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。

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。

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。

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。

蒙特卡罗粒子输运计算自动建模程序MCAM在ITER核分析建模中的应用

国际热核试验堆(ITER)核分析的主要计算工具是三维蒙特卡罗输运程序MCNP。MCAM(MCNP Auto-Modeling system)作为MCNP自动建模与可视化软件,其主要功能是CAD模型与MC-NP计算模型之间的数据交互。一方面MCAM可将通用格式的CAD模型转换成MCNP计算模型,另一方面作为一个可视化工具,它可以以CAD模型的方式显示MCNP计算模型中几何及材料等相关信息。主要介绍利用MCAM对ITER三维MCNP模型的改进,主要包括:包层模块的重建和内包层几何细化;模型环向角度从20°到40°的扩展。

利用ITER基准模型对MCAM4.2进行检验(Ⅰ)

利用ITER三维基准模型对蒙特卡罗方法粒子输运自动建模软件MCAM4.2进行了检验测试,实现了CAD工程模型的预处理,自动转换生成MCNP计算输入文件,并完成测试要求的中子壁负载和偏滤器中子注量率与核热沉积的计算。ITER模型的成功处理与计算表明MCAM能够正确和有效地处理大型复杂几何模型。

MCAM4.8在ITER建筑大厅中子学建模中的应用

国际热核聚变实验堆ITER的基准中子学分析模型只包含了托克马克装置。为了进行托克马克装置生物屏蔽以外的中子学分析,需要建立其建筑大厅的中子学计算模型。本文利用蒙特卡罗计算自动建模软件MCAM,在最新的ITER建筑大厅的工程CAD模型基础上,建立了ITER装置生物屏蔽层外墙的建筑大厅中子学计算模型。该模型是第一个包含托克马克以外空间的详细三维中子学计算模型,已经通过了正确性检验并被ITER确认接收,将作为基准模型由ITER国际组织向其合作伙伴发布。

MCAM在ITER装置TRIPOLI三维中子学建模中的应用

目前,国际热核聚变实验反应堆ITER装置仅有针对MCNP程序的三维中子学基准模型(ITERA-lite4),因此无法使用TRIPOLI程序对ITER装置进行中子学计算分析。本文利用蒙特卡罗计算自动建模软件MCAM 5.1创建ITER装置的三维中子学TRIPOLI模型,并通过TRIPOLI程序对其进行中子学计算分析。计算结果与基于ITER A-lite4的MCNP计算结果吻合良好,从而验证了所建模型的正确性。

MCAM在ITER窗口限制器蒙特卡罗计算建模过程中的应用

在MCAM(蒙特卡罗粒子输运计算自动建模系统)平台下,实现了ITER窗口限制器CAD工程模型的预处理以及到蒙特卡罗计算模型的自动转换,并借助MCAM的反向转换功能和MCNP中二维几何截面绘制程序PLOT对生成的计算模型进行了验证。MCAM在ITER窗口限制器蒙特卡罗建模过程中应用结果表明对于一个具有复杂几何结构的CAD工程模型来说,MCAM提高了其蒙特卡罗计算建模的效率和准确性,可以有效地替代传统的手工建模方法,应用于实际计算分析过程中。

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。

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。

miR-362-3p和MCAM在稽留流产患者绒毛组织中的表达及其与微血管密度的关系

目的:探讨miR-362-3p和人黑色素瘤细胞黏附分子(MCAM)在稽留流产患者绒毛组织中的表达及其与微血管密度(MVD)的关系。方法:选取30例稽留流产患者作为稽留流产组,人工流产的30例早孕孕妇作为对照组。运用生物信息学预测到miR-362-3p的一个靶基因MCAM,采用实时荧光定量PCR(qPCR)检测两组绒毛组织中miR-362-3p和MCAM mRNA的表达水平,随机选取两组各20例采用免疫组织化学法(IHC)检测绒毛组织中MCAM的表达和MVD。结果:miR-362-3p在稽留流产组中的相对表达水平高于人工流产组(P<0.05);MCAM mRNA在稽留流产组中的相对表达水平低于人工流产组(P<0.05);稽留流产组中miR-362-3p和MCAM mRNA的相对表达量呈负相关关系(r=-0.796,P<0.05)。MVD在稽留流产组中的表达水平低于人工流产组(P<0.05),MCAM的蛋白表达量与MVD呈正相关关系(r=0.667,P<0.05)。结论:miR-362-3p可能通过调控MCAM影响胎盘MVD,从而与胎盘发育过程中稽留流产的发生发展相关。

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。

乳腺癌患者血清sCD146与组织MCAM基因甲基化状态和临床病理特征的关系

目的探讨乳腺癌患者血清可溶性CD146[又称为黑色素瘤细胞粘附分子(MCAM)](sCD146)水平与肿瘤组织MCAM基因甲基化状态及患者临床病理特征之间的关系。方法收集2019年5月至2020年5月在我院确诊并接受手术治疗的148例原发性乳腺癌患者的新鲜肿瘤组织和癌旁组织以及术前血液样本,另收集30例健康体检人群的血液样本作为正常对照组。采用甲基化定量PCR技术(qMSP)确定组织中MCAM基因甲基化程度,并采用ELISA法检测血清sCD146水平。用Pearson法分析乳腺癌患者两项指标之间的相关性。结果对于乳腺癌患者,血清sCD146水平高于正常对照组人群(P<0.05),且乳腺癌组织MCAM基因甲基化程度的中位数明显低于相应的癌旁组织(P<0.05)。血清sCD146水平与肿瘤组织中MCAM基因甲基化程度呈负相关性(r=-0.461,P<0.001)。此外,血清sCD146水平与肿瘤组织中MCAM基因甲基化程度与肿瘤T分期、分级、Ki-67表达及雌激素受体(ER)、孕激素受体(PR)表达有关(P<0.05)。而且三阴性乳腺癌患者血清sCD146水平和组织MCAM基因低甲基化率最高,显著高于Luminal A型和Luminal B-HER2-型(P<0.05)。结论乳腺癌患者血清sCD146水平较健康对照人群普遍升高,以三阴性乳腺癌患者升高最明显,这可能与肿瘤组织中MCAM基因发生去甲基化有关;而且血清sCD146水平也随着肿瘤T分期和组织学分级增加而逐渐升高。

Sasobit温拌沥青的高温流变力学性能研究

为研究Sasobit温拌沥青的流变力学性能并评价其高温性能,制备两种原样沥青的Sasobit温拌沥青并进行不同温度下的频率扫描试验,得到了原样沥青和Sasobit温拌沥青复数模量MCAM模型主曲线,并根据复数模量主曲线进一步得到了所有沥青缩减频域内的复数黏度.然后,采用Cross模型表征沥青缩减频域和测试频域(60℃)的复数黏度,并对不同频域零剪切黏度(ZSV)拟合曲线的黏弹力学特征进行分析.研究结果表明:MCAM模型能够描述所有沥青复数模量主曲线,满足时-温等效原理;与基质沥青不同,温拌沥青主曲线在测试温度范围内表现出黏弹性固体特征,说明温拌剂改变了原样沥青的流变力学特性.基质沥青和SBS改性沥青在缩减频域内的复数黏度连续性较好且拟合优度为0.99以上,说明复数黏度在缩减频域内满足黏弹性时-温等效原理,而所有温拌沥青复数黏度表现出时-温失效特征.除基质沥青外,SBS改性沥青和温拌沥青60℃频率-黏度曲线均出现了明显的高、低频黏度平台,并得到了其零剪切黏度(ZSV),说明采用Cross模型评价改性(温拌)沥青高温性能较为可行.