X线图像引导系统KylinRay-XGPS关键技术研发

图像引导用以实现患者摆位的精确定位,是放射治疗等领域实现精准治疗的重要保障。常见的锥形束CT(CBCT)图像引导设备花费时间长且辐射剂量大。基于此,本研究基于X线透视成像技术开发了图像引导系统KylinRay-XGPS。该系统根据采集的X线图像和患者定位CT进行2D-3D图像配准,输出患者配准平移和旋转误差,从而纠正患者的摆位误差。KylinRay-XGPS系统的关键技术有动态步长法生成数字影像重建图像(DRR)、基于GPU并行加速、多模态互信息灰度配准和基于骨性结构的配准方法。结合KylinRay-XGPS在放射治疗的临床病例测试结果表明,KylinRay-XGPS具有定位精度高、定位时间短和成像剂量低的优势。

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。

蒙特卡罗自动建模中的空腔简化算法研究

考虑到粒子跟踪效率,在基于面描述的蒙特卡罗粒子输运模拟程序的计算模型中,除描述系统各部件的几何实体外,还需对非实体空间即空腔进行几何描述。由于空腔几何需严格填满实体间空隙,其建模复杂度通常较实体几何高,所以复杂系统常因空腔复杂度过高而严重制约蒙特卡罗建模和计算效率。本文研究了一种基于凸实体的自动空腔简化算法,该算法首先将栅元实体分解为凸实体集合,利用与子空间相交的凸实体的补集描述该子空间区域的空腔。该算法已在多物理耦合分析自动建模软件SuperMC/MCAM中实现,并使用国际热核聚变实验堆ITER中子学基准模型进行了测试。测试结果表明,相比基准算法,该算法可简化空腔表达式到1/60,提升转换效率25倍及生成模型的计算效率1.4倍。

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC

蒙特卡罗方法对于复杂核系统的模拟具有明显优势,然而在实际工程应用中存在巨大的挑战,如复杂结构与材料分布精准建模难度大、计算收敛速度慢、海量数据难以及时有效分析等。超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC设计为支持以辐射输运为核心,包含燃耗、辐射源项/剂量/生物危害、材料活化与嬗变等的综合中子学计算,支持热工水力学、结构力学、化学、生物学等多物理耦合模拟。SuperMC目前已发展了精准建模、高效计算、四维可视化等关键技术,通过2 000余个国际基准模型及实验的验证与确认,在反应堆工程等方面获得广泛应用,本文对其发展概况进行介绍。

核与辐射安全仿真系统SuperMC／RVIS2．3研发与应用

如何尽可能降低工作人员受到的辐射剂量一直是辐射防护领域关注的热点问题。本文基于数字反应堆和辐射虚拟人两类创新技术,结合FDS团队基于真实人体切片数据构建的中国成年高精度辐射虚拟人模型Rad-HUMAN,发展了一套大型通用核与辐射安全仿真系统SuperMC/RVIS2.3,能实现复杂系统建模与虚拟装配仿真、三维动态数据场与模型的叠加可视化分析、核辐射环境下人员虚拟漫游仿真和器官剂量评估等功能。以国际热核聚变实验堆ITER极向场线圈PF4检修以及中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更换等过程仿真与剂量评估为代表的应用结果表明,该系统可模拟核辐射环境中多种应用方案的评估与优化,可应用于反应堆设计优化、维修计划、应急评估、操作培训和科普教育,具有广阔的应用前景。

基于面壳封闭的B-Rep至CSG转换算法

为了增强转换所得CSG模型的可读性,利用面壳封闭技术改进B-Rep至CSG转换算法.B-Rep至CSG转换包括生成基本体元和构建CSG树.基于面壳封闭的B-Rep模型分解算法能生成基本体元,文中在此基础上提出构建CSG树的算法.首先使用体关系图(VRG)表示基本体元之间的关系;然后基于改进的Stoer-Wagner最小割算法实现从VRG至CSG树的转换.文中证明了通过硬约束"可闭合约束"和"可组合约束"可保证转换所得CSG树的正确性,通过软约束"最简分割约束"和"最优平衡约束"能进一步优化CSG树.文中算法已集成到自主研发的多物理耦合分析建模软件MCAM中.测试结果表明,该算法能显著地改进MCAM的B-Rep至CSG转换结果的可读性,对MCAM的时间性能也有所改进.

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。

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。

基于相似性评价的辐射输运计算建模方法研究

多物理耦合自动建模软件Super MC/MCAM能够有效提高复杂核装置设计分析的效率与质量。核反应堆中具有大量几何相同部件的模型,为了进一步提高MCAM处理复杂问题的效率,本文研究并实现了一种基于相似性评价的模型重用方法。该方法从专家库和建模历史中检索和判断具有相似性的几何模型,并重用其建模结果。使用包括聚变反应堆在内的多种模型的测试结果表明,该方法能够有效提高建模效率。

聚变数据库系统FusionDB研发与应用

聚变研究和设计是一项需国内外广泛合作的系统工程,积累和共享数据是当前重要任务。为了更好地整合聚变数据,FDS团队设计和研发了集聚变数据和数据处理与分析软件于一体的聚变数据库系统FusionDB,系统涵盖了聚变堆设计与安全分析关键数据,是国际上首个包括核数据、材料数据、部件数据、聚变物理实验数据以及核计算仿真和可靠性与概率安全分析等功能的综合型聚变数据库系统。FusionDB已应用于国际热核聚变实验堆ITER、中国科学院FDS系列聚变堆概念设计与研究中。

CAD模型与Geant4几何模型双向自动转换方法研究

为实现Geant4几何模型与CAD模型的双向转换,以实现模型的快速建立、修改与高效迭代设计的迫切需求,本项目研究并实现了一种支持复杂CAD模型和Geant4几何模型双向自动转换的自动建模方法。本方法经过了大量例题的系统测试,并以Geant4典型测试例题液氩量热器模型为代表进行介绍。测试结果表明本文转换方法的正确性和有效性。

氚扩散虚拟仿真系统原型研发及其应用

为了研究氚泄漏时的动态扩散机制与事故风险,本文基于三维图形引擎研发了氚扩散虚拟仿真系统.采用预先危险性分析方法进行了氚系统安全分析,通过粒子系统方法模拟了事故中氚扩散的动态过程,基于虚拟漫游与仿真技术实现了人机交互仿真功能.以国际热核聚变实验堆(ITER)的氚提取系统仿真为案例,模拟了氢同位素分离柱与管道发生泄漏时氚的动态扩散过程和浓度变化情况,仿真结果为氚泄漏的安全防护提供了依据.

基于SuperMC的ITER下窗口生物屏蔽插件屏蔽分析

在国际热核聚变实验堆(ITER)中,窗口生物屏蔽插件需为电子设备和工作人员提供必要的辐射屏蔽防护。基于中子学分析的生物屏蔽插件设计是ITER设计的重要内容。本文基于超级蒙卡核模拟软件SuperMC,在ITER大厅三维中子学模型中整合了ITER设计整合部门(DIN)最新设计的下窗口生物屏蔽插件模型,对四种下窗口生物屏蔽插件进行了屏蔽分析。分析结果显示,低温恒温器低温泵生物屏蔽插件中子屏蔽性能最好,室内监视系统生物屏蔽插件屏蔽性能最差;室内检视系统生物屏蔽插件停堆剂量率最小,环形低温泵生物屏蔽插件停堆剂量率最大。在SA2辐照方案下,停堆12天后,环形低温泵生物屏蔽插件处停堆剂量率超过规定限值20倍。分析结果表明,ITER下窗口生物屏蔽插件设计有待优化。

FLUKA几何模型到CAD几何模型转换方法初步研究

FLUKA是一种应用广泛的蒙特卡罗粒子输运计算程序,但其几何模型的描述不直观、易出错,用户难以对模型进行直观快捷的查错和高效重用,很大程度上限制了其在诸多领域中的应用。本文基于开源的Open CASCADE平台,初步发展了FLUKA几何模型到计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)几何模型的自动转换方法并进行了程序实现,实现了对FLUKA模型的可视化编辑,提高了FLUKA建模的效率。测试结果初步表明了该方法的正确性和可靠性。

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。

基于SaaS模式的中子学计算云平台设计与实现

高保真中子学计算需要大量计算资源和高性能计算平台,而高性能计算平台操作比较繁琐,不利于设计人员使用。云平台具有超大规模、弹性服务、按需服务、易用、泛在接入等特点,对中子学计算具有较好的应用价值。本文结合云计算技术,设计研发了基于SaaS(Software as a Service)模式的中子学计算云平台,将中子学计算功能及相关数据库设置在云端运行,向终端用户提供SaaS模式计算服务。用户通过浏览器可随时随地使用计算资源,有效地提高核设计计算的工作效率。

基于堆外中子能谱测量的堆芯中子场反演方法

目前商用反应堆堆内采用的自给能探测器(Self-Powered Detector,SPD)可以实现堆芯中子通量分布的在线测量,但难以测量中子能谱。同时由于一些先进反应堆堆内服役环境更加恶劣,现有的堆内测量系统难以满足先进反应堆堆芯中子场在线测量的需求。本文提出了一种基于堆外中子能谱测量的堆芯中子场反演方法,通过正向中子输运计算构建堆芯相邻截断面之间的能谱响应矩阵,实现反应堆堆芯中子场的反演计算。通过采用两个简化的反应堆模型进行验证,其中对压力容器处反演的中子能谱与蒙特卡罗输运计算结果平均相对偏差约为14%,在外层燃料组件区域反演的中子能谱与蒙特卡罗输运计算结果平均相对偏差约为11%,初步验证了本方法的可行性。