CN114781230A - 基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法 - Google Patents

基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于有限元‑蒙特卡罗‑点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法，通过分析核装置辐射屏蔽问题中源的源强和空间分布自动生成剖分面，基于核装置的三维CAD模型以剖分面为边界划分非结构网格，采用有限元方法对剖分面内部区域进行共轭输运计算，得到源偏倚和权窗参数，提供给蒙特卡罗方法对剖分面内部区域进行前向输运计算，得到剖分面的中子面源和光子面源，将剖分面的中子面源和光子面源作为源项，采用点核积分方法对剖分面外的区域进行计算，得到γ剂量率分布；本发明方法具有较强的复杂几何适应性，效率高于传统的蒙特卡罗方法，在保证计算精度的情况下极大提高了计算效率，为核装置辐射屏蔽问题的快速、精确计算提供了可靠方案。

Description

基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的 方法
技术领域
本发明涉及核装置辐射屏蔽计算领域，具体涉及一种基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法。
背景技术
确定辐射场水平是开展辐射防护工作的重要依据之一，理论计算的手段不受时空限制，是确定辐射场水平的重要方法。目前辐射场水平计算有三种基本方法：(1)蒙特卡罗方法：非确定论方法，可求解复杂几何，但计算时间长且处理深穿透问题时表现不够好；(2)确定论方法：如有限元方法，计算速度相对较快，但在求解复杂几何时不如蒙特卡罗方法精确；(3)点核积分方法：半经验方法，计算速度快，但求解复杂几何时计算结果显著偏高。
三种方法各有优劣，单独使用难以满足工程实际对核装置辐射场水平进行快速、精确求解的需求。以核设施退役辐射场计算为例，在核设施退役过程中，随着设备的逐步拆除，需对其三维辐射场的γ剂量率进行快速、精准的计算与评估作为退役策略和辐射防护工作的重要依据。若单独以蒙特卡罗方法进行辐射场水平理论计算则耗时过长，限制退役工作按时开展，且在部分重要区域(如一回路周围厂房)将因闯过厚屏蔽结构(如反射层)而出现计数率偏低的问题，无法保证计算结果的可靠性；若单独以有限元方法进行辐射场水平理论计算则难以保证含源项复杂几何构件如堆芯所在区域计算结果的正确性；若单独以点核积分方法进行辐射场水平理论计算，将显著高估γ剂量率，增加退役工作的成本。
针对目前辐射场计算方法无法兼顾计算精度和计算效率的缺点，发明一种基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法。
发明内容
蒙特卡罗方法具有计算精度高、复杂几何适应能力强的优点，十分适合对核装置辐射屏蔽问题进行计算，但计算耗时长，难以满足工程应用要求，如果采用有限元方法对求解区域进行共轭输运计算提供源偏倚和权窗参数，蒙特卡罗计算的时间将大大缩短。点核积分方法的计算速度快，适于求解不含源项的真空区域或含源项几乎可忽略的区域。因此将计算区域进行剖分，以最小相切的方法自动选取剖分面，利用有限元-蒙特卡罗耦合方法对含源项、几何复杂的区域进行计算，为点核积分提供源项，利用点核积分对不含源项、几何简单的区域计算得到γ剂量率分布。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实施：
一种基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法，包括如下步骤：
步骤1：根据核装置辐射屏蔽问题中源的空间分布信息和源强，计算获得每组源的等效中心；
步骤2：对于每组源，以源的等效中心为中心分别画源的外切球体、外切长方体及外切圆柱体，比较外切球体、外切圆柱体及外切长方体的体积并选取体积最小的几何体的表面作为剖分面；
步骤3：根据核装置辐射屏蔽问题中的几何、材料信息在CAD软件(如SpaceClaim)中建立核装置的三维CAD模型；
步骤4：基于步骤3建立的核装置三维CAD模型，利用网格剖分工具(如FluentMeshing)以步骤2所确定的剖分面为边界生成非结构网格；
步骤5：基于步骤4生成的非结构网格，采用有限元方法对剖分面内部区域进行共轭输运计算，得到源偏倚和权窗参数；
步骤6：利用步骤5的得到的源偏倚和权窗参数，采用蒙特卡罗方法对剖分面内部区域进行前向输运计算，得到剖分面的中子面源和光子面源；
步骤7：将步骤6算出的剖分面的中子面源和光子面源作为源项，采用点核积分方法对剖分面外的区域进行计算，得到γ剂量率分布。
与现有技术相比，本发明有如下突出优点：
1.本发明方法耦合了有限元方法、蒙特卡罗方法以及点核积分方法，在保证计算精度的情况下可以快速地确定待计算区域的γ剂量率分布，为核装置辐射屏蔽问题提供了兼顾可靠性与效率的计算方案。
2.本发明方法根据核装置辐射屏蔽问题中源的空间分布和源强自动生成剖分面，不依赖于使用者的经验。
3.本发明方法的有限元方法采用非结构网格进行共轭输运计算，保证了复杂几何的核装置辐射屏蔽问题的共轭输运计算精度。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得的AP1000厂房的γ剂量率分布的xz剖面图。
图3是基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得的AP1000厂房的γ剂量率分布的xy剖面图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明是一种基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法，如图1所示，采取如下的技术方案予以实施：
步骤1：根据核装置辐射屏蔽问题中源的空间分布信息对源进行分组：原则上尽可能将所有源纳入一组，仅在某源与其他源空间跨度过大时才将其单独分出成组。对于每组源，以其源强分布为权重计算其等效中心；
步骤2：对于每组源，以源的等效中心为几何中心分别画源的外切球体、外切长方体及外切圆柱体：以外切球体为例，对于某组源，先画出一球心与该组源的等效中心重合且恰好包络该组源的球体，按一定步长增大球的半径直至球面及球体外区域材料与粒子的作用截面几乎为零，此时的球体即外切球体，比较外切球体、外切圆柱体及外切长方体的体积并选取体积最小的几何体的表面作为剖分面；
步骤3：根据核装置辐射屏蔽问题中的几何、材料信息在SpaceClaim软件中建立核装置的三维CAD模型；
步骤4：基于步骤3建立的核装置三维CAD模型，利用网格剖分工具FluentMeshing以步骤2所确定的剖分面为边界，在边界内区域自动生成非结构网格；
步骤5：基于步骤4生成的非结构网格，采用有限元方法对剖分面内部区域进行共轭输运计算，得到剖分面内部区域的源偏倚和权窗参数；
步骤6：利用步骤5的得到的源偏倚和权窗参数，采用蒙特卡罗方法对剖分面内部区域进行前向输运计算，分别得到剖分面的中子流量率作为中子面源和光子流量率作为光子面源；
步骤7：将步骤6算出的剖分面的中子面源和光子面源等效转换为向剖分面外发射，放射性均匀分布于朝剖分面外2π范围内的点源，采用点核积分方法对剖分面外的区域进行计算，将各点源的γ剂量率贡献求和得到γ剂量率分布。如图2和图3所示，分别为采用本发明基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得的AP1000厂房的γ剂量率分布的xz和xy剖面图。

Claims (1)

1.一种基于有限元-蒙特卡罗-点核积分耦合获得γ剂量率分布的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据核装置辐射屏蔽问题中源的空间分布信息和源强，计算获得每组源的等效中心；
步骤2：对于每组源，以源的等效中心为中心分别画源的外切球体、外切长方体及外切圆柱体，比较外切球体、外切圆柱体及外切长方体的体积并选取体积最小的几何体的表面作为剖分面；
步骤3：根据核装置辐射屏蔽问题中的几何、材料信息在CAD软件中建立核装置三维CAD模型；
步骤4：基于步骤3建立的核装置三维CAD模型，利用网格剖分工具以步骤2所确定的剖分面为边界生成非结构网格；
步骤5：基于步骤4生成的非结构网格，采用有限元方法对剖分面内部区域进行共轭输运计算，得到源偏倚和权窗参数；
步骤6：利用步骤5的得到的源偏倚和权窗参数，采用蒙特卡罗方法对剖分面内部区域进行前向输运计算，得到剖分面的中子面源和光子面源；
步骤7：将步骤6算出的剖分面的中子面源和光子面源作为源项，采用点核积分方法对剖分面外的区域进行计算，得到γ剂量率分布。
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