基于MCNP 的生物屏蔽自動化建模計算及優(yōu)化設(shè)計方法

梁英超 胡昌立 陳 艷 艾 燁 歐陽小龍

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064）

目前，船用反應(yīng)堆生物屏蔽設(shè)計以蒙特卡羅方法為主，常用的計算工具如MCNP、FLUKA 等功能強大，參數(shù)設(shè)置靈活，但其輸入、輸出界面均為文本模式，需要人工進(jìn)行編寫和讀取。對于海上浮動核電站等船用反應(yīng)堆生物屏蔽設(shè)計，其屏蔽模型復(fù)雜，柵元數(shù)量多，且由于無法直觀判斷模型的正確性，人工編寫與修改工作往往需要花費大量的時間。同時計算結(jié)果需手動提取，與目標(biāo)限值進(jìn)行比較后，還需返回修改輸入文件，重新提交計算，最終經(jīng)多輪迭代后方可得到較優(yōu)的模擬結(jié)果。

為提高海上浮動核電站生物屏蔽計算效率，提高屏蔽設(shè)計的智能化水平，減少人工操作工作量，本文根據(jù)海上浮動核電站生物屏蔽的特點，設(shè)計了一種完全基于MCNP 的生物屏蔽自動化建模計算及迭代優(yōu)化設(shè)計方法，并實現(xiàn)了相關(guān)軟件程序。

1 海上浮動核電站生物屏蔽特點

海上浮動核電站為雙堆模型，反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子、γ 射線經(jīng)生物屏蔽材料減弱、吸收，以降低輻射對人體產(chǎn)生的放射性危害。生物屏蔽材料布置在反應(yīng)堆艙外側(cè)，形成了前部屏蔽、后部屏蔽、左部屏蔽、右部屏蔽、頂部屏蔽和底部水艙的構(gòu)成模式，實現(xiàn)對反應(yīng)堆內(nèi)中子、γ 射線的全方位屏蔽。

生物屏蔽材料由中子屏蔽材料和γ 屏蔽材料組成，受到空間、重量、成本等各方面約束，其經(jīng)濟合理性、重量輕、相對性能最佳是生物屏蔽設(shè)計的重要指標(biāo)。屏蔽方格的數(shù)量和尺寸劃分往往由支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與生物屏蔽設(shè)計人員共同依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗協(xié)調(diào)完成。

2 生物屏蔽自動化建模計算及優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 可視化管理模塊

顯示各可視化輸入界面，并管理各界面的工作流程。可視化輸入界面包括主操作及顯示界面、不同部位的屏蔽設(shè)置及顯示界面和結(jié)果排序顯示界面，這些界面提供直觀的生物屏蔽厚度可視化輸入和材料選擇接口，各界面間通過操作系統(tǒng)消息傳遞機制實現(xiàn)任務(wù)狀態(tài)的傳遞。

2.2 輸入監(jiān)聽處理模塊

對輸入進(jìn)行監(jiān)聽并采取處理措施。在可視化界面中選定的區(qū)域、提供的輸入和設(shè)定的選擇等輸入值均受即時監(jiān)視，在檢查與校驗成功后留待自動化迭代計算使用或傳遞給MCNP 模型管理模塊。

2.3 MCNP 模型管理模塊

首先利用MCAM工具對反應(yīng)堆艙源項、結(jié)構(gòu)等建立完整模型，生成初版MCNP 輸入模型文件；然后根據(jù)MCNP 的輸入、輸出模型文件中不同屏蔽區(qū)域/方格的邊界坐標(biāo)信息，將設(shè)定的區(qū)域/方格編號與坐標(biāo)信息一一對應(yīng)，據(jù)此耦合關(guān)聯(lián)了界面的顯式輸入與后臺模型文件的實時修改，同時需要配置各區(qū)域/方格屏蔽劑量限值（參照國家標(biāo)準(zhǔn)上明確的劑量率限值和人員累積劑量限值要求設(shè)計）以供仿真計算及智能分析與優(yōu)化模塊獲取并決定是否開展迭代優(yōu)化設(shè)計，其配置形式如式（1）所示。

2.4 迭代計算及智能分析與優(yōu)化模塊

調(diào)用MCNP 進(jìn)行模擬計算，并讀取計算結(jié)果，與配置文件中的設(shè)計限值進(jìn)行對比，屏蔽效果偏差較大時自動根據(jù)規(guī)則優(yōu)化設(shè)計屏蔽厚度并開展迭代計算。其偏差計算公式如式（2）。

初步設(shè)置完屏蔽材料和方格厚度并完成首輪屏蔽效果計算后，計算模型會遍歷計算結(jié)果查找屏蔽效果與劑量率限值偏差相對較大（超過δ 值）的位置，然后利用原輸入厚度和實際屏蔽前后的劑量率值計算得到當(dāng)前區(qū)域/方格的參考厚度Xref，Xref的計算方法如下。

對于單一能量的中子或γ 射線，其經(jīng)過屏蔽材料后的通量衰減公式如公式（3）、公式（4）。

Ir0——入射γ 通量，γ/m2·s；

N——屏蔽材料的核密度，m-3；

σ——屏蔽材料的微觀截面，m2；

ur——γ 放射性強度衰減系數(shù)，m-1；

X——屏蔽材料厚度，m。

對于中子射線而言，當(dāng)屏蔽材料選定時，其核密度N 和微觀截面σ 是固定值，可設(shè)Un為中子放射性強度衰減系數(shù)，令un=Nσ，中子、γ 射線衰減公式相同。

考慮到反應(yīng)堆的復(fù)雜放射性環(huán)境，針對各能量段射線的綜合作用以及通量I 與劑量率轉(zhuǎn)換系數(shù)A，引入劑量率R（R=A×I），方便計算結(jié)果與相關(guān)設(shè)計限值直接對標(biāo)。使用公式（5）得到衰減系數(shù)。

式中：

Rout——當(dāng)前區(qū)域/ 方格屏蔽材料外表面綜合劑量率，μSv/h；

Rin——當(dāng)前區(qū)域/ 方格屏蔽材料內(nèi)表面綜合劑量率，μSv/h；

X——當(dāng)前區(qū)域/方格屏蔽材料厚度，m；

u——當(dāng)前區(qū)域/方格屏蔽材料的衰減系數(shù)，m-1。

通過衰減系數(shù)u，可得到屏蔽材料在當(dāng)前區(qū)域/方格的參考厚度。

式中：

RLMT——當(dāng)前區(qū)域/ 方格屏蔽材料外表面劑量率限值，μSv/h；

Rin——當(dāng)前區(qū)域/方格屏蔽材料內(nèi)表面劑量率，μSv/h；

u——屏蔽材料在當(dāng)前區(qū)域/方格的綜合衰減系數(shù)，m-1；

Xref——當(dāng)前區(qū)域/方格屏蔽材料的參考厚度，m。

為達(dá)到屏蔽效果與屏蔽重量、經(jīng)濟性能等的綜合優(yōu)化與準(zhǔn)確可靠結(jié)果，此方法計算得到的Xref還需要經(jīng)過MCNP 驗證，即第一輪迭代，計算結(jié)果若與限值仍存在偏差，則對相關(guān)方格依據(jù)厚度變化量配置參數(shù)增加或減少一定的屏蔽厚度，并繼續(xù)開展下一輪計算，經(jīng)過多輪迭代設(shè)計和計算，最終達(dá)到優(yōu)化目的。

2.5 結(jié)果顯示與導(dǎo)出模塊

利用多線程并發(fā)技術(shù)實時監(jiān)視MCNP 計算的完成和輸出文件的生成，遍歷MCNP 輸出文件的關(guān)鍵字符，提取計算結(jié)果數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果顯示與排序，并可通過表格或文本導(dǎo)出。

3 海上浮動核電站生物屏蔽設(shè)計

海上浮動核電站生物屏蔽的中子屏蔽材料選用含硼聚乙烯材料，聚乙烯用以慢化快中子、中能中子，添加硼元素以吸收熱中子。γ 屏蔽材料選用鉛，屏蔽效果好，力學(xué)性能優(yōu)良。程序按照屏蔽部位的區(qū)分，依次實現(xiàn)了前部屏蔽、后部屏蔽、左部屏蔽、右部屏蔽和頂部屏蔽五大屏蔽主體的材料和方格厚度輸入界面。調(diào)用本程序，針對各區(qū)域各方格選擇材料、輸入任意厚度，啟動計算則程序自動多輪調(diào)用MCNP 實現(xiàn)多重迭代、不斷優(yōu)化的蒙特卡洛模擬過程，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

4 與直接操作MCNP 工具的對比

利用本文方法設(shè)計的程序工具，在輸入模型和最終優(yōu)化目標(biāo)相同的情況下，針對輸入模型完善、計算結(jié)果讀取、迭代計算輸入等方面，與直接操作MCNP 工具相比，結(jié)果如表1 所示。

表1 前部屏蔽設(shè)計耗費時間對比

從表1 可看出，僅針對有限數(shù)量的屏蔽方格設(shè)計，且優(yōu)化方案在第一輪迭代設(shè)計便收斂時，利用本文設(shè)計的程序就可以顯著降低人力成本。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于海上浮動核電站的生物屏蔽設(shè)計方法，該方法基于MCNP 工具，通過預(yù)輸入和配置輸入的組合形式構(gòu)成了生物屏蔽自動化計算的基礎(chǔ)，對初步計算結(jié)果實施自動分析和多輪迭代優(yōu)化設(shè)計，最終生成適用于海上浮動核電站的生物屏蔽綜合優(yōu)化結(jié)果。同時，本文根據(jù)所設(shè)計方法和MCNP、MFC 等工具實現(xiàn)了海上浮動核電站的生物屏蔽設(shè)計計算程序，并通過使用本程序與直接操作MCNP 工具產(chǎn)生的人工時間耗費情況進(jìn)行了對比，結(jié)果證明本程序顯著簡化了人工操作流程，減少了人工干預(yù)時間，提升了工作效率，提高了準(zhǔn)確性。