蒙特卡罗计算在中子残余应力谱仪屏蔽优化设计中的应用

在反应堆上进行中子残余应力谱仪(RSND)的建设工程中,生物屏蔽是降低谱仪测量本底,保证工作人员安全的主要技术手段。为了对屏蔽系统进行优化设计,采用蒙特卡罗方法对其进行模拟计算。采用McStas和MCNP5两种计算程序,理论分析提高计算效率的方法和技巧,并分三步进行谱仪辐射场的计算。首先用McStas程序模拟热中子在导管中的输运过程,然后用MCNP程序计算了屏蔽块之间接合处的拼缝对谱仪辐射场的影响,最后建立整个谱仪屏蔽系统的MCNP模型,并进行计算。将经过用影响因素修正后的计算结果与现场剂量仪实测值进行比较,结果表明二者在允许的误差范围内基本一致。     

基于蒙特卡罗的小尺度参考辐射装置屏蔽研究

针对移动式小尺度参考辐射（MRR）装置（移动式校准装置）,在进行射线辐射剂量测量的仪器仪表标定或刻度时,应满足其辐射屏蔽安全限值5 Sv/h的屏蔽技术要求,采用蒙特卡罗输运程序MCNP,开展了移动式小尺度参考辐射装置表面剂量场屏蔽的模拟计算和研究分析工作。研究结果表明,通过MCNP模拟的屏蔽设计方法可以详尽反映MRR装置各个表面的剂量分布特征和规律,实现移动式小尺度参考辐射装置屏蔽设计,采用的铅钢材料复合屏蔽方案能够保证装置硬度且显著地减轻屏蔽体的重量,最终获取的优化MRR屏蔽箱体重量约为271.9 kg。     

基于蒙特卡罗的小尺度参考辐射装置屏蔽研究

针对移动式小尺度参考辐射（MRR）装置（移动式校准装置）,在进行射线辐射剂量测量的仪器仪表标定或刻度时,应满足其辐射屏蔽安全限值5 Sv/h的屏蔽技术要求,采用蒙特卡罗输运程序MCNP,开展了移动式小尺度参考辐射装置表面剂量场屏蔽的模拟计算和研究分析工作。研究结果表明,通过MCNP模拟的屏蔽设计方法可以详尽反映MRR装置各个表面的剂量分布特征和规律,实现移动式小尺度参考辐射装置屏蔽设计,采用的铅钢材料复合屏蔽方案能够保证装置硬度且显著地减轻屏蔽体的重量,最终获取的优化MRR屏蔽箱体重量约为271.9 kg。     

基于蒙特卡罗方法的中子屏蔽材料设计

基于蒙特卡罗粒子输运程序MCNP,设计了一种强度高、密度低、具有优异中子屏蔽性能的新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料,模拟计算了镅-铍（Am-Be）中子源产生中子对该材料的透射率;研究了该材料的中子屏蔽性能与传统屏蔽材料的差异以及不同B4C质量分数对该材料的屏蔽性能影响;根据模拟结果分析了该材料对不同能区中子（慢中子、中能中子、快中子）具有的不同屏蔽性能。研究发现：B4C质量分数为10%的该种新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料的中子屏蔽性能,尤其是慢中子屏蔽性能较传统的含硼聚乙烯和Al-B4C合金材料更为优异;但随着B4C质量分数的增大,屏蔽性能提升不明显。结果验证了蒙特卡罗方法用于中子屏蔽材料优化设计的可行性。     

高温堆乏燃料贮罐中子屏蔽性能计算

球床模块式高温气冷堆采用包覆颗粒球形燃料元件,在反应堆运行过程中,不断排出的乏燃料球将被装入乏燃料贮罐。乏燃料贮罐应选取适当的材料和厚度,对光子和中子进行有效屏蔽,使罐外的剂量率满足相应的限值要求。为此,使用张弛长度法和蒙特卡罗模拟法研究乏燃料贮罐的中子屏蔽性能。屏蔽材料为铁和含硼聚乙烯,计算了铁和不同B4C含量聚乙烯的屏蔽性能,并给出了乏燃料贮罐装满乏燃料球后,乏燃料球自吸收对贮罐外剂量率的影响。两种方法计算结果吻合很好,可以为实际工程中的屏蔽设计提供参考意见。     

高温堆乏燃料贮罐中子屏蔽性能计算

球床模块式高温气冷堆采用包覆颗粒球形燃料元件,在反应堆运行过程中,不断排出的乏燃料球将被装入乏燃料贮罐。乏燃料贮罐应选取适当的材料和厚度,对光子和中子进行有效屏蔽,使罐外的剂量率满足相应的限值要求。为此,使用张弛长度法和蒙特卡罗模拟法研究乏燃料贮罐的中子屏蔽性能。屏蔽材料为铁和含硼聚乙烯,计算了铁和不同B4C含量聚乙烯的屏蔽性能,并给出了乏燃料贮罐装满乏燃料球后,乏燃料球自吸收对贮罐外剂量率的影响。两种方法计算结果吻合很好,可以为实际工程中的屏蔽设计提供参考意见。     

蒙特卡罗输运模拟软件JMCT的深穿透屏蔽计算

核设施辐射屏蔽计算,由于其大规模计算及深穿透等特性,一直是蒙特卡罗方法工程应用的难点之一。采用我国自主研发的三维中子-光子蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT,结合可视化建模工具JLAMT,对OECD国际基准例题Winfrith Iron/Water Benchmark Experiment(ASPIS)两例实验装置进行建模与计算分析, 并将计算结果与实验值及MCNP计算值进行对比。结果表明,JMCT计算值与MCNP计算值符合较好,其中Winfrith Iron Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差不超过7%,平均偏差1.3%;Winfrith Water Benchmark Experiment(ASPIS)最大偏差小于20%,平均偏差小于10%,证明了JMCT在屏蔽计算以及深穿透问题的可靠性与工程应用性。     

ITER真空室中子屏蔽设计

ITER真空室中子屏蔽主要是屏蔽中子流、伽马射线以及降低环向场波纹度。介绍了ITER真空室的结构特点及屏蔽结构料材的选取情况,发展了屏蔽设计思想及相关的支撑结构,对铁磁性材料填充区域进行了布局设计。依据ITER真空室物理学计算结果,确定了屏蔽区域屏蔽材料的填充率。基于三维建模软件进行了屏蔽块零件库的仿真设计和屏蔽结构的模拟仿真。     

铝基碳化硼材料中子屏蔽性能的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法, 运用MCNP4C程序研究了碳化硼含量20%–40%、中子能量200 eV–15 keV、材料厚度0.3–2 cm对B₄C/Al复合材料中子屏蔽性能的影响. 结果表明: 碳化硼含量与中子透射系数呈一次线性下降关系; 同含量的碳化硼, B₄C/Al材料的中子屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料; 在等厚度条件下, 模拟试样B20等的中子屏蔽效果要优于水、铜、混凝土等常规屏蔽材料; 材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系, 且单位厚度的增加对中子透射系数改变很大; 含硼量对热中子透射系数影响很大; 在热中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变较大; 在慢中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变很小. 关键词： 中子透射系数 蒙特卡罗 铝基复合材料 碳化硼     

用于中子衍射的原位应力加载装置

一种小型化的应力加载系统,配合中子衍射应力谱仪可实现对多晶材料的原位测量,为进一步获得材料内部相、织构与应力演化的原位中子衍射实验结果,建立基于微观机制的材料宏观本构模型提供可能。该系统利用伺服电机提供动力,机架使用7050铝合金材料制造,系统的拉伸强度可达10 kN,运动速度可调（1 m/s~1 mm/s）。试样拉伸（压缩）时,S型传感器内部应变片变形产生电压信号,再经PLC处理后得到试样应力与应变之间关系。通过与英斯特朗5967实验拉伸机针对同一钢质试样进行对比实验发现,应力-应变曲线一致性良好。     

Application of the Monte Carlo methods and variational procedure for optimizing time-of-flight neutron diffractometer characteristics

Based on variational calculus, a procedure for the optimal approximation of detector surface of the time-of-flight neutron diffractometer has been suggested. The exact solution for a point sample and zero thickness detector has been obtained. Using the shape of the detector surface, an optimized Monte Carlo simulation has been performed for the parameters of the spectrometer depending on the sample size and detector thickness, its azimuthal and Bragg’s angular dimensions, and taking into account the neutron absorption in the sample and detector.     

三维中子-光子输运的蒙特卡罗程序MCMG

三维中子-光子输运蒙特卡罗程序MCMG发展了针对物质的碰撞机制,几何块、几何面动态可扩展, 随机数周期进一步扩大到261。可进行多群-连续截面耦合计算,多群散射展开到P5,并考虑了中子上散射,程序配备了通用和专用多群截面库。MCMG模拟取得了与MCNP程序和实验一致的结果,串行计算速度较MCNP快2~4倍,可进行上万处理器核的并行计算。     

三维中子-光子输运的蒙特卡罗程序MCMG

三维中子-光子输运蒙特卡罗程序MCMG发展了针对物质的碰撞机制,几何块、几何面动态可扩展, 随机数周期进一步扩大到261。可进行多群-连续截面耦合计算,多群散射展开到P5,并考虑了中子上散射,程序配备了通用和专用多群截面库。MCMG模拟取得了与MCNP程序和实验一致的结果,串行计算速度较MCNP快2~4倍,可进行上万处理器核的并行计算。     

Automation of a neutron diffractometer for analysis of residual stress inside complex engineering components

Residual stress measurement using neutron diffraction is becoming an increasingly important tool in engineering stress analysis. To this effect, a new generation of dedicated engineering strain instruments are being built at neutron sources, offering considerable improvements in both counting time and spatial resolution. Alongside these improvements, measurements in complex geometry prototype components are increasingly in demand. As a result, there is a strong drive towards integrated sample positioning systems that allow for simplified setup and operating of experiments on components with complex geometries.     

Z箍缩中子编码诊断系统模拟平台搭建

开发了基于Geant4的Z箍缩中子编码成像系统模拟平台,实现聚变中子编码成像诊断系统各关键部件的完整模拟。获得了低中子产额（约1010量级）下,中子经编码孔编码后在闪烁体阵列中形成的发光分布图像。利用维纳滤波、Richardson-Lucy（RL）及遗传算法（GA）对低中子产额下获得的极低信噪比图像进行重建,并对信噪比、中子产额及重建效果进行了对比研究,结果表明:遗传算法对低信噪比中子编码图像的重建具有很强的鲁棒性;中子编码图像的信噪比与遗传算法重建结果的准确性呈正比。     

Z箍缩中子编码诊断系统模拟平台搭建

开发了基于Geant4的Z箍缩中子编码成像系统模拟平台,实现聚变中子编码成像诊断系统各关键部件的完整模拟。获得了低中子产额（约1010量级）下,中子经编码孔编码后在闪烁体阵列中形成的发光分布图像。利用维纳滤波、Richardson-Lucy（RL）及遗传算法（GA）对低中子产额下获得的极低信噪比图像进行重建,并对信噪比、中子产额及重建效果进行了对比研究,结果表明：遗传算法对低信噪比中子编码图像的重建具有很强的鲁棒性;中子编码图像的信噪比与遗传算法重建结果的准确性呈正比。     

Fully parallel code for Monte Carlo simulation

We present a fully parallel version of Monte Carlo simulation of the Ising model using the Metropolis algorithm. In the 3-dimensional version the performance can be enhanced by a factor >20 in 16-bit word processors relative to other multispin codes. This factor could be further increased if implemented in 64-bit word computers.     

放射源辐射场Monte Carlo模拟计算

选取Pu-238为放射源,采用简化的级联衰变链对其进行源项分析,得到放射源各衰变子体原子数及放射性活度的变化曲线,在此基础上,采用MCNP程序,对放射源进行了精确建模,对放射源辐射场及其有效屏蔽问题进行了模拟计算,得到放射源周围中子、能谱及辐射场分布,辐射场计算值与参考实验剂量吻合较好,屏蔽体的采用可有效降低放射源的辐射剂量,其中,剂量降低为裸源的0.1%左右,中子剂量降低为裸源的13%～17%。