MCAM4_8在ITER建筑大厅中子学建模中的应用

收 稿 日 期 ：２０１１－１０－２５；修 回 日 期 ：２０１１－１１－１０ 基金项目：ＩＴＥＲ 国际合作项目（ＩＴＥＲ／ＣＴ／０９／４１００００１０５５）；中国科学院战略性先导科技专项（ＸＤＡ０３０４００００） 作 者 简 介 ：王 国 忠 （１９８７— ），男 ，甘 肃 人 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 中 子 学 自 动 建 模 方 法 的 研 究 与 软 件 的 发 展
ＩＴＥＲ 建筑包括三 个 部 分，托 卡 马 克 建 筑、 诊断系统建筑和 氚 工 厂 建 筑。 其 工 程 ＣＡＤ 模 型（图１）由ＩＴＥＲ 组织使用 ＣＡＴＩＡ Ｖ５软件创 建。 整 个 建 筑 高 ７４．２７ ｍ，长 １１７．６０ ｍ，宽 ８２．４０ ｍ。手工建立其 中 子 学 计 算 模 型 将 非 常
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发布。
１ ＭＣＡＭ ４．８版本简介
ＭＣＡＭ４．８版 本 可 以 从 工 程 ＣＡＤ 模 型 出 发 ，经过错 误 修 复 、简 化 、分 解 、重 叠 和 缝 隙 去 除 等一 系 列 预 处 理 功 能，得 到 其 中 子 学 分 析 的 ＣＡＤ 模型，然 后 编 辑 模 型 的 源、计 数、材 料 定 义 以及其他 的 ＭＣＮＰ 计 算 所 需 信 息，最 后 转 换 成 包含空腔定义和计算属性的完整 ＭＣＮＰ计算输
入文件。全 过 程 均 在 ＭＣＡＭ 友 好 的 用 户 界 面 中完成。图２是 ＭＣＡＭ ４．８版本的用户界面。
图 ２ ＭＣＡＭ４．８ 版 本 用 户 界 面 Ｆｉｇ．２ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ＭＣＡＭ４．８
ＭＣＡＭ ４．８版 本 在 核 心 算 法 上 进 行 了 提 升 和 优 化 ，使 得 转 换 的 效 率 和 正 确 性 更 高 ，内 存 消 耗 大 大 降 低 ，能 够 处 理 更 加 复 杂 的 模 型 ，如 处 理ＩＴＥＲ 装置的基 本 中 子 学 分 析 模 型 Ａ－ｌｉｔｅ４， 在普 通 台 式 计 算 机 上 只 需 ２ 小 时 ＣＰＵ 时 间， ７００ ＭＢ 内存 消 耗。 优 化 了 交 互 界 面，增 加 了 更 多 人 性 化 的 功 能 ，如 撤 销 重 做 功 能 。
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖ．２３００２７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖ．２３００３１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖ．２３００３１，Ｃｈｉｎａ）
（１．中国科学技术大学核科学技术学院，安徽 合肥 ２３００２７； ２．中国科学院核能安全技术研究所，安徽 合肥 ２３００３１； ３．中国科学院等离子体物理研究所，安徽 合肥 ２３００３１）
摘要：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。 关 键 词 ：ＭＣＡＭ；蒙 特 卡 罗 ；中 子 学 建 模 ；ＩＴＥＲ；建 筑 大 厅 中 图 分 类 号 ：ＴＬ６１ 文 章 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０２５８－０９１８（２０１１）０４－０３５１－０５
耗时耗力。ＩＴＥＲ 各参 与 国 近 年 来 发 展 了 基 于 ＣＡＤ 的 中 子 学 自 动 建 模 方 法 。 ［２－３］ ＭＣＡＭ （Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）［４－５］ 是 ＦＤＳ团队自 主 研 发 的 中 子 学 计 算 自 动 建 模 软 件，实现了 多 种 商 用 工 程 ＣＡＤ 软 件 （ＣＡＴＩＡ、 ＡｕｔｏＣＡＤ、ＵＧ 等 ）和 蒙 特 卡 罗 方 法 辐 射 输 运 计算程 序 （ＭＣＮＰ［６］，ＴＲＩＰＯＬＩ［７］等）之 间 的 接 口。一方面，可 以 直 接 由 工 程 ＣＡＤ 模 型 生 成 完整的蒙特卡罗辐射输运计算程序的输入文 件 ，包 括 空 腔 模 型 、材 料 、源 和 计 数 信 息 等 ；另 一 方面，可 以 解 析 蒙 特 卡 罗 粒 子 输 运 计 算 程 序 的 输入文件，生成 ＣＡＤ 模 型 并 可 视 化，供 分 析 和 修正。ＭＣＡＭ 已经 在 复 杂 核 装 置 的 中 子 学 建 模和计算分析中得到了广泛的应用 。 ［８－１４］
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅａｃｔｏｒ ＩＴＥＲ ｏｎｌｙ ｄｅｆｉｎｅｓ ｔｈｅ ｔｏｋｏｍａｋ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｏ－ ｓｈｉｅｌｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｆｕｔｕｒｅ ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｎｅｅｄｓ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＩＴＥＲ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｂｉｏ－ｓｈｉｅｌｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ＭＣＡＭ ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＣＡＤ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ
模型预处理是 从 工 程 ＣＡＤ 模 型 到 适 用 于 中子学 的 ＣＡＤ 模 型 的 处 理 过 程。 工 程 ＣＡＤ 模型是由设计人员为了机械加工与制造的目的 而 使 用 商 用 ＣＡＤ 系 统 创 建 的 模 型。 中 子 学 ＣＡＤ 模型是符合中 子 学 计 算 程 序 要 求 的 ＣＡＤ 格式的模型。 从ＩＴＥＲ 建 筑 大 厅 的 ＣＡＴＩＡ 工
第 ３１ 卷 第 ４ 期
核科学与工程
２０１１年 １２月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ． ２０１１
ＭＣＡＭ４．８在ＩＴＥＲ 建筑大厅 中子学建模中的应用
王 国 忠１，２，党 同 强１，２，熊 健１，２，杨 琪１，２，何 桃１，２， 曾 勤１，２，３，龙 鹏 程１，２，３，胡 丽 琴１，２，３，ＦＤＳ 团 队
图１ ＩＴＥＲ 建筑大厅的 ＣＡＤ 模型分别在 ＣＡＴＩＡ 软件中（左）和 ＭＣＡＭ 中（右）的三维视图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ＩＴＥＲ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＣＡＤ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ＣＡＴＩＡ Ｖ５ （ｌｅｆｔ）ａｎｄ ｉｎ ＭＣＡＭ４．８ （ｒｉｇｈｔ）
本文利用 ＭＣＡＭ ４．８版本，在ＩＴＥＲ 建筑 大厅 的 工 程 ＣＡＤ 模 型 基 础 上，建 立 了 其 中 子 学计算模型，并利用质量法和 ＭＣＮＰ 模拟检验 了模型的正 确 性。 作 为 应 用 举 例，使 用 该 模 型 计算了ＩＴＥＲ 运行时托克马克大厅的三维中子 通量场分布。该模型是第一个包含托克马克以 外空 间 的 详 细 的 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
ＭＣＡＭ ４．８版 本 已 经 发 展 成 为 一 个 稳 定 可 靠 、功 能 强 大 、成 熟 易 用 的 版 本 。
２ ＩＴＥＲ 建筑大厅的中子学建模
利用 ＭＣＡＭ ４．８，以ＩＴＥＲ 建筑大厅 工 程 ＣＡＤ 模 型 为 基 础，创 建 其 适 用 于 中 子 学 的 ＣＡＤ 模型并进一步得到可 以 用 于 ＭＣＮＰ 程 序 计算 的 输 入 文 件。 首 先 把 ＣＡＴＩＡ 模 型 导 入 ＭＣＡＭ ４．８ 中，经 过 模 型 格 式 转 换、细 节 删 除 与 简 化 、干 涉 消 除 等 一 系 列 预 处 理 ，得 到 与 之 对 应的 用 于 中 子 学 分 析 的 ＣＡＤ 模 型，然 后 编 辑 模型的源、计 数、材 料 定 义 以 及 其 他 的 ＭＣＮＰ 计算 所 需 信 息，最 后 转 换 成 包 括 空 腔 定 义 和 计 算属性的完整 ＭＣＮＰ 计算输入文件。 ２．１ ＣＡＤ 模型预处理
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＣＡＭ４．８ｉｎ ｃｒｅａｔｉｎｇ ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＩＴＥＲ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｇｕｏ－ｚｈｏｎｇ１，２，ＤＡＮＧ Ｔｏｎｇ－ｑｉａｎｇ１，２，ＸＩＯＮＧ Ｊｉａｎ１，２，ＹＡＮＧ Ｑｉ １，２，ＨＥ Ｔａｏ１，２， ＺＥＮＧ Ｑｉｎ１，２，３，ＬＯＮＧ Ｐｅｎｇ－ｃｈｅｎｇ１，２，３，ＨＵ Ｌｉ－ｑｉｎ１，２，３，ＦＤＳ Ｔｅａｍ
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ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＩＴＥＲ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗａｓ ｃｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＩＴＥＲ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣＡＭ；ｍｏｎｔｅ ｃａｒｌｏ；ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＩＴＥＲ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ