基于MCNP 的生物屏蔽自動化建模計算及優化設計方法

梁英超 胡昌立 陳 艷 艾 燁 歐陽小龍

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064）

目前，船用反應堆生物屏蔽設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，參數設置靈活，但其輸入、輸出界面均為文本模式，需要人工進行編寫和讀取。對于海上浮動核電站等船用反應堆生物屏蔽設計，其屏蔽模型復雜，柵元數量多，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。同時計算結果需手動提取，與目標限值進行比較后，還需返回修改輸入文件，重新提交計算，最終經多輪迭代后方可得到較優的模擬結果。

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

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，反應堆產生的中子、γ 射線經生物屏蔽材料減弱、吸收，以降低輻射對人體產生的放射性危害。生物屏蔽材料布置在反應堆艙外側，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成模式，實現對反應堆內中子、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，其經濟合理性、重量輕、相對性能最佳是生物屏蔽設計的重要指標。屏蔽方格的數量和尺寸劃分往往由支撐結構設計人員與生物屏蔽設計人員共同依據相關經驗協調完成。

2 生物屏蔽自動化建模計算及優化設計方法

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?？梢暬斎虢缑姘ㄖ鞑僮骷帮@示界面、不同部位的屏蔽設置及顯示界面和結果排序顯示界面，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消息傳遞機制實現任務狀態的傳遞。

2.2 輸入監聽處理模塊

對輸入進行監聽并采取處理措施。在可視化界面中選定的區域、提供的輸入和設定的選擇等輸入值均受即時監視，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工具對反應堆艙源項、結構等建立完整模型，生成初版MCNP 輸入模型文件；然后根據MCNP 的輸入、輸出模型文件中不同屏蔽區域/方格的邊界坐標信息，將設定的區域/方格編號與坐標信息一一對應，據此耦合關聯了界面的顯式輸入與后臺模型文件的實時修改，同時需要配置各區域/方格屏蔽劑量限值（參照國家標準上明確的劑量率限值和人員累積劑量限值要求設計）以供仿真計算及智能分析與優化模塊獲取并決定是否開展迭代優化設計，其配置形式如式（1）所示。

2.4 迭代計算及智能分析與優化模塊

調用MCNP 進行模擬計算，并讀取計算結果，與配置文件中的設計限值進行對比，屏蔽效果偏差較大時自動根據規則優化設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前區域/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，m-1；

X——屏蔽材料厚度，m。

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

考慮到反應堆的復雜放射性環境，針對各能量段射線的綜合作用以及通量I 與劑量率轉換系數A，引入劑量率R（R=A×I），方便計算結果與相關設計限值直接對標。使用公式（5）得到衰減系數。

式中：

Rout——當前區域/ 方格屏蔽材料外表面綜合劑量率，μSv/h；

Rin——當前區域/ 方格屏蔽材料內表面綜合劑量率，μSv/h；

X——當前區域/方格屏蔽材料厚度，m；

u——當前區域/方格屏蔽材料的衰減系數，m-1。

通過衰減系數u，可得到屏蔽材料在當前區域/方格的參考厚度。

式中：

RLMT——當前區域/ 方格屏蔽材料外表面劑量率限值，μSv/h；

Rin——當前區域/方格屏蔽材料內表面劑量率，μSv/h；

u——屏蔽材料在當前區域/方格的綜合衰減系數，m-1；

Xref——當前區域/方格屏蔽材料的參考厚度，m。

為達到屏蔽效果與屏蔽重量、經濟性能等的綜合優化與準確可靠結果，此方法計算得到的Xref還需要經過MCNP 驗證，即第一輪迭代，計算結果若與限值仍存在偏差，則對相關方格依據厚度變化量配置參數增加或減少一定的屏蔽厚度，并繼續開展下一輪計算，經過多輪迭代設計和計算，最終達到優化目的。

2.5 結果顯示與導出模塊

利用多線程并發技術實時監視MCNP 計算的完成和輸出文件的生成，遍歷MCNP 輸出文件的關鍵字符，提取計算結果數據，將計算結果顯示與排序，并可通過表格或文本導出。

3 海上浮動核電站生物屏蔽設計

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，力學性能優良。程序按照屏蔽部位的區分，依次實現了前部屏蔽、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。調用本程序，針對各區域各方格選擇材料、輸入任意厚度，啟動計算則程序自動多輪調用MCNP 實現多重迭代、不斷優化的蒙特卡洛模擬過程，最終達到優化設計結果。

4 與直接操作MCNP 工具的對比

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

表1 前部屏蔽設計耗費時間對比

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

5 結論

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