基于SuperMC／MCAM 与SimpleGEO 的FLUKA辐射输运建模能力对比

董 良，俞盛朋，汪 冬，程梦云，胡丽琴

（中国科学院 核能安全技术研究所，中国科学院 中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥 230031）

目前编写蒙特卡罗输运计算程序输入文件的方式缺乏即时的可视化反馈，尤其是在处理复杂模型时给几何错误检查和修改带来很大困难。FLUKA 作为重要的蒙特卡罗输运程序在核技术及核物理领域得到了广泛应用，其 注 册 用 户 超 过4 000 个［1］。为 提 高FLUKA 几何建模的效率，目前国内外开发了SuperMC／MCAM［2-3］、Flair［4］、SimpleGEO［5］

和FLUKACAD［6］等FLUKA 辅助模型编辑软件，其中仅SuperMC／MCAM 和SimpleGEO能直观地综合显示和处理模型。

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［7-8］。其自动建模子系统SuperMC／MCAM基于先进的软件工程理念进行设计与开发，拥有界面化建模功能，其最新版本SuperMC／MCAM5.2支持SuperMC［9］、MCNP［10］、FLUKA［1］、Geant4［11］和TRIPOLI［12］的蒙特卡罗输运程序的自动建模。其中FLUKA 建模模块功能实现了FLUKA 文件的导入、导出及界面化编辑，可自动生成空腔栅元，极大地简化了用户FLUKA 建模过程。

SimpleGEO作为FLUKA的辅助建模软件实现了FLUKA几何和材料的界面化建模。目前该软件可导入和导出FLUKA、PHITS和MCNPX 3种蒙特卡罗计算的输入模型，实现了多蒙特卡罗之间的初步转换。但该软件无法直接读取通用工程CAD格式模型，无法自动生成空腔栅元，界面化建模后还需手动对空腔进行描述［13］。

本文选择一些典型例题比较两款软件的FLUKA 几何建模能力：1）FLUKA 及Simple-GEO 程序包自带例题［14］（真空条件）；2）复杂例题FDS-Ⅱ［15-16］和ITER 基准模型［17-20］（真空条件）；3）具有完整物理属性的FLUKA 自带例题ex7输运计算。

1 基于程序包自带例题的建模对比

本文程序包自带例题选取了FLUKA 自带的ex7 例题和SimpleGEO 自带的Neutron-Maze模型。ex7模型主要由圆柱和平面组合而成，共14个栅元，模型构造较简单，在简单模型中具有代表性。Neutron-Maze 模型是SimpleGEO自带的典型例题，栅元主要由较规则的立方体、圆柱等组成，共包含124 个栅元，该模型栅元尺度差别较大，充分考虑了实际物理建模中中子屏蔽设计的要求，实用性较高。

1.1 测试方法

本文将原始FLUKA 输入模型导入再导出后，分别比较模型在两款软件中的可视化情况以及对原始模型、两款软件所导出模型及原始模型的真空通量的计算结果进行对比，抽样的粒子数为1亿个。

1.2 测试结果

图1 两款软件的ex7模型截面图Fig.1 Sectional view of ex7model in two softwares

图2 两款软件的Neutron-Maze模型立体图Fig.2 Stereo diagramof Neutron-Maze model in two softwares

图3、4为两个模型导出文件与原始文件真空通量的计算结果。分析图3、4可得，两款软件导出文件与原始文件真空通量的最大相对偏差为10-7（平均统计误差为10-5）。该结果表明，SuperMC／MCAM 与SimpleGEO 在这两个模型上建模的一致性。

图3 ex7原始模型与SimpleGEO和SuperMC／MCAM 导出模型的真空通量Fig.3 Vacuum-flux among ex7model，SimpleGEO exported model and SuperMC／MCAM exported model

2 基于FDS-Ⅱ和ITER基准模型的对比

FDS-Ⅱ是FDS团队自主提出的聚变发电反应堆。本文采用的模型为环向22.5°的CAD模 型，共 包 括113 个 几 何 实 体 和1 067 个 曲面［15-16］。ITER 基准模型由ITER 国际组织发布，用于比较和测试各国建模程序，模型包含包层、偏滤器、真空室、环向场线圈、极向场线圈、中心螺线管、上下窗口、赤道窗口等主要部件，由900多个栅元构成。模型中出现的曲面类型包括平面，柱面，圆环面，椭圆环面，锥面，球面，轴线不平行于x、y、z 轴的柱面和锥面，模型复杂度较高［17-20］。

图4 Neutron-Maze原始模型与SimpleGEO和SuperMC／MCAM 导出模型的真空通量Fig.4 Vacuum-flux among Neutron-Maze model，SimpleGEO exported model and SuperMC／MCAM exported model

2.1 测试方法及步骤

因SimpleGEO 软件无法读取工程CAD模型，且上述两个模型无原始的FLUKA 模型，因此本文采取通过SuperMC／MCAM 软件转换生成相应的FLUKA 输入模型。首先在Flair中验证该导出模型，然后将验证后的模型分别导入两款软件中，比较模型在两款软件中的可视化效果。

2.2 测试结果

图5为两款软件读取FDS-Ⅱ模型的可视化效果图。两款软件导入的栅元数相同，单个栅元的参数一致。图5a、b说明，两款软件均可处理实体栅元结构（主要由平面和圆柱面构成）较简单的FDS-Ⅱ模型。

图5 两款软件FDS-Ⅱ例题截面图Fig.5 Sectional view of FDS-Ⅱmodel in two softwares

图6为两款软件分别读取ITER 基准模型的界面及可视化效果图。对于实体栅元复杂（由大量的不规则曲面组成）的ITER 基准模型，SimpleGEO 软件导入可视化该ITER FLUKA 模型时程序报错；而对于其能导入的部分模型（约500个栅元），无法得到正确的可视化几何模型（图6b）。

综上所述，对于主要由圆柱和平面构成的规则几何模型FDS-Ⅱ，两款软件均可有效处理；对于包含大量曲面的ITER 基准模型，SimpleGEO 无法处理，SuperMC／MCAM 可处理，且已应用于ITER 核分析建模中［8］。

图6 两款软件ITER 基准模型立体图Fig.6 Stereo diagram of ITER benchmark model in two softwares

3 完整物理属性模型输运计算对比

具有完整物理属性的输运计算可进一步检验建模的有效性。本文用ex7 例题模拟质子轰击铅靶。计数部分包括粒子的能量沉积（USRBIN 卡）、体 通 量（USRTRACK 卡）、面通量（USRBDX 卡）、产 额（USRYIELD 卡）和材料的活化度（RESNUCLE卡）。粒子束设置为：抽样粒子数5.0×106个、起始位置为坐标（0，0，-0.1）、方向为沿z轴的正方向立体角1.7mrad范围内的高斯分布锥束、最大能量0.5 GeV、能 谱 半 高 宽 为0.082 425的 高 斯分布。

3.1 测试方法及步骤

将原始的FLUKA 输入模型导入到两款软件中，分别导出相应的FLUKA 几何输入模型，根据例题要求补充完整计算所需的各项输入卡进行输运计算，并对计算结果进行比较。

3.2 测试结果

两款软件导出的FLUKA 计算模型与原始计算模型的真实物理计算结果显示，各计数的相对偏差均在10-5之内（统计误差约10-3）。表明在软件几何处理能力的限值内，两款软件导出的几何模型输入文件均能保证FLUKA的输运结果。

4 结论

本文选取系列ex7、Neutron-Maze、FDS-Ⅱ和ITER 基准例题测试比较了SimpleGEO 和SuperMC／MCAM 的FLUKA 几何处理能力。针对几何结构较简单的ex7、Neutron-Maze、FDS-Ⅱ模型，两款软件均可支持计算辅助建模。对于栅元数较多且构造较复杂的ITER 基准模型，SimpleGEO 因为不支持工程CAD 模型的导入，难以有效支持该模型的计算辅助建模，且在ITER 基准模型FLUKA 输入文件可视化时报错，无法显示。SuperMC／MCAM 可很好地支持该模型的转换建模与可视化检验。

综上所述，与SimpleGEO 相比，SuperMC／MCAM 的几何处理能力更强，能处理结构更复杂的几何模型，尤其是对于由大量曲面构造的几何模型。SimpleGEO 软件不支持通用工程CAD 模型的导入，且难以支持复杂结构几何，限制了其应用范围。

本工作是在FDS 团队进行的，感谢FDS团队其他成员提供的各项帮助和支持。

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