FDS团队蒙特卡罗程序发展及应用概况

摘要

蒙特卡罗方法因其对处理复杂几何和多维物理的粒子输运问题的显著优势，已被广泛应用于反应堆物理设计和辐射屏蔽分析，针对不同的应用,国内外多家研究机构均发展了相应的蒙卡软件，如MCNP、Geant4、TRIPOLI、FLUKA等，但这些软件大多只针对输运计算，不能自动耦合前处理功能模块自动建模和后处理功能模块计算结果分析，同时不能将输运计算与燃耗计算、活化计算等耦合，而且基于早期计算机技术的加速方法已不能满足先进核反应堆设计分析计算效率的要求。在深入广泛调研国内外蒙特卡罗软件和相关软件发展现状的基础上，FDS 团队（www.fds.org.cn）先后投入200多人年发展了中国自主知识产权的中子学软件VisualBUS。该软件系统主要功能包括基于CAD技术和人体影像技术的自动建模、四维多物理耦合计算、结果动态可视化分析和多目标优化；扩展功能包括虚拟装配仿真、热工水力学分析、核安全分析、环境影响评价等；数据库平台为自主发展的混合评价核数据库HENDL。基于CAD技术和影像技术的自动建模功能，针对蒙特卡罗辐射输运计算程序的传统手工建模耗时耗力且易出错和模型难以查错等建模需求，发展了蒙特卡罗辐射输运计算自动建模软件MCAM。MCAM能够实现CAD模型和人体影像与蒙特卡罗辐射输运计算程序之间的自动双向转换。MCAM4版本是一套成熟的全面支持蒙特卡罗辐射输运模拟程序MCNP的集成建模环境，支持CAD几何模型与MCNP计算模型间的双向自动转换。此外，还提供有几何建模、模型预处理与分析、物理属性设置、材料库支持等功能。MCAM5版本新增对TRIPOLI，FLUKA和Geant4程序的自动建模支持。MCAM6版本扩展基于CT和彩色切片等医学影像数据建立人体辐射计算模型的功能。基于并行计算、智能计算、云计算等先进计算机技术，研发了超级蒙特卡罗仿真软件SuperMC。SuperMC基于蒙特卡罗方法、确定论方法（离散纵标方法、特征线方法等）及其耦合方法，可进行辐射输运计算、时间相关的中子物理过程计算、各类反应率计算、停堆剂量计算等。支持中子、光子、中子光子耦合输运程序SuperMC2.0的研发已完成。SuperMC2.0采用了目前通用的蒙特卡罗技术，并在此基础上进行粒子模拟方法的改进：在几何处理方面，主要采用基于基本体素的组合几何（CSG）方法进行几何描述，同时采用面描述方法表示复杂几何体，可构造复杂的物理计算模型。在模拟过程中，构造粒子在几何材料中的四维径迹（三维空间与一维时间）。通过蒙特卡罗计算自动建模软件MCAM可将用边界表示法（BREP）描述的复杂CAD几何模型直接转换成SuperMC2.0输入的CSG几何。采用各种减方差技巧以及MPI和OpenMP 混合并行计算技术，以提高模拟效率。针对当前蒙特卡罗辐射输运计算缺乏专业可视化分析软件现状，发展了直接面向各类主流中子学计算程序，提供各种可视化分析方法的核辐射虚拟仿真与评估系统RVIS。RVIS是一款基于三维虚拟现实技术的核辐射环境下人体辐射剂量评估分析系统，直接支持对MCNP、TORT、SuperMC和FISPACT等中子学计算程序计算结果可视化分析，提供曲线、云图、等值线/等值面、体分布、静态/动态物理场与几何叠加可视化分析等多种手段。此外，还提供核辐射场景下的作业仿真与人体辐射剂量评估等功能。RVIS将为用户提供基于三维虚拟现实技术的核辐射环境下核设施工作方案（屏蔽、维修、退役等）优化设计分析功能。数据库平台为混合评价核数据库HENDL，包括针对聚变堆/裂变堆/聚变裂变混合堆的能谱范围为0～20MeV的多种工作库，针对加速器驱动次临界堆的能谱范围为0～150MeV的多种工作库，并针对不同堆型考虑不同的物理效应。HENDL以优选的国际一流的评价核数据源为基础，利用先进数据库开发技术制作而成，为先进反应堆的辐射输运、动态物理参数、反应率、停堆剂量和燃料管理计算分析提供必要核数据支持。HENDL核数据库系统包括点状库HENDL/MC、细群库HENDL/FG、多群库HENDL/MG、粗群库HENDL/CG，同时考虑能量共振自屏、热能中子上散射、温度多普勒效应等多种物理效应。VisualBUS是一个充分利用现代计算机技术（特别是软件工程技术）开发的大型开放式（模块化、网络化）中子学仿真平台，目前已应用于聚变驱动次临界堆和加速器驱动次临界堆物理设计、中国自主设计建造的国际首个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST超导托卡马克实验装置和国际热核聚变实验堆（ITER）的核设计与安全分析中，其中自动建模软件MCAM，通过了国际热核聚变实验堆ITER国际组织QA认证，被选为ITER的参考软件，已在包括美国四大著名国家实验室（洛斯阿拉莫斯、劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚和橡树岭国家实验室）在内的150余家国内外知名单位获得应用。