零基础MCNP入门介绍

1、MCNP 程序建模简介MCNP中物理量使用的单位：长度：cm能量（温度）：MeV时间：刹那（10-8s）原子密度：1024/cm3质量密度：g/cm3截面：靶（10-24cm2）蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法又叫随机抽样法或统计实验方法，属于计算数学的一个分支，它是在20世纪40年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果，而蒙特卡洛方法由于能够真实地模拟实际物理过程，故解决问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。蒲丰氏问题 18世纪，法国数学家蒲丰在1777年提出一个问题：假设在一个平行且等距木纹铺成的地板上随意抛一支长度为木纹

2、间距一半的针，求针和其中一条木纹相交的概率。并以此概率，蒲丰提出的一种计算圆周率的方法随机投针法。P =2l laal l实验者时间投掷次数相交次数圆周率估计值Wolf1850年500025323.1596Smith1855年32041218.53.1554C.De Morgan1860年600382.53.137Fox1884年10304893.1595Lazzerini1901年340818083.1415929Reina1925年25208593.1795电子枪描图 比如要求电视机扫描出圆盘图像的面积，那么可以用扫描整个屏幕所需的电子数去除扫描圆盘图像所需的电子数，再乘以屏幕面积（长宽）

3、，相当于这种方法能求出圆的面积，再根据圆面积公式S=r2，可求得圆周率。随机数 显然，这种概率统计必须保证出射粒子是随机的，也就是说不能瞄准。 但是随机数的生成很复杂，用于程序计算有很大的局限性，所以MCNP采用的是伪随机数。 比如以下数列： 0 2 4 6 9 2 5 8 2 6 0 4 8 2 7 2 7 2 8 4 0 6 这个数列就是一种取伪随机数的方法，即从10开始，将其平方数砍头去尾（去掉最高位和最低位）之后所剩的数构成的数列。MCNP 简介 MCNP是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamos National Laboratory)开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂

4、几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题的通用软件包，也具有计算核临界系统（包括次临界和超临界系统）本征值问题的能力。该软件包通过FORTRAN语言编程实现。 MCNP程序涉及面如此之多，关键是通过读入一个经用户创建的称为INP的输入文件来进行计算。该文件必须遵循按照栅元卡的格式进行组织，指定描述空间问题的信息，具体有 (1) 空间几何体的描述说明； (2) 几何体的使用材料描述和交叉区域的选择估计； (3) 中子、光子以及电子这3种粒子源的位置和特性说明； (4) 必要的回答卡和标记卡的类型； (5) 任何必需的冗余量消除技术以提高计算效率。 目前，MCNP以其灵活、通用

5、的特点以及强大的功能被广泛应用于辐射防护与射线测定、辐射屏蔽设计优化、反应堆设计、（次）临界装置实验、医学以及检测器设计与分析等学科领域，并得到一致认可。MCNP 输入卡编写 MCNP输入卡即INP卡，该文件可由记事本或写字板程序编辑，完成编辑后需删除后缀名，命名不能太长，不能出现中文字符。 INP卡包含栅元卡、曲面卡、数据卡，三者之间要空行；数据卡可细分为源项描述卡、计数卡和材料卡以及截断卡。 INP卡输入时不能超过80列，15列为序号列。曲面卡助记名助记名类型及说明类型及说明方程方程数据项数据项P一般平面Ax+By+Cz-D=0A B C DPX （PY PZ）垂直于轴的平面X-D=0DS

6、一般球面(X-x)2+(Y-y)2+(Z-z)2-R2=0X Y Z RSO球心在原点的球面X2+y2+z2-R2=0RSX （SY SZ）球心在轴上的球面(X-x)2+y2+z2-R2=0X RCX （CY CZ）坐标轴上的圆柱面y2+z2-R2=0RC/X （C/Y C/Z） 平行于轴的圆柱面(Y-y)2+(Z-z)2-R2=0Y Z RKX （KY KZ）坐标轴上的圆锥面(y2+z2)0.5-t(X-x)=0X t 1K/X （K/Y K/Z） 平行于轴的圆锥面(Y-y)2+(Z-z)20.5-t(X-x)=0X Y Z t 1SQ GQ圆锥曲面TX （TY TZ）椭圆环面栅元卡用布尔算

7、符将曲面卡进行组合，构成体元。布尔算符有： 交：数学上取交集，空格符号表示； 联：数学上取并集，“：” 表示； 余：数学上取非，“#”表示。栅元卡15列为栅元序号，680列开始分别是材料号、材料密度、曲面构成、权重卡（可集中到最后一起输入）。数据卡通用源描述 通用源卡SDEF 源信息卡SPn 源概率卡SIn 定义一个比源栅元稍大的空间，用于包拢放射源（避免边界抽样错误），本例用圆柱体包拢源栅元。 新手建议用长方体去包拢，描述上改为X=d1 Y=d2 Z=d3 si1 -30 30 sp1 0 1 si2 -30 30 sp2 0 1 si3 -30 30 sp3 0 1 助记名助记名意义意义缺

8、省值缺省值cel放射源栅元erg粒子能量14MeVpos抽样位置参考点0 0 0rad半径或到极轴的距离0ext沿矢量方向到原点的距离axs参照矢量par粒子属性1 npe2 pe3 e数据卡计数卡和剂量乘子卡助记名助记名计数说明计数说明FnFn单位单位* *FnFn单位单位F1:N F1:P曲面积分流量粒子数MeVF2:N F2:P曲面平均通量粒子数/cm2MeV/cm2F4:N F4:P栅元平均通量粒子数/cm2MeV/cm2F5:N F5:P点探测器通量粒子数/cm2MeV/cm2F6:N F6:P能量沉积MeV/gJerk/gF7:N裂变能量沉积MeV/gJerk/gF8:N P脉冲幅

9、度脉冲MeV数据卡材料卡数据卡问题截断卡 蒙特卡洛方法收敛速度较慢，一般我们会结合统计误差要求去适时终止程序运行。 常用的几种终止程序运行的卡片：助记名参数释义截断卡 cut:n T E WC1 WC2 SWTMn：中子或光子，光子写作p。T：截断时间，中子寿命超过T，即被杀死！E：截断能量，中子能量低于E，即被杀死！WC1：截断权限，WC2=0.5WC1，WGTWC2，粒子将以WGT/(WC1R)的几率幸存，且权重变为WC1R，其中R是前后两栅元重要性之比。SWTM：源粒子最小权重。历史截断卡 nps N不能用于临界计算，其余问题当运行粒子数达到N时，MCNP终止计算。时间截断卡 ctme

10、XMCNP运行X分钟后终止计算。典型几何体建模 圆管道建模涉及4个曲面：2个圆柱面和2个平面。 方管道建模则涉及10个曲面：8个平面描述管道内外表面，2个平面截断。DN25（322.5）C *$1 1 -7.85 3 -4 2 -1C *$1 CX 1.62 CX 1.353 PY -54 PY 5直管道建模典型几何体建模和管道一样，弯头的MCNP模型需要4个曲面来描述，分别是内壁面、外表面和2个截面。用到的曲面种类有：椭圆环面和平面，下面主要介绍一下椭圆环面。弯头建模椭圆环面（TX TY TZ） 椭圆环面是一个四阶曲面，其解析方程为：旋转轴平行于x： (x-x0)2/b2+(y-y0)2+(

11、z-z0)20.5-a2/(c2-1)=0旋转轴平行于y： (y-y0)2/b2+(x-x0)2+(z-z0)20.5-a2/(c2-1)=0旋转轴平行于z： (z-z0)2/b2+(x-x0)2+(y-y0)20.5-a2/(c2-1)=0典型几何体建模三通建模DN300 等径焊制三通C *$1 1 -7.85 (9 -7 -5 -1 2):(7 -10 6 -1 2):(5 -6 -8 -3 4)C *$1 CX 16.25 $ 主管外壁 $2 CX 15 $ 主管内壁 $3 CZ 16.25 $ 支管外壁 $4 CZ 15 $ 支管内壁 $5 P 0 0 0 0 1 0 -15 0 15

12、 $ 辅助切面1 $6 P 0 0 0 0 1 0 15 0 15 $ 辅助切面2 $7 PX 0 $ 辅助切面3 $8 PZ 36 $ 支管端面 $9 PX -36 $ 主管前端面 $10 PX 36 $ 主管后端面 $典型几何体建模锥形封头和球形封头C *8*$1 1 -7.85 2 -1 -7 $ 锥形封头 $2 1 -7.85 2 -4 7 $ 封头焊缝 $3 1 -7.85 4 -3 7 -8 $ 箱罐筒体 $4 1 -7.85 6 -5 8 $ 球形封头 $C *$1 KZ 0 3 1 $ 锥形封头外壁面 $2 KZ 0.92 3 1 $ 锥形封头内壁面 $3 CZ 90 $ 箱罐外壁面 $4 CZ 89.2 $ 箱罐内壁面 $5 SZ 100 90 $ 球形封头外壁面 $ 6 SZ 100 89.2 $ 球形封头内壁面 $7 PZ 51.9