基于MCNP 的生物屏蔽自动化建模计算及优化设计方法

梁英超 胡昌立 陈 艳 艾 烨 欧阳小龙

（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064）

目前，船用反应堆生物屏蔽设计以蒙特卡罗方法为主，常用的计算工具如MCNP、FLUKA 等功能强大，参数设置灵活，但其输入、输出界面均为文本模式，需要人工进行编写和读取。对于海上浮动核电站等船用反应堆生物屏蔽设计，其屏蔽模型复杂，栅元数量多，且由于无法直观判断模型的正确性，人工编写与修改工作往往需要花费大量的时间。同时计算结果需手动提取，与目标限值进行比较后，还需返回修改输入文件，重新提交计算，最终经多轮迭代后方可得到较优的模拟结果。

为提高海上浮动核电站生物屏蔽计算效率，提高屏蔽设计的智能化水平，减少人工操作工作量，本文根据海上浮动核电站生物屏蔽的特点，设计了一种完全基于MCNP 的生物屏蔽自动化建模计算及迭代优化设计方法，并实现了相关软件程序。

1 海上浮动核电站生物屏蔽特点

海上浮动核电站为双堆模型，反应堆产生的中子、γ 射线经生物屏蔽材料减弱、吸收，以降低辐射对人体产生的放射性危害。生物屏蔽材料布置在反应堆舱外侧，形成了前部屏蔽、后部屏蔽、左部屏蔽、右部屏蔽、顶部屏蔽和底部水舱的构成模式，实现对反应堆内中子、γ 射线的全方位屏蔽。

生物屏蔽材料由中子屏蔽材料和γ 屏蔽材料组成，受到空间、重量、成本等各方面约束，其经济合理性、重量轻、相对性能最佳是生物屏蔽设计的重要指标。屏蔽方格的数量和尺寸划分往往由支撑结构设计人员与生物屏蔽设计人员共同依据相关经验协调完成。

2 生物屏蔽自动化建模计算及优化设计方法

2.1 可视化管理模块

显示各可视化输入界面，并管理各界面的工作流程。可视化输入界面包括主操作及显示界面、不同部位的屏蔽设置及显示界面和结果排序显示界面，这些界面提供直观的生物屏蔽厚度可视化输入和材料选择接口，各界面间通过操作系统消息传递机制实现任务状态的传递。

2.2 输入监听处理模块

对输入进行监听并采取处理措施。在可视化界面中选定的区域、提供的输入和设定的选择等输入值均受即时监视，在检查与校验成功后留待自动化迭代计算使用或传递给MCNP 模型管理模块。

2.3 MCNP 模型管理模块

首先利用MCAM工具对反应堆舱源项、结构等建立完整模型，生成初版MCNP 输入模型文件；然后根据MCNP 的输入、输出模型文件中不同屏蔽区域/方格的边界坐标信息，将设定的区域/方格编号与坐标信息一一对应，据此耦合关联了界面的显式输入与后台模型文件的实时修改，同时需要配置各区域/方格屏蔽剂量限值（参照国家标准上明确的剂量率限值和人员累积剂量限值要求设计）以供仿真计算及智能分析与优化模块获取并决定是否开展迭代优化设计，其配置形式如式（1）所示。

2.4 迭代计算及智能分析与优化模块

调用MCNP 进行模拟计算，并读取计算结果，与配置文件中的设计限值进行对比，屏蔽效果偏差较大时自动根据规则优化设计屏蔽厚度并开展迭代计算。其偏差计算公式如式（2）。

初步设置完屏蔽材料和方格厚度并完成首轮屏蔽效果计算后，计算模型会遍历计算结果查找屏蔽效果与剂量率限值偏差相对较大（超过δ 值）的位置，然后利用原输入厚度和实际屏蔽前后的剂量率值计算得到当前区域/方格的参考厚度Xref，Xref的计算方法如下。

对于单一能量的中子或γ 射线，其经过屏蔽材料后的通量衰减公式如公式（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——屏蔽材料的微观截面，m2；

ur——γ 放射性强度衰减系数，m-1；

X——屏蔽材料厚度，m。

对于中子射线而言，当屏蔽材料选定时，其核密度N 和微观截面σ 是固定值，可设Un为中子放射性强度衰减系数，令un=Nσ，中子、γ 射线衰减公式相同。

考虑到反应堆的复杂放射性环境，针对各能量段射线的综合作用以及通量I 与剂量率转换系数A，引入剂量率R（R=A×I），方便计算结果与相关设计限值直接对标。使用公式（5）得到衰减系数。

式中：

Rout——当前区域/ 方格屏蔽材料外表面综合剂量率，μSv/h；

Rin——当前区域/ 方格屏蔽材料内表面综合剂量率，μSv/h；

X——当前区域/方格屏蔽材料厚度，m；

u——当前区域/方格屏蔽材料的衰减系数，m-1。

通过衰减系数u，可得到屏蔽材料在当前区域/方格的参考厚度。

式中：

RLMT——当前区域/ 方格屏蔽材料外表面剂量率限值，μSv/h；

Rin——当前区域/方格屏蔽材料内表面剂量率，μSv/h；

u——屏蔽材料在当前区域/方格的综合衰减系数，m-1；

Xref——当前区域/方格屏蔽材料的参考厚度，m。

为达到屏蔽效果与屏蔽重量、经济性能等的综合优化与准确可靠结果，此方法计算得到的Xref还需要经过MCNP 验证，即第一轮迭代，计算结果若与限值仍存在偏差，则对相关方格依据厚度变化量配置参数增加或减少一定的屏蔽厚度，并继续开展下一轮计算，经过多轮迭代设计和计算，最终达到优化目的。

2.5 结果显示与导出模块

利用多线程并发技术实时监视MCNP 计算的完成和输出文件的生成，遍历MCNP 输出文件的关键字符，提取计算结果数据，将计算结果显示与排序，并可通过表格或文本导出。

3 海上浮动核电站生物屏蔽设计

海上浮动核电站生物屏蔽的中子屏蔽材料选用含硼聚乙烯材料，聚乙烯用以慢化快中子、中能中子，添加硼元素以吸收热中子。γ 屏蔽材料选用铅，屏蔽效果好，力学性能优良。程序按照屏蔽部位的区分，依次实现了前部屏蔽、后部屏蔽、左部屏蔽、右部屏蔽和顶部屏蔽五大屏蔽主体的材料和方格厚度输入界面。调用本程序，针对各区域各方格选择材料、输入任意厚度，启动计算则程序自动多轮调用MCNP 实现多重迭代、不断优化的蒙特卡洛模拟过程，最终达到优化设计结果。

4 与直接操作MCNP 工具的对比

利用本文方法设计的程序工具，在输入模型和最终优化目标相同的情况下，针对输入模型完善、计算结果读取、迭代计算输入等方面，与直接操作MCNP 工具相比，结果如表1 所示。

表1 前部屏蔽设计耗费时间对比

从表1 可看出，仅针对有限数量的屏蔽方格设计，且优化方案在第一轮迭代设计便收敛时，利用本文设计的程序就可以显著降低人力成本。

5 结论

本文设计了一种用于海上浮动核电站的生物屏蔽设计方法，该方法基于MCNP 工具，通过预输入和配置输入的组合形式构成了生物屏蔽自动化计算的基础，对初步计算结果实施自动分析和多轮迭代优化设计，最终生成适用于海上浮动核电站的生物屏蔽综合优化结果。同时，本文根据所设计方法和MCNP、MFC 等工具实现了海上浮动核电站的生物屏蔽设计计算程序，并通过使用本程序与直接操作MCNP 工具产生的人工时间耗费情况进行了对比，结果证明本程序显著简化了人工操作流程，减少了人工干预时间，提升了工作效率，提高了准确性。