MCAM4．8在ITER建筑大厅中子学建模中的应用

王国忠，党同强，熊 健，杨 琪，何 桃，曾 勤，3，龙鹏程，3，胡丽琴，3，FDS团队

（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）

中子学计算与分析是国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）设计与建造的基础。为了保证ITER各参与国中子学计算分析的质量，ITER国际组织正在发展一系列基准中子学分析模型［1］。ITER托克马克装置的基准中子学计算模型A－lite4于2009年10月发布，并成功地满足了多方面的中子学计算需求。然而，A－lite模型只定义了托克马克装置，径向向外只扩展到生物屏蔽层。为了进行生物屏蔽以外的中子学分析，需要建立建筑大厅的三维中子学计算模型。

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74．27m，长117．60m，宽82．40m。手工建立其中子学计算模型将非常耗时耗力。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］。

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，700MB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。

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

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工程模型到中子学CAD模型需要经过格式转换、细节删除与简化、干涉消除等一系列预处理过程。

1）格式转换

当10≤n≤11时,A1中的2-子集至少有5个是Y中顶点的色集合,因此，在2、3、4、5中至少有两种色包含在每个C(ui)中,不妨设2,C(ui), i=1,2,…,10,则每个C(ui)只能是以下集合之一:{1,2,3},{1,2,3,4},{1,2,3,5},{1,2,3,4,5},4个集合不能区分X中的10个顶点,矛盾。

ITER建筑大厅的CAD工程模型是采用CATIA V5软件创建的，首先将其保存为标准数据交换格式STEP格式，然后导入MCAM中。利用MCAM预处理模块中模型修复功能修复在导入过程中CAD模型的格式转换时可能带来的模型错误，如悬边、悬面和缝隙。

另外，中子学模型以厘米作为模型的尺寸单位，而ITER大厅的CAD工程模型设计采用毫米作为单位，利用MCAM预处理模块中模型缩放功能对模型进行了缩放处理，缩放比率0．1。

经过格式转换后的CAD模型（图1右）保存为SAT格式。

2）细节删除与简化

ITER建筑大厅的CAD工程模型是为了进行机械加工和制造而设计的，模型中包含大量的细节，例如圆角、螺纹、螺钉孔、门上的门栓、楼梯等，这些细节对于机械装配而言至关重要，但是对于中子学分析则不必要。因此必须对该工程模型进行一系列的简化和不必要的细节删除。

3）干涉消除

ITER建筑大厅的CAD工程模型中存在大量重叠干涉的情况。为了满足中子学计算程序的要求，利用MCAM 4．8的干涉检查功能，检查出模型中存在的干涉，并自动进行消除。

图3 托克马克建筑第五层Fig．3 The fifth floor of tokomak building

图4 立柱和墙壁干涉以及消除干涉后的情况Fig．4 Three columns overlapped with the external wall．The overlapped part of external wall was removed

2．2 物理建模

一个完整的MCNP计算模型，除了几何信息外，还需包含材料，密度，源项，计数，光子／中子重要性等物理信息。在CAD模型预处理后，按照其材料属性将其分为若干组，以组为单位，使用MCAM4．8友好的用户交互界面，对模型实体的物理属性进行快速统一地赋值和编辑，完成物理建模。

2．3 模型转换

经过预处理和物理属性编辑的CAD模型，利用MCAM4．8的转换功能，被转换并生成MCNP计算的输入文件。转换过程如下：首先是自动对模型的几何信息进行解析，包括实体信息的曲面信息，生成MCNP计算模型中的栅元卡和曲面卡；然后自动生成模型实体以外的空腔的几何描述；最后是对模型实体的物理属性进行解析，生成材料卡、源卡、计数卡以及各个栅元的材料号、密度、光子／中子重要性等描述；最终生成完整的MCNP计算输入文件，即中子学计算模型。

3 中子学计算模型的验证

使用质量比较和MCNP模拟的方法，对生成的ITER建筑大厅中子学计算模型，即MCNP输入文件进行验证。

3．1 质量比较

表1 工程CAD模型和中子学模型质量对比Table1 Comparison of mass between engineering CAD model and neutronics model

对比了原始CATIA工程CAD模型和MCAM4．8处理后的中子学模型两者的质量（表1），前后变化为－0．355%，质量的减少是因为删除了工程CAD模型中的一些细节。MCAM4．8处理后的中子学模型与原始工程CAD模型的质量上相比，差距很小。

3．2 几何检查

使用MCNP运行了生成的输入文件，源项设置为大厅内部的一个点源，模型的材料设置为真空，抽样了1亿个粒子，模拟过程中没有粒子丢失的情况。根据公式（1）可知，每单位立方厘米几何错误概率小于万分之一：

式中：γ为每单位立方厘米几何错误概率，r为模型中任一点到点源的最大距离，α为抽样粒子数目。

4 托克马克大厅的中子通量场计算

作为本研究所建立的ITER建筑大厅中子学模型的应用举例，计算了运行时托克马克大厅中的中子注量率场分布。

由于托克马克及其大厅都具有非常复杂的几何构造，计算过程分两步进行。首先使用A－lite4托克马克模型和等离子体源，计算出低冷屏外壁所在面上的边界源（Internal Boundary Source，IBS）。然后把该40°的边界源扩展至360°，并使用该源进行后续的托克马克大厅的中子通量分布的计算。计算程序使用MCNP和聚变评价核数据库FENDL［15］。作为举例，图5给出了托克马克大厅负一层（Lower Level）的三维几何模型（MCAM绘制）及其中子注量率场分布（中子学计算可视化软件SVIP［16］绘制）。

详细的中子学计算结果，如运行时和停机后建筑大厅中的可访问性以及安装在大厅四角的电子设备的安全性等，将会后续发表。

5 总结

ITER的基本中子学分析模型只定义了托克马克装置。为了进行生物屏蔽外的中子学分析，需要建立ITER建筑大厅的中子学计算模型。借助于MCAM4．8版本，从工程CAD模型出发，建立了ITER建筑大厅的中子学计算模型，并进行了正确性验证。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发布。目前该模型已经应用到ITER国际合作项目“偏滤器维修时ITER大厅的辐射剂量评估”中［17］。

图5 托克马克大厅地下一层的三维几何模型及其中子注量率场分布（n／cm2／s）Fig．5 The 3Dgeometry model and neutron flux map（n／cm2／s）of the Lower Level（B1）of the Tokomak Building

ITER建筑大厅的中子学模型的成功建立也展示了MCAM4．8处理大型复杂核装置模型的能力。

致谢

本文工作是在ITER国际合作项目（编号ITER／CT／09／4100001055）框架下进行的，在研究过程中得到了ITER国际组织Loughlin博士的帮助，特此致谢。

［1］ M Loughlin，P Batistoni，P Konno，et al．ITER nuclear analysis strategy and requirements［J］．Fusion Science and Technology，2009，56：566－572．

［2］ P P P Wilson，R Feder，U Fischer，et al．State－of－the－art 3－D radiation transport methods for fusion energy systems［J］．Fusion Engineering and Design，2008，83（7－9）：824－833．

［3］ U Fischer，H Iida，Y Li，et al．Use of CAD generated geometry data in Monte Carlo transport calculations for ITER［J］．Fusion Science and Technology，2009，56：702－709．

［4］ Y Wu，FDS Team．CAD－based interface programs for fusion neutron transport simulation［J］．Fusion Engineering and Design，2009，84（7－11）：1987－1992．

［5］ 吴宜灿，李莹，卢磊，等．蒙特卡罗粒子输运计算自动建模程序系统的研究与发展［J］．核科学与工程，2006，26（1）：20－27．

［6］ J F Briesmeister．MCNP－A general Monte Carlo NParticle transport code，version 4C［R］．Los Alamos National Laboratory，USA，2000．

［7］ C M Diop，E Dumonteil，F X Hugot，et al．An overview on the Monte Carlo particle transport code TRIPOLI－4［J］．Transactions of the American Nuclear Society，2007，97：694－695．

［8］ 卢磊，李莹，丁爱平，等．MCAM在ITER窗口限制器蒙特卡罗计算建模过程中的应用［J］．核科学与工程，2007，27（3）：277－281．

［9］ 曾勤，卢磊，李莹，等．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［J］．原子核物理评论，2006，23（2）：138－141．

［10］ 吴宜灿，李静惊，李莹，等．大型集成多功能中子学计算与分析系统VisualBUS的研究与发展［J］．核科学与工程，2007，27（5）：72－85．

［11］ 吴宜灿，胡丽琴，龙鹏程，等．先进核能系统设计分析软件与数据库研发进展［J］．核科学与工程．2010，30（1）：55－64．

［12］ 张俊军，曾勤，王国忠，等．蒙特卡罗程序TRIPOLI自动建模方法研究［J］．核科学与工程，2010，30（3）：84－88．

［13］ 李莹，曾勤，卢磊，等．利用ITER基准模型对MCAM4．2进行检验（I）［J］．核科学与工程，2008，28（1）：47－50．

［14］ 熊健，王国忠，王电喜，等．MCAM在ITER装置TRIPOLI三维中子学建模中的应用［J］．核科学与工程，2011，31（2）：162－167．

［15］ D L Aldama，A Trkov．Evaluated nuclear data library for fusion applications［R］．INDC（NDS）－467，2004．

［16］ 罗月童，龙鹏程，薛晔，等．面向中子学分析的集成可视化平台SVIP的发展研究［J］．核科学与工程，2007，27（4）：374－378．

［17］ D Ying，Q Zeng，Y Qiu，et al．Assessment of Radiation Maps during Activated Divertor Moving in the ITER Building［J］．Fusion Engineering and Design，2011，86（9－11）：2087－2091．