蒙特卡罗输运程序FLUKA自动建模方法研究
王电喜，胡丽琴1.2，王国忠²，赵子甲12，聂凡智，龙鹏程²，吴宜灿2，FDS团队
（2.中国科学技术大学，安徽合肥230027.2.中国科学院核能安全技术研究所，安徽合肥230031）
摘要：FLUKA是一种应用广泛的综合性蒙特卡罗粒子输运计算程序，使用其进行核装置的输运计算分 析时需要建立装置的几何模型，传续的于工建模方式耗时费力且容易出错，本文发展了一种基于计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的FLUKA自动建模方法，能够把通用CAD儿何模型转换为FLUKA输人文件格式的儿何模型，并基于FDS团队研发的核与辐射输运自动建模软件MCAM，实现了该方法，测试结果初步验证了该自动建模方法的正确性，
关键词：蒙特卡罗：FLUKA；自动建模：计算机辅助设计
中图分类号：TL371 文献标志码：A 文章编号：0258-0918（2013)03-0259-05
R&DonAutomatic ModelingMethodsforMonte CarloCodesFLUKA
WANG Dian-xil* HU Li-qin-* WANG Guo-zhong* ZHAO Zi-jia NIE Fan-zhi-# LONG Peng-cheng² WU Yi-can' FDS Team
(1. University af Science and Technology of Chins Hefei ef Anhui Prov. 230027 China 2. Institute of Nucleer Energy Sefety Technology Chinese Andemy of Seiences Hefei of Anhsi Prov. 230031 China)
Abstraet; FLUKA is a fully integrated particle physics Monte Carlo simulation package.It is necessary to create the geometry models before calculation. However it is timeconsuming and error-prone to describe the geometry models manually. This studydeveloped an automatic modeling method which could automatically convert puter-aided design (CAD) geometry models into FLUKA models. The conversion program was intcgrated into CAD/image-based automatic modeling program for nuclcar andradiation transport simulation (MCAM). Its correctness has been demonstrated.
Key words; Monte Carlo; FLUKA; automatic modeling: puter-aided design
用于计算粒子输运以及物理事件相互作用问题的蒙特卡罗程序，在高能物理等诸多领城获得
FLUKA是由欧洲核子中心（CERN）和意大利国家核物理研究院（INFN）共同研发的
了广泛的应用.通过FLUKA进行粒子输运计算时，需要首先建立装置的儿何模型.目前，FLUKA的建模方式主要有两种：一种是手工表示法是利用基本几何体素，通过一系列布尔 书写文本文件，耗时费力且容易出错：另一种则是依赖辅助建模软件，常用的有Flair和SimpleGeo，这两个软件均由CERN研发.Flair是FLUKA的高级用户接口，简化了FLUKA的手工建模过程，并将建模结果可视 化，提高了建模的效率和准确性：但不具备界面交互功能，模型修改依然只能通过几何卡的编几何可视化外，还增加了界面交互式编辑功能，FLUKA基本体.此外，Flair及SimpleGeo均不能导人通用计算机输助设计（Computer使用.将CAD模型转换为FLUKA输人模型的程序 AidedDesign，CAD）模型.因面发展一种可具有重要的应用价值.
FDS团队（ 罗方法计算程序之间的接口，在复杂核装置的
本文研究了一种基于CAD技术进行FLUKA自动建模的方法，能够将CAD模型转IT等模型对自动建模方法进行了测试与校 实现了该方法.使用先进聚变反应堆FDSFLUKA几何的转换.验，初步验证了其可靠性和准确性.
1建模方法
1.1CAD和FLUKA几何模型
CAD几何模型通需采用边界表示法（BoundaryRepresentation，BREP）表示几何模体卡和区卡；型.它详细定义了模型中的元素（如体、面、边、点等）的儿何信息及相互间的拓扑信息.卡、源卡以及其他附属信息卡： 这种表示法有利于以面和边为基础的各种几何运算和布尔运算，边界表示法是CAD系统中输人文件.最常用的表示法.
FLUKA几何模型采用组合儿何（CombinatorialGeometry，CG）表示法（），CG运算来构造复杂三维实体的方法.基本体素形 状比较规则，因此其数据结构简单，容易表达，且需要的存储空间较小，另外，CG表示法对物体几何形状的描述精确、严格，可建立较准确中有较多的应用， 的数学模型.CG表示法在粒子输运计算程序
FLUKA中的基本体素可分为三类：第可通过创建简单基本体并经布尔操作构建复杂是有限长圆柱与椭圆柱、截圆维及族转椭球体： 无限圆柱和椭圆柱及一般二次曲面体：第二类几何模型，但不支持一般二次曲面体等第三类包括任意多面体等.相较于后两类，第一类基本体描述准确且效率高，被官方推荐
示法和CG表示法基于完全不同的造型原理. 作为两种基本的实体构造方法，BREP表因面需要通过特定的算法完成前者向后者的转换，以使FLUKA能够利用通用的CAD几何模型.
多种商用工程CAD软件（如AutoCAD；1.2CAD到FLUKA几何模型的转换方法
完整的FLUKA输人文件由源卡、几何TRIPOLIGeant4和SuperMC等蒙特卡卡、材料卡以及其他附属信息卡组成[1.其中，源卡描述粒子源位置及出射方向；儿何卡包的基本体及其布尔运算得到的区：材料卡完成 括基本体卡和区卡，分别书写建模过程中用到材料定义及各区材料分配.本文的自动建模方换为FLUKA输人模型，并基于MCAM平台法适用于BREP描述CAD几何到CG描述的
从CAD模型到FLUKA输人模型的转换过程为：
（1）将CAD几何模型分解为凸实体；记录其布尔运算关系； （2）将凸实体分解为FLUKA基本体素并（3）据（2）中所得信息，生成FLUKA基本（4）根据原CAD模型属性信息，生成材料（5）各卡合并输出，即得对应的FLUKA
上述转换过程示意图如图1所示.
图1CAD几何到FLUKA几何转换过程示意图Fig. 1Flowchart of CAD geometry to FLUKA geometry
2程序实现与测试
2.1程序实现
本文基于MCAM平台实现了上述建模方法.用户可导入当前主流CAD系统（AutoCAD；CATIA、UG等）创建的STEP、SAT或IGS格式的几何模型，并使用MCAM 中的预处理功能对模型进行必要的修复，最后开启转换，生成FLUKA几何输人文件，目前转换生成的输人文件中包含几何卡及材料卡，对于源卡、计数卡或者其他附属信息卡，用户可根据需要添加，
目前，程序支持FLUKA无限半空间平面、球体、与坐标轴平行的无限圆柱、一般二次
曲面半空间及截圆锥等基本体素，基于这些基本体及其布尔运算可以表征复杂的CAD几何模型.
2.2测试
散列靶模型和聚变反应堆FDS-II模型为代表， 为校验转换程序的可靠性，本文以KADI进行了原始CAD模型与转换生成的FLUKA模型之间的三维外观、模型体积以及中子通量分布的比对测试，
1）KADI散列靶模型
KADI散列靶模型是欧洲同位素在线分离工程（EURISOL-DS）2号任务的简化模型，采用汞为散射靶材料，几何为一个半径20cm 半径、长80cm的圆柱在底面中间挖取一个半径2cm、长20cm的圆柱形润，如图2所示，从内到外依次为散射靶、真空及黑润区域.
图2KAIDI散射靶立体图（左）与截面图（右）Fig. 2 Stereogram(left) and cross-section (right) of the KADI spallation target
散列靶的质子源能量为1GeV，强度为平均差5mm的高斯分布，为验证FLUKA自动建模程序的正确性，分别通过手工创建文本输 人文件进行计算及创建CAD模型并转换得到文本输人文件进行计算的方式，得到手工建模与自动建模的通量谱，结果如图3所示.MCAM转换建立模型与手工创建模型的总通量 密度计算结果分别为0.02307553ncm².g1与0.0230456ncms，偏差为0.13%，计算统计误差为0.15%，
2）聚变反应堆FDS-Ⅱ模型
FDS-Ⅱ是FDS团队自主设计的先进聚变反应堆.FDS-Ⅱ中子学模型为环向22.5°的简化模型，共包含113个实体和1067个曲面，利用MCAM自动生成FDS-II的FLUKA计算输入文件.为了验证输人文件的正确性，首 先，将转换后的模型文件导人Flair进行可视
Fig 5 Flux distribution of FDS-II 图5FDS-B通量密度分布图
Fig. 3 Flux spectrum of KADI spallation terget 图3KAII散射靶通量谱
吻合良好，
化，并与原CAD模型进行三维外观对比，如图 4所示
上述测试结果，表明了转换前后模型几何的一致性，验证了本文方法的正确性.
3结论
本文研究了基于CAD技术进行FLUKA自动建模的方法，实现了CAD模型到FLUKA输人模型的转换.以KADI散列靶模型和聚变反应堆FDS-Ⅱ模型为代表进行了测试，初步 验证了转换结果的正确性，该方法将有效提高分析设计人员对FLUKA程序进行建模的效率，
图4FDS-ⅡI 在MCAM（左）和 Flair（右）中Fig. 4 FDS-II in MCAM(left)and Flair(right)
其次，利用MCAM的反转功能，将转换后得到的FLUKA输人文件再转化为CAD模型，计算反转得到的CAD模型中各栅元的体 积并与原始CAD模型的各栅元体积进行对比，最大偏差为0.00098%.
未来的工作将是通过更复杂的模型，如国际热核聚变实验反应堆ITER基准模型，对 程序进行中子学计算验证.此外，也将添加源与计数卡编辑模块等，对FLUKA建模功能进行丰富和完善.
最后，通过手工建模的方法，得到FDS-ⅡI模型的FLUKA输人文件，利用该文件进行中 子通量密度分布的计算并与自动建模的结果对比，如图5所示.两次计算的最大统计误差分别为0.31%和0.26%，各栅元的通量密度最大编差值为0.70%.
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3）讨论
KADI散射靶模型的测试结果表明，程序转换生成的模型与手工创建的模型得到的输人文件的通量谱计算结果吻合良好.
FDS-ⅡI模型经MCAM正转得到的FLUKA凡 聚变反应堆FDS-Ⅱ模型的测试结果表明，何模型与转换前的几何模型外观一致：转换前后，模型体积也一致.此外，程序转换生成的模型与手工创建的模型的中子通量密度计算结果
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