中,说明了本方法及程序处理复杂场景问题的能力。     

网格权窗减方差技术及其在聚变堆屏蔽分析中应用研究

在聚变堆辐射屏蔽计算中,如何有效解决深穿透问题是近年来国际聚变辐射安全领域关注的焦点之一。针对该问题,本文研究了直角坐标系与圆柱坐标系下基于网格的权窗减方差技术。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC实现了该方法,并选取减方差技巧的基准例题进行测试与分析,初步得出"粗划真空或密度很小的区域、细分密度大的区域"的网格划分规律,能有效提高网格权窗计算效率。基于该规律对聚变屏蔽基准问题进行对比分析,新的网格划分与原始网格划分的计算效率相比,FOM因子提高了1.92倍。减方差技巧的基准例题和聚变屏蔽基准问题计算中,SuperMC通量计算结果与MCNP相比偏差均在0.5%以下,证明了本文中方法的正确性。     

基于切比雪夫有理逼近方法的蒙特卡罗燃耗计算研究与验证

燃耗计算在反应堆设计、分析研究中起着重要作用。相比于传统点燃耗算法,切比雪夫有理逼近方法(Chebyshev rational approximation method,CRAM)具有计算速度快、精度高的优点。基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统Super MC(Super Monte Carlo Simulation Program for Nuclear and Radiation Process),采用切比雪夫有理逼近方法和桶排序能量查找方法,进行了蒙特卡罗燃耗计算的初步研究与验证。通过燃料棒燃耗例题以及IAEA-ADS(International Atomic Energy Agency-Accelerator Driven Systems)国际基准题,初步验证了该燃耗计算方法的正确性,且IAEA-ADS基准题测试表明,与统一能量网格方法相比,桶排序能量查找方法在保证了计算效率的同时减少了内存开销。     

Emissivity of discretized diffusion problems

The numerical modeling of radiative transfer by the diffusion approximation can produce artificially damped radiation propagation if spatial cells are too optically thick. In this paper, we investigate this nonphysical behavior at external problem boundaries by examining the emissivity of the discretized diffusion approximation. We demonstrate that the standard cell-centered discretization produces an emissivity that is too low for optically thick cells, a situation that leads to the lack of radiation propagation. We then present a modified boundary condition that yields an accurate emissivity regardless of cell size. This modified boundary condition can be used with a deterministic calculation or as part of a hybrid transport-diffusion method for increasing the efficiency of Monte Carlo simulations. We also discuss the range of applicability, as a function of cell size and material properties, when this modified boundary condition is employed in a hybrid technique. With a set of numerical calculations, we demonstrate the accuracy and usefulness of this modified boundary condition.     

金刚石中子探测器稳定性和探测效率测试

介绍了金刚石中子探测器主要性能的测试方法。采用14 MeV氘氚中子测试了金刚石中子探测器的稳定性和探测效率,实验结果表明探测器性能稳定,中子探测效率ε_E=8.00×10~(-5)(±9.38%)counts/n·cm~2。SuperMC蒙卡软件对探测效率进行模拟计算,计算结果ε_C=8.69×10~(-5)(±3%)counts/n·cm~2,不确定度范围内认为二者一致。