蒙特卡罗程序TRIPOLI 自动建模方法研究
张俊军1，曾勤2，王国忠²，吴宜灿12，FDS团队1-2
（1.中国科学院等真子体物理研究所，安徽合肥230031：2.中国科学战术大学核科学技术学院，安徽合肥230027）
摘要：TRIPOLI是法国原子能著（CEA）开发的三维蒙特卡罗粒子输运计算程序，在反应堆物理分析、辐射防护设计、核安全评估等领域得到广泛应用.但是手工指述其输入文件耗时，容易出错，质盘得不到保证，本文研究了TRIPOL1自动建模方选，实现了CAD工程模型与TRIPOLI模型的相互转换，通过 对基准例题的计算分析，证明了其转换结果正确、可靠.
美键词：TRIPOLI中子学模型：自动建模：几何引擎；MCAM；构造实体几何
中国分类号：TL.371文截标惠码：A文章编号：0258-0918（2010)03-0272-05
Automatic modelingfor themontecarlo transportTRIPOLI code
ZHANG Jun-jun² ZENG Qin'" WANG Guo-zhong? WU Yi-can* FDS Team**
(1. Iastitute of Plasma Physics Chintse Academy of Scienoes Helei of Anhui Prov 230031 Chins; 2. School of Nelear Science and Technology University of Seienee and Technology of China.Helei of Anhui Prov 230027 China)
Abstract: TRIPOLI developed by CEA. France is Monte Carlo partiele transport simu-lation code It has been widely applied to nuclear physics shielding design evaluationof nuelear safety However it is time-consuming and error-prone to manually describe the TRIPOL1 input file This paper implemented bi-directional conversion between CADmodel and TRIPOLI model 1ts feasibility and efficiency have been demonstrated by sev-eral benchmarking examples
Key words; TRIPOLI; neutronics model; automatic modeling; geometry engine;MCAM; construetive solid geometry
MCAM(Monte Carlo Automatic Modeling) 是FDS团队研发的蒙特卡罗粒子输运自动建
模系统，可实现多种格式的CAD工程模型与棱柱、圆环等来构造几何模型，另外，TRIPOMCNP蒙特卡罗粒子输运计算模型之间的相LI支持旋转、网格阵列等具有重复结构性质的互转换，有效地解决了MCNP计算建模的瓶颈操作，可以快速完成具有相同结构的几何模型 间题，并被国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reac-tor）国际组织选作中子学分析参考软件.
发的基于蒙特卡罗方法的三维粒子输运计算程 TRIPOLI-4.3是法国原子能署（CEA）开序，它能够详细模拟中子、光子以及中子光子耦合的输运过程，使用精细的点截面以及多群等效截面的数据库，广泛用于裂变反应堆堆芯物 理计算以及屏蔽分析中.作为MCAM的功能扩展，本文研究了TRIPOLI自动建模方法.新开发的MCAM5.1版本实现了CAD模型与TRIPOLI模型的相互转换，提高了中子学的分析效率，保证了设计质量.
1CAD和TRIPOLI几何模型
CAD儿何模型通常采用边界表示法（boundaryrepresentation，简称BREP）表示凡 何模型.它详细定义了模型中的几何元素如体、面、环、边、点的几何信息及相互间的拓扑连接信息.这种表示法有利于以面和边为基础CAD系统中最通用的表示法， 的各种几何运算和布尔运算.边界表示法是
构造实体几何法（constructive solidgeom-etry，简称CSG）是利用基本儿何体素（如球体、立方体、圆柱体、圆摊体等），通过一系列布 尔运算来构造复杂三维实体的方法，由于基本几何体素比较规则，其数据结构简单，容易表达，而且需要的存储空间较小，另外，CSG表示法对物体几何形状的描述精确、严格，可建立 起较明确的数学模型，一些典型的基于蒙特卡罗方法的粒子输运程序如MCNP.GEANTCEGS等对于几何模型的描述均采用CSG表示法.TRIPOL1利用曲面的半空间的逻辑运算（并、交、差）来定义几何模型.曲面的半空间 是属于CSG的一种表示方法.在TRIPO-LI中对曲面的描述有两种方式：面相关方式和组合方式.面相关方式通过指定面的类型和TRIPOLI对几何模型的检测局限于二维剖面一些基本形状如长方体、球体、圆柱体、圆锥、六率低，同时，为了满足选代设计需要，可以三维 系数（参数）来描述曲面，面组合方式直接定义图，不易发现几何模型描述中的错误，面且效
建模如反应堆芯的建模.
虽然CSG表示法比较简单，但是依赖手工建立复杂儿何的TRIPOLI中子学模型不直存在大量的CAD儿何模型，直接利用这些几 观、抽象，容易出错.同时，在工程实践中已经何模型进行中子学物理分析，则分析结果更加精确可靠，另外，如果能够进行三维交互式的检查、分析TRIPOLI中子学模型，并获取其描 述的几何模型，则大大提高设计效率和分析质量.因此，需要对CAD工程模型与粒子输运计算程序TRIPOLI之间的相互转换进行研究.由前所述，其本质上就是几何模型的边界 表示（BREP）和构造实体儿何（CSG）两种表示方法的相互转换.
2CAD模型到TRIPOLI几何模 型的转换方法
自动将CAD工程模型转换为TRIPOLI的儿何模型，也即BREP模型向CSG的转换， 基于分解的方式-，首先将几何模型分解为凸实体，由于凸实体能够被它的边界所定义，然后利用拓扑信息得到凸实体的边界面，生成对应的半空间的交，最后组合成复杂实体的半空间表达式，也即TRIPOLI的几何模型.另外， 由于蒙特卡罗中子学计算程序需要对整个三维求解空间进行定义，但是，在CAD工程模型中，通常只存在三维模型零件的实体部分，因此，不仅仅需要对三维模型的零件实体进行转 换，面且必须要描述整个三维问题空间中不属于CAD模型中的空余部分（定义为空腔实体）.利用二叉空间分割算法，将整个求解空间分割为一系列子空间，对各个子空间进行布尔 运算得到空腔实体的TRIPOLI几何描述，
3TRIPOLI几何模型到CAD模 型的转换方法
由于缺少有效的三维交互式可视化软件，
我们进行了由TRIPOLI几何模型到CAD模 交互的编辑修改TRIPOLI摄述的儿何模型，型的转换算法研究.由前所述，TRIPOLI利用CSG表示法来描述儿何模型，通过解析输人节点表示基本几何体，中间节点表示布尔运算. 文件中的关键字建立CSG树，其中，树的叶子由于构造生成的每个基本几何体素和中间几何体均为BREP表示法的模型，因此，当遍历这棵树时，最终生成的儿何模型即是BREP表示 格式的CAD模型.生成的CAD模型可以以中性文件格式（如SAT、STEP和IGES等）进行保存，方便地导人到商业CAD软件中进行进一步的编辑和修改.
4干涉检查方法
TRIPOLI程序如同其他紫特卡罗粒子输运程序一样，要求栅元的描述是严格共面的， 不允许有相互之间的干涉或重叠，但是，在CAD工程模型中由于精度误差等原因，往往存在细微的干涉，这是不被TRIPOLI程序所允许的，同样，为了满足选代设计需要，对于 TRIPOLI几何模型，也必须进行检查，发现TRIPOLI儿何模型述中的干涉，保证设计质量，通过对整个模型空间的八又树划分，基于实体的包围盒，进行初步检测.然后对 可能发生干涉的模型实体，再运用布尔运算进行详细检查.
5测试与应用
5.1反应堆临界计算模型
TRIPOLI手册中定义了一系列基本例题，用来进行TRIPOLI计算测试.选择反应堆临界计算例题，完成我们的基准测试.该输人文件中几何模型采用组合方式进行描述，分别定 义了燃料棒、控制棒、水层、屏蔽层等基本几何模型，然后通过六面体网格阵列形式定义了一个17×17的燃料组件，我们利用MCAM5.1，将其TRIPOLI儿何模型转换为三维CAD儿 何模型，进行交互式的观察、检测和分析.由于MCAM5.1具有良好的人机接口，提供了多种显示观察方式，可以根据用户要求隐藏栅元实体，单独显示感兴整棚元或组件.图1显示转
换后得到的CAD儿何模型.图2、图3分别显示了组件内部情况，分析结果表明，可以应用于具有大量重复结构的裂变领域，提高中子学的设计与分析效率.
图1TRIPOLI模型转换得到的 CAD儿例模型Fig. 1 CAD model from TRIPOL.1 input file
图2观察组件内部元
Fig. 2 CAD model inside shown in MCAM5. 1
图3单独显示燃料棒元
Fig. 3 MOX ponents alone shown in MCAM5. 1
5.2聚变反应堆模型
FDS-"是FDS团队设计的先进聚变是从CAD模型的基础上简化而来，环向22.5°， 反应堆模型，聚变功率2.5GW.该计算模型模型包含113个实体和130个曲面.利用MCAM5.1自动生成FDS-II的TRIPOLI计算输人文件.为了验证产生输人文件的正确性， 一方面，利用MCAM5.1的反演功能把生成的TRIPOLI计算输人文件转换为CAD模型进行交互式检查，并和TRIPOLI自带的画图软件生成的二维剖面图对比（图4、图5）.
图4TRIPOLI中的截图
Fig. 4 Cross section drawn in TRIPOLI
图5MCAM读取TRIPOLI输人文件生成的模型Fig 5 CAD model generated from input file
序对内包层（288cm<Z<380cm）进行中子注 另一方面，分别用TRIPOLI和MCNP程量率计数，完成交叉检查.相关计算参数描述如下：源强为13.84MeV<E<14.19MeV，数NP).最终计算结果和MCNP的计算结果进 据库为JEF2（TRIPOLI).FENDL2.1（MC-行比较（图6），两种方法最大误差相差不到1%. 5.3ITER基准测试模型 6结论 Fig. 6 Comparison of Neutron flux result between 图6TRIPOLI和MCNP计算结果比较TRIPOL1 result and MCNP result ITER国际工作组为了检验各国中子学建模软件的成熟性和可靠性，发布了ITER基准CAD软件CATIA完成建模，描述了ITER装 测试模型[（图7）.其儿何模型是使用商业置在环向方向上的40°的扇形段，并做了必要的简化，最终以STEP格式发布.基准测试模型主要部件包含包层、偏滤器、真空室、环向场线圈、极向场线圈、中心螺线管、上下窗口、赤道 窗口等，涉及ITER装置中的重要部件和组成部分，而且含有较多的复杂回旋曲面和曲面相交的情况，是一个复杂的大型几何模型. 中，进行干涉检查，确保模型没有干涉或重叠 将ITER基准测试模型导人到MCAM5.1后，生成TRIPOLI的输入文件.然后，利用TRIPOLI程序完成计算，并将结果与MCNP的计算相比较，达到很好的一致，详细情况请参考文献[14]. 本文研究了三维蒙特卡罗粒子输运计算程序TRIPOLI自动建模方法，实现了CAD模型 与TRIPOLI模型之间的相互转换，CAD工程模型可以自动转换为TRIPOLI计算输人文件；也可以读取TRIPOLI输人文件，进行交互式观察、检测其几何模型，利用反应堆临界计 算模型、聚变反应堆模型以及ITER基准模型进行测试，证明了其相互转换正确、可靠，目 [4] Requicla A A G Rossignac J R. Solid Modeling andBeyond [J]. 1EEE Computer Graphies and Applicstion [5] Suzanne F Bacbeles. Richard H Crswford. Threedi- 1592 12(5) 3144 mensional half-space constructive solid geometry tee co-Computer Aided Design 2004 36(11) 1063-1073. structios from implicit boundary representations [J].[6]Agostinlli S Allion ] Amako K et al. GEANT4-± simuletion toolkic(J]. Nuclear Inatruments and Methodsin Physics Reseerth Setion A:Accelerators Spectrome-ters Detetors and Associened Equipment 2003 506 (31) ;250-303.[7] Waiter Ronaldson Hideo Hirayams. David W O Rag-ers THE EGS4 CXDE SYSTEM. SLACReport-265 [R]. USA SLAC Technical Putblicetions Degertment 1985 [8]丁爱平，李登，卢磊，等.计算模型MCNP模型的呵我化 实现[J].原子教物理评论，2006.23（2），130-133.[9] Hoffmann Christopher M. Gesmetric and Solid Model- ing: An Introdection [ M]. Califorsia Moegan Kauf-mann Peblishers Ine. 1989.[10]吴宣灿，李壹，产磊，等，蒙特卡罗粒子输运计算自动建模 整序系统的研究与发展[J].核科学与工程，2006.26(1) 20-27 [11]罗月意.模型变换技术及其在MCNP建模中的应用[D] 变徽：合肥工业大学，2005.[12] Ws Y FDS Tesm Cooceptual design of tbe China fu- sion power plant FDS-I [J]. Fusicn Enginering andDesign 2008 83 1683-1689.[13]李蛋，曾，产磊，等，利用ITER基准模型对MCAM4.2 进行检验（）[].核科学与工程，2008，2B（1）47-50 [14] L.s L Lee Y K Zhang J J et al. Development of Monte OL1-ITER application [F]. Nuclear Instruments and Carlo autematic modeling funetions of MCAM for TRIP-Methods in Physics Research A 2009 605 384-387. 图7ITER基准测试模型Fig. 7 ITER benehmark model 前，该功能已经集成进MCAM系统中，形成MCAM5.1版本，在法国CEA得到应用.极大地提高了中子学分析设计人员的效率，可以作为核领域中子学分析的有效质量保证工具： 参考文献： [1] Wu Y C FDS Team. CAI-hased interface programs for fusion netron transport simulstion [J]. Fusion Engineering and Derigs. 2009 84:1987-1992.[2] Briesmeister I F MCNP-a general Monte Carlo N-perti- cle transport code version 4[R]. USA;Los Alamos Ne-tional Laboratory .2000.[3] Petit O Hugot F X Lee Y K et al. TRIPOL-4 ver sion 4 user guide CEA-r-5169[R]. France:(CEA 2008.
