SuperMC在硼中子俘获治疗剂量计算中的初步应用

目的:为进一步拓展国产自主蒙卡核模拟软件系统(SuperMC)在肿瘤治疗领域内作为剂量计算核心的应用,发展一套基于CT模型的硼中子俘获治疗(BNCT)剂量计算流程,实现由CT和MRI影像到SuperMC计算文件的转换。方法:通过CT和MRI文件融合及肿瘤区域勾画建立高精度的蒙卡粒子输运计算模型,在设置血硼浓度和照射源项之后,开展粒子输运计算,从而得到4种生物剂量的空间分布。然后,使用BNCT领域内的国际基准题Synder模型进行校验,最后采用1例脑胶质瘤临床案例作为典型应用。结果:对于Synder模型,基于3σ原则,SuperMC计算结果与MCNP结果一致。对于CT模型,成功构建一个空间分辨率为0.06 cm×0.06 cm×0.30 cm的头部模型,且计算结果表明在肿瘤区域,硼生物剂量明显高于其他剂量的贡献。结论:SuperMC适用于BNCT剂量计算,特别是可开展基于高分辨率的CT模型的剂量计算。

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。

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。

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VENUS-Ⅱ基准模型的SuperMC程序验证

为了验证SuperMC软件系统对装载MOX燃料压水堆的临界计算能力,采用国际经合组织核能署(OECD/NEA)2001年发布的三维VENUS-Ⅱ国际基准模型对SuperMC3.1版本进行了测试验证。本次测试包括栅元和堆芯两个部分,分别计算了栅元无限增殖因数、重核反应率、堆芯有效增殖因数、堆芯轴向裂变反应率等关键物理参数。将SuperMC计算结果与基准模型实验测量值以及MCNP计算值作了对比。结果显示:在测试范围内,SuperMC计算值与参考值吻合得较好,表明SuperMC可应用于含MOX燃料堆芯的临界计算。

基于SuperMC对结构缝隙影响中子屏蔽的研究

本文基于Monte Carlo粒子输运计算程序SuperMC,计算了四种含硼聚乙烯(B-PE)结构缝隙对两种谱中子的衰减倍数。为了便于比较不同结构缝隙对中子屏蔽性能的影响,统一与相同厚度无缝隙材料相比得到中子衰减倍数相对减小量,并在相同条件下对计算结果进行了实验验证。结果表明:对于厚度6 cm的B-PE材料,斜缝结构的快中子衰减倍数相对减小量为直缝结构的1/8,斜缝结构的慢化中子衰减倍数相对减小量为直缝结构的1/3,斜缝结构对中子屏蔽产生的负面影响最小。

基于ISPRA-Fe实验的SuperMC 3.2屏蔽深穿透验证

为验证中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC(超级蒙卡)在计算裂变堆屏蔽深穿透问题时的准确性和可靠性,采用OECD/NEA和RSICC联合发布的国际屏蔽积分实验数据库(SINBAD)中的ISPRA-Fe基准例题进行了测试验证。通过对屏蔽分析中关注的中子通量密度和反应率的计算,SuperMC所有物理量的计算结果与MCNP参考值的相对偏差均小于3σ,且与实验结果整体上吻合较好。同时,针对厚屏蔽区域的32S(n,p)32P反应率计算难以收敛的问题,采用了全局权窗生成器GWWG生成权窗进行计算,FOM因子提高了4431倍,证明了SuperMC处理深穿透问题的正确性和高效性。

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。

基于SuperMC的随机介质程序在双重非均匀性问题中的应用

与传统的棒状燃料采用单一UO2陶瓷芯体不同,弥散型板状燃料元件是将燃料微球混合在金属基体中,燃料球与基体间微观上还存在体积的非均匀性。如果不能有效处理弥散燃料的局部空间,自屏效应将对物理特性参数计算带来一定偏差。但传统确定论程序的填卡方式忽略了弥散型燃料具有双重非均匀性的特点。针对板状弥散型燃料栅元,基于SuperMC程序编写随机介质程序,分别建立体积均匀模型和颗粒模型来验证分析弥散型燃料中由空间自屏效应引起的非均匀性。结果表明,该随机介质程序用于SuperMC中,可以解决具有双重非均匀性的弥散型燃料的粒子输运数值模拟问题,再通过建立传统RPT等效模型修正燃料和基体间非均匀性带来的计算偏差。

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。

14 MeV快中子照相准直屏蔽系统的设计与优化

基于强流氘氚中子源科学装置HINEG设计了一套快中子照相准直屏蔽系统。采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和ENDF/B-Ⅶ.0数据库计算了准直中子束的中子能谱及注量率、γ射线能谱及注量率、直射中子注量率与γ射线注量率比值(φd/φγ)、直射与散射中子注量率比值(φd/φs)、准直束中子注量率的不均匀度等特性参数,并采用MCNP5程序进行了对比验证。研究了准直屏蔽系统的内衬材料、尺寸等对特性参数的影响规律,并通过优化获取了最优设计方案。计算结果显示,在同等计算条件下,SuperMC计算结果与MCNP计算结果相对偏差小于1%,准直屏蔽系统的φd/φγ为50.1,φd/φs为5.7,在Ф30cm视野范围内的中子注量率为4.80×10^7cm^-2·s^-1,其中直射中子注量率为4.09×10^7cm^-2·s^-1,中子注量率不均匀度为5.8%,满足快中子照相对准直束特性参数的要求。

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。

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。

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。

蒙特卡罗固定源计算的并行设计与实现

蒙特卡罗方法在求解粒子输运问题中已得到广泛运用,由于其收敛速度慢,需要耗费大量时间重复模拟以获得准确的结果。本文介绍了一种蒙特卡罗固定源计算的并行方法,并基于消息传递接口MPI在FDS团队自主研发的超级蒙特卡罗计算软件SuperMC2.0中实现了多核及多节点并行。以IAEA-ADS为测试例题在高性能计算集群上以32个计算内核进行测试,获得了86.81%的并行效率,同等测试条件下并行效率高于MCNP,同时保证了串行结果和并行结果的一致。测试结果表明该并行设计能够有效地解决蒙特卡罗固定源计算的耗时问题。

基于切比雪夫有理逼近和矩阵自适应降阶的活化计算方法

在核反应堆运行过程中,产生的大量中子对结构材料、回路中的腐蚀产物有很强的活化作用,从而对工作人员在运行、检修、退役等多个环节造成辐射危害。因此高精度、高效率的活化计算在反应堆设计和安全分析研究中有着重要的作用。切比雪夫有理逼近方法(Chebyshev rational approximation method,CRAM)相比于传统的活化计算方法,不需要单独处理短寿命核素,具有计算速度快、精度高、步长包容性好的优点。本文基于超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC,采用切比雪夫有理逼近方法,并发展了基于深度优先搜索的活化链动态构建方法和大规模矩阵自适应降阶方法,进行了活化计算的初步研究。通过选用IAEA-ACB(International Atomic Energy Agency-Activation Calculation Benchmark)国际基准例题及压水堆燃料包壳材料例题,初步验证了该活化计算方法的正确性,且测试结果表明,本文发展的大规模矩阵自适应降阶方法能够有效的提高活化系数矩阵的求解效率。