一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统

摘要

本发明是一种用在反应堆设计中，用以进行堆芯部件设计的建模系统，本系统通过分析裂变堆芯几何特殊性，包含大量重复构造的几何，通过构建参数自动创建裂变堆堆芯的CAD工程模型和蒙特卡罗计算模型，而蒙特卡罗计算模型是辐射输运蒙特卡罗计算程序的输入，得到此模型后就能计算出反应堆堆芯的关键物理量。通过不断对计算结果中物理参数的评价，此发明可以用来对裂变堆芯模型的设计方案进行反复迭代修改，直至形成用户满意堆芯方案。此发明意义在于避免人手工编写蒙特卡罗计算程序输入文件的繁琐性，使整个建模过程变得极其直观，极大降低出错的概率，加快堆芯的设计时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，应用在基于蒙特卡罗计 算的裂变堆堆芯设计中，目标是快速自动化构建裂变堆堆芯CAD工程模型和蒙特卡罗计算 模型。

背景技术

随着反应堆设计和建造技术的进步，各种新型反应堆的设计频繁面世，蒙特卡罗计算程 序由于能适应任意复杂几何和计算结果精确等特点，开始在堆芯概念设计和工程设计上得到 广泛应用，而完成复杂几何的建模是编写计算程序输入文件中的最核心部分。目前主要采用 以下几种方法：第一，手工建模，耗时耗力，容易出错；第二，脚本程序自动建模，无法生 成工程CAD模型，不能进行迭代设计操作，脚本程序需要经常修改；第三，专业的建模软 件，例如中国科学院核能安全技术研究所开发的多物理耦合建模分析自动建模软件MCAM。

目前大多数专业建模软件中处理复杂模型的方法是对每个栅元进行拆分解析，如果直接 将此种方法应用在裂变堆芯模型上，在时间性能和计算机资源消耗上根本无法接受，而且转 换得到的模型也丢失了原有层级信息，在处理大规模裂变堆芯模型时显得力不从心。

由于裂变堆芯存在大量简单几何重复并互相填充的特点，蒙特卡罗计算程序一般都会提 供一种层级几何的描述方式来构建堆芯的几何，这种几何描述方式结构十分清晰，可以描述 几何之间互相嵌套填充的关系，大大缩减几何文件长度，加快几何导入速度，提高计算效率。 于是，人们开始针对裂变堆芯这种特点，针对性的开发新的建模软件。早先MCAM中开发 的裂变堆芯快速建模模块，无法解析蒙特卡罗计算模型中的层级结构，也无法完成堆芯几何 迭代修改，无法应用在实际堆芯的设计中。随后北京应用物理与计算数学研究所，美国阿贡 国家实验室都开发了类似的专业建模系统，不过均没有证明这些系统能够支持堆芯的反复迭 代设计，也无法解析现有蒙特卡罗计算模型，并且由于堆芯中对模型可视化和计算的精度是 灵活要求的，现有的技术也无法提供可供用户选择的功能。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯 迭代设计系统，自动快速构建裂变反应堆堆芯CAD工程模型和蒙特卡罗计算模型，并支持 在整个设计过程中迭代设计，其中反应堆CAD工程模型可以用来满足后续工程设计样本参 照，而蒙特卡罗计算模型则可以输入辐射输运蒙特卡罗计算程序中进行计算，得到反应堆堆 芯功率、K有效，燃耗等十分重要物理量，这些物理量也是评价一个堆芯是否满足设计要求 和安全性的必要物理量。本发明避免人手工编写蒙特卡罗计算程序输入文件的繁琐性，使整 个建模过程变得极其直观，极大降低出错的概率，加快堆芯的设计时间。

本发明技术解决方案：一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，此系统实现 了基于反应堆堆芯迭代设计的建模过程，其能够生成堆芯的CAD工程设计模型和堆芯的蒙 特卡罗计算模型，其中CAD工程设计模型可以用于肉眼观察堆芯结构和工程设计，蒙特卡 罗计算模型能够导入蒙特卡罗计算程序，计算出反应堆堆芯关键物理参数，达到堆芯的设计 检验作用；

本发明包括核心转换模块、参数控制模块、计算模型解析模块和可视化交互模块；

核心转换模块，主要包含一套所有模块共用的满足反应堆堆芯设计参数体系，适用于反 应堆堆芯部件存在多层几何嵌套填充的特点，逻辑上为一种树形结构，称为参数树；基于此 参数树此模块主要完成三维CAD模型和蒙特卡罗计算程序输入模型的生成和相互转换；所 述参数控制模块与计算模型解析模块所提供参数全部输入到核心转换模块中，由核心转换模 块构建参数树，可视化交互模块从核心转换模块中提取参数树，基于参数树，可视化交互模 块对模型进行三维渲染，而参数控制模块能够继续对界面中渲染出的三维模型进行修改操 作，修改操作产生的新的参数会传递给核心转换模块，核心转换模块负责完成对参数树的修 改，在整个过程中核心转换模块随时能够将参数树中的信息转换成蒙特卡罗计算程序输入文 件，蒙特卡罗计算程序输入文件用于基于蒙特卡罗方法的输运计算，得到堆芯的关键物理量， 评价设计是否满足各方面要求。

参数控制模块，实现通过系统界面提供修改操作和通过系统界面提供对话框输入新的参 数来构建、修改和控制堆芯的模型，并将所有参数输入到核心转换模块；

计算模型解析模块，自动识别、检测和拆分用户已有的反应堆堆芯蒙特卡罗计算模型， 最终得到堆芯各部件具体参数，将参数输入到核心转换模块之中；

可视化交互模块，渲染出通过核心转换模块构建好的计算机三维CAD模型，让用户实 时对模型的设计状态可见；

所述核心转换模块具体实现过程为：

(1)获取参数控制模块和计算模型解析模块参数，如果获取参数来源于参数控制模块 判定参数树是否为空，如果非空，说明已经存在上一代参数树，则通过界面上存在限定约束 关系直接找到新的参数对应节点，在此节点中替换对应旧参数，完成对上一代参数树的更新； 如果为空则根据界面上存在的约束关系直接到步骤(5)；如果获取参数来源于是计算模型解 析模块，需经历步骤(2)，(3)，(4)；

(2)构建参数子树，参数子树中包含蒙特卡罗计算模型中限定的一组栅元集合，选此 集合的标号为根节点，集合内部的所有栅元为叶子节点，集合内部的单个栅元成为叶子栅元， 遍历所有叶子栅元，如果解析得到叶子栅元仍然被另一个栅元集合给填充，则将填充此叶子 栅元所使用的栅元集合的标号作为此叶子栅元的子节点，从而完成单棵参数子树构建；

(3)合并参数子树，通过各参数子树中根节点和最下层叶子节点信息，就能讲所有子 树链接起来，构建成一颗完整参数树；

(4)归并参数树，由于蒙特卡罗计算模型中栅元中几何有多个半空间面组成，几何信 息分散零碎，通过从底向上归并参数树节点；

(5)完成最终参数树构建此参数树，根据部件之间的包含关系划分出对应的层级属性；

(6)遍历参数树中的信息，通过几何信息构造三维几何实体，输入到可视化模块进行 渲染；

(7)遍历参数树中的信息，通过参数树中划分的层级属性，按层级的描述堆芯的每个 栅元，包括几何描述和其他物理描述，最终输出保留了层级关系的蒙特卡罗计算模型，用以 输入蒙特卡罗计算程序进行计算。

所述参数控制模块具体实现过程为：

(1)通过扑捉用户在系统界面操作，获取用户输入参数和操作信息具体包含构建堆芯 各组件几何，进一步细化堆芯组件内部燃料棒阵列，改变组件和组件内部元件的阵列规则， 改变控制棒位置，改变控制棒插入状态，燃料棒轴向生长，燃料棒径向膨胀和改变各部分几 何对应物理属性；

(2)从核心转换模块中获取已有参数树，如果参数树为空，则按照用户输入参数和操 作信息自动构建参数树；

(3)如果参数树不为空，则将用户新输入的控制参数和操作产生的结果反馈进参数树 之中，并继续保存在核心转换模块。

所述计算模型解析模块具体实现过程为：

(1)用户导入已有的蒙特卡罗计算模型；

(2)按照蒙特卡罗计算模型语法规则，进行解析，得到蒙特卡罗计算模型中每一个栅 元的参数，栅元中包含几何信息与物理信息；

(3)遍历获取的栅元，解析栅元所属集合和栅元是否被其它栅元集合所填充；

(4)将所有解析参数输入到核心转换模块中继续处理。

所述可视化模块具体实现过程为：

(1)从转换核心模块参数树中获取不同部件填充关系；

(2)根据此种填充关系构建可视化分段渲染树结构；

(3)实时渲染处于树结构中不同层级的分段，关闭不需要显示的分段。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够直观的得到堆芯的蒙特卡罗计算模型，避免过去手写蒙特卡罗计算模 型的繁琐性，提高了建模效率，极大减少了建模所消耗时间和发送错误的概率，将以往数天 才能完成并需要反复验证的建模任务，缩短至一个小时以内；

(2)本发明支持反复迭代设计，不仅仅是建模，然后计算，并且开发出了很多对模型 进行修改的功能，使整个反应堆设计过程一站化实施，不需要反复建模，增加了模型的重用 效率，消除了重复性的建模工作，使整个堆芯设计过程清晰明了，减轻设计者负担；

(3)本发明支持蒙特卡罗计算模型的解析和可视化，原有技术和方法，在得到蒙特卡 罗计算模型后，因为其大多数都由固定格式文本形式进行描述，很难想象其具体模型结构， 也很难在此基础上进行重用，本系统计算模型解析模块和可视化模块能够完美解决上述问 题，不仅能重用原有的蒙特卡罗计算模型，并且能够将其完整可视化，生成三维的面片模型 显示在用户面前，最大限度避免了出错的可能，因为肉眼能清晰观察到堆芯模型的结构和任 何细节；

(4)本发明可视化模块实现了对模型的分段渲染，这样避免一次性处理过多数据导致 可视化效率过低，又能在需要时候渲染出最底层细节，又避免了可视化图形由于面片数量太 多反而不能突出用户想要关注的重点等。

附图说明

图1为本发明总体流程图；

图2为本发明的组成框图；

图3为图1中参数控制模块的实现流程图；

图4为图1中计算模型解析模块的实现流程图；

图5为图1中核心转换模块的实现流程图；

图6为图1中可视化模块的实现流程图；

图7是堆芯组件设计参数示例；

图8是参数树结构图；

图9是参数树合并过程；

图10是通过实施例1中表格参数，构建出来的堆芯CAD工程模型线框图；

图11是实施例1中生成的部分MCNP程序计算模型；

图12是实施例2导入的部分MCNP程序计算模型；

图13是通过导入的计算模型文件，生成的CAD工程模型线框图。

具体实施方式

本发明能够实现在基于蒙特卡罗计算方法下对反应堆堆芯迭代设计的建模过程，其能够 生成堆芯的CAD工程设计模型和堆芯的蒙特卡罗计算模型，其中CAD工程设计模型可以用 于肉眼观察堆芯结构和工程设计，蒙特卡罗计算模型能够导入蒙特卡罗计算程序，计算出反 应堆堆芯关键物理参数，用以评判堆芯设计方案是否满足预期，如果没有满足，可以在系统 界面中进行可视化修改，直到满足设计预期为止。

如图1所示，本发明总体流程为，首先可以解析已有蒙特卡罗计算模型，或者获取用户 界面输入得到参数信息，在通过参数构建完成参数树后，得到了栅元建的层级信息，通过层 级信息，可以直接构建对应栅元部件的三维CAD几何，同时也可以直接输出蒙特卡罗计算 文件，在生成每个部件的三维CAD几何后，可以对所有的几何按照构建的分段信息进行分 段渲染，在界面中按照用户操作实时可视化不同的分段，用户可以在界面中使用系统提供的 相应功能对这些三维渲染模型进行修改操作，包括几何属性和物理属性，在修改完成后可以 生成新的蒙特卡罗计算模型，蒙特卡罗计算模型用于蒙特卡罗输运程序计算，最终得到想要 的结果。

如图2所示，本发明系统包括参数控制模块、计算模型解析模块、核心转换模块和可视 化交互模块。参数控制模块负责获取用户的操作，并转换为模型的控制参数，计算模型解析 模块负责解析已有的蒙特卡罗计算模型，获取模型的参数，核心转换模块负责接收前面两个 模块得到的参数，并构建新的参数树或者修改参数树的部分节点，并负责将参数树转换为 CAD工程实体几何模型和新的蒙特卡罗计算模型，可视化模块负责接收到核心转换模块得 到的CAD工程实体几何，并更具参数树结构对对应的实体几何进行分段渲染，对整个堆芯 模型进行可视化。

如图3所示，本发明中参数控制模块具体实现如下：

(1)用户通过界面输入堆芯内部包含的每一种组件的几何参数信息，例如形状、高度、 半径、密度、中子重要性、材料号，材料号对应具体的材料卡内部包含各种同位素和其不同 的核子密度。

(2)输入堆芯各个不同组件的装配信息，在径向上每一圈进行设置，例如前四圈是燃 料组件，后四圈是反射组件，最外层两圈是屏蔽组件。

(3)对燃料组件内部进一步进行细化，设计每一根燃料棒的结构，装备进燃料棒的阵 列。

(4)完成堆芯的所有参数设计，参数自动会被保存在核心转换模块数据结构中，核心 转换模块生成堆芯CAD模型，并在界面进行可视化，选中可视化图形，例如选中一根燃料 组件，选择组件替换功能，替换此组件为安全棒组件，在替换后核心转换模块中参数也同步 发生改变。

如图4所示，本发明中计算模型解析模块联合核心转换模块构建参数树具体实现如下：

(1)导入一个已有的蒙特卡罗计算模型，例如压水堆模型的MCNP计算程序的输入文 件(即计算模型)。

(2)自动按照MCNP输入文件语法格式对整个输入文件进行解析，并按照模型之间相 互嵌套填充关系构建参数树，参数树的构建步骤如图8，例如根据MCNP计算模型语法规则， 先构找到一个U卡为父节点，将标记为此U卡的所有栅元放入此父节点的叶子节点，再找 到每个栅元里描述的填充信息，例如有一个叶子栅元的Fill卡为2，则U卡为2的父节点为 此叶子节点的叶子节点。

(3)在完成所有栅元的遍历后，将得到很多棵这样的子树，最后根据子树父节点和最 下层叶子节点对应的其它子树的父节点连接起来，构成完整的参数结构。

(4)参数树自动保存在核心转换模块中。

如图5所示，本发明中核心转换模块具体实现如下：

(1)通过接收参数控制模块和计算模型解析模块的参数信息，构建好参数树，

(2)按照参数树从最底层开始向上层遍历，在得到一个叶子节点，按照蒙特卡罗计算 模型的语法规则输出此节点信息，例如按照一种新的国产超级蒙特卡罗计算程序SuperMC 的语法规则，类似于XML格式输出此节点。

(3)通过参数树开始向上归并每个叶子节点里的几何体，例如发现2个平行面，则手 工补足缺失的另外4个面，4个面的面参数都默认给定一个足够大值，从而归并出一个立方 体，如果这个节点的上层节点还能找到另外方向的平行面，这自动将最新得到的平行面与最 开始的2个平行面组合起来，剩余的两个面仍然是由默认给定的足够大的值构建的面组成， 然后继续往上归并。

(4)通过不断的归并，最终会得到每个部件的几何参数(如果描述的是一个正确的反 应堆，一定会达到这个结果)，并能找到部件与部件的填充关系。

在参数树结构中同时保留了不同部件的阵列信息，例如燃料棒在燃料组件内部阵列，燃 料组件在堆芯围桶内部阵列，通过这些信息核心转换模块开始构建实体几何，并根据完成归 并的参数树构建分段，将对应的实体几何划分进对应的分段之中。

如图6所示，本发明中可视化模块具体实现如下：

(1)获取核心转换模块中构建的实体和分段信息；

(2)通过分段节点构建实体模型渲染单元；

(3)按照用户的需求显示渲染单元，呈现出不同的可视化面片模型给用户。

如图7所示，为堆芯一个组件的几何参数实例，所有几何参数可以通过参数控制模块提 供的界面进行输入，在输入后会根据不同部件的结构自动完成参数树的构建。

如图8所示，为一颗完成的参数树示意图，其实父节点表示一系列栅元的组合，在此图 中UX节点表示堆芯总体几何，堆芯总体几何由C1、C2和C3三个栅元合并组成，UX节点 中记录了三个栅元的组成关系，其中C1栅元为堆芯内部燃料区域，由不同的燃料组件通过 阵列排布组成，第一种燃料组件标记为UY，第二种标记为UZ，其中UY和UZ又分别由 其下属叶子栅元节点组成，一直到参数树最底层，这样就形成了一个包括三层几何结构的完 整参数树。

如图9所示，为参数树构建的方法，首先解析UX，UY和UZ三种栅元集合，得到三颗 参数子树，并得到UX下属栅元C1被UY和UZ填充，从而根据此种关系，可以合并三颗 子树。

实施例1：

目标是利用本发明，完成一个快中子反应堆堆芯的构建，其上下栅格参数如表1，燃料 棒参数如表2，其它参数见表3，在完成建模，进行部分设计优化。

表1：上下栅格参数

材料 S32168 直径 798mm 厚度 5mm 孔直径 7.9mm 上下栅格板距离 400mm 支撑孔直径 41mm 支撑孔高度 400mm 支撑柱材料 S32168 支撑孔距中心距离 325mm

表2：燃料棒参数

表3：其它参数

第一步，通过系统提供界面输入建模参数；

第二步，点击构建堆芯CAD模型按钮，系统自动生成堆芯CAD工程模型线框图如图 10，为一种堆芯的CAD工程模型，通过输入实施例1中的参数进参数控制模块进行构建；

第三步，修改部分堆芯组件，增加控制组件，改变燃料组件布置；

第四步，得到最终堆芯模型，生成MCNP程序计算文件。如图11，为蒙特卡罗计算模 型，在实施例1中完成CAD工程模型构建后，生成此蒙特卡罗计算模型，此计算模型采用 特有格式的文本形式进行描述，可以直接导入蒙特卡罗计算程序中进行计算。

实施例2：

目标是解析原始蒙特卡罗计算模型文件，并进行迭代设计；

第一步，导入MCNP程序计算模型文件。图12所示，为一个现有蒙特卡罗计算模型， 此模型可以导入计算模型解析模块，完成参数树构建。

第二步，得到CAD工程模型。如图13所示，为本实施例中生成的堆芯CAD工程模型， 导入图12所示的蒙特卡罗计算模型并在系统内部构建好参数树后，生成此CAD工程模型；

第三步，可视化渲染CAD工程模型；

第四步，通过界面修改功能修改渲染的三维模型；

第五步，输出新的MCNP程序计算模型文件。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。