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MCNP程序研究进展


第 25 卷 第 1 期 2008 年 3 月

原子核物理评论
Nuc lea r Phy sics R ev ie w

Vol 1 25, N o . 1 M ar . , 2008

文章编号 : 1007- 4627( 2008) 01- 0048- 04

M CNP 程序研究进


张建生 , 蔡
1

*

勇 , 陈念年

1

2

( 1 西南科技大学制造科学与工程学院 , 四川 绵阳 2 西南科技大学计算机科 学与工程学院 , 四川 绵阳

621010; 621010)



要 : MCNP 是用来计算中子、光子、电子或者中子 /光 子 /电 子耦合问题的通用蒙特卡罗粒子

输运计算程序, 它以其灵活、通用的特点以及强大的功能 , 在诸多领域得到广泛认可和应用。 但 是由于其使用需要较强的专业水平, 因而使得其在某些方面又显出一些弱点。 对 M CNP 程序的发 展过程以及今后的发展趋势进行了讨论, 同时提出了作者的观点 。 关 键 词 : MCNP; 蒙特卡罗方法; 输入文件 ; 计算可视化 中图法分类号: TP302
[1 , 2]

文献标识码 : A (A , B )模型处理。对光子考虑了 相干和非相干散 射, 并处理了光电吸收后可能的荧光发射或电子对 产生。 M CNP 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 I N P 的输入文件来 进行计 算。该文件必须遵循按照栅元卡 ( card) 的格式进行 组织 , 指 定 描述 空 间 问题 的 信 息, 具 体 地有
[ 2]

1

M CNP 介绍

MCNP ( M onte Carlo N-Particle T ransport Code) 是基于蒙特卡罗 ( M C ) 方法的用于计算三维复杂几 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。其中 , M C 方法又称随机抽样或统计实验方法, 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 MC 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。 MCNP 程序具有超强的几何处理能力 , 几何系 统由几何空间单元 ( cell) 组成, 而几何空间单元的 界面 ( surface) 由平面、二次曲面及特殊的四次椭圆 环曲面组成。 几何空间单元中的材料由包括同位素 在内的多种核素组成 , 使用精确的点截面参数, 对 特定的评价库 ( ENDF /B- I V, V, V I库 或 ENDL851 库 ) , 考虑了该库给出的所有中子反应类型。在截 面数据文件中收集了多种评价库的数据。对热中子 还配备了相应的截面数据 , 可按自由气体模型或 S
* * 收稿日期 : 2007 - 05 - 08 ; 修改日期 : 2007 - 11 - 23

:

( 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。但是, M CNP 的应用并不只限于这些领域。
[ 3) 5]

2

M CNP 的发展历程

MCNP程序是由美国 L os A lam os国家实验室研 制开发的, 为其所投入的研究、发展、程序编写及 参数 制作超过了 500 人年。程序诞生于 1963 年, 20 世纪 70 年代中期由中子程序和光子程 序合并, 形成了最初的 MCNP 程序。自那时起 , 每 2) 3 年

基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 10576027) 作者简介 : 张建生 ( 1980) ) , 男 (汉族 ) , 硕士 , 从事逆向工程、 虚拟现实和计算可视化研究 ; E-m ai: l zhangjiansheng@ s w us t . edu. cn

第 1期

张建生等 : M CNP 程序研究进展

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更新一次 , 版本不断发展, 功能不断增加 , 适应面 也越来越广。已 知的 MCNP 程序研 制版本的更新 时间表如下 : M CNP-3 : 1983 年写成, 为标准的 FORTRAN 77 版本, 截面采用 ENDF /B- III 。 MCNP-3A: 1986 年写成 , 加进了多种标准源 , 截面采用 ENDF /B -I V。 M CNP-3B : 1988年写成 , 具有阵列几何处理能 力 ( 即重复结构描述 ) , 多群截面和计数输出的图形 化功能 , 截面采用 ENDF /B-IV 和 ENDL-851 。 M CNP- 4 : 1990 年 7 月由 LANL 写成, 截面采 用 ENDF /B-V。 M CNP- 4 . 2 : 1991 年 3 月由 ORNL 的 RSIC 写 成 , 程序有较大改进 , 增加了基于 Sandia 国家实验 室的 I T S( Integ rated T ig er Series) 连续能量电子输运 包 , 将其编入 M CNP 程序 , 专用于 UN I X 系统 , 从 此 MCNP 程序成为中子 /光 子 /电 子耦合输运程序。 M CNP- 4A: 1993年诞生 , 仍为 UN IX 系统, 开 始引入 PVM 并行, 适合共享存储并行计算机 , 截面 为 ENDF /B-V。 MCNP- 4B: 1997 年 3 月正 式推出, 有 PC 版 ( 需要 LAH EY 编 译 系 统 支 持 ) , UN IX 版 , 采 用 ENDF /B-V I 截面库和彩色图形 系统, 仍采用 PVM 并行编程。 MCNP- 4B2 : 为 M CNP- 4B 的升级版 , 其支持 FORTRAN 90 系统。 M CNP- 4C: 2000 正式推出, 在 MCNP-4B 基础 上增加共振自屏、 瞬发 A本征值、微扰和多群伴随 中子输运计算等处理 , 采用 F 90 编译器 , 工作站版 本支持 PVM 和 S M PP 并行。 M CNP-5 : 2003 年推出。在 这个版本中 , 完成 了从 FORTRAN-77到 FORTRAN-90 的重新组织, 支 持以前的 M CNP- 4C2 /4C3 全部功能 , 同时在提高 图形显示, 易安装性以及更好的在线文档方面有较 大改善。 另外, 在 MCNP 系列版本中 , 出现了 M CNPX 版本, 该版本程序仍为该实验室研制, 并由其负责 维护和更新。M CNPX 开始于 1994 年, 作为 MCNP4B 和 LAHET-2 . 8 的代 码整 合项目 , 并第 1 次在 1999年对外发布 , 版本为 2 . 1 . 5 。 2002 年 , M CNPX 升级为 M CNP- 4C, 其变化包括支持 FORTRAN 90 系统 , 加强了 12种新特性, 并作为 2. 4 . 0 版本对外

发布。自从 2002 年开 始, M CNPX 测试 组向全 球 300 个机构中的 1 400 多名用户进行公开测试 , 在 加入了数 10 个新特性 后作为 2 . 5 . 0 版对外发 布。 MCNPX 现在已经成为世界上使用最为广泛的粒子 输运程序之一。 早期的 MCNP程序基于节约内存的目的, 使用 磁盘文件较多 , 读取文件效率极低。目前 M CNP 程 序中的多数文件交换已改为内存数组, 它比磁盘文 件读取速度提高了 10 000 倍 , 加之高速缓存 Cache 的使用, 并行效率显著提高。

3

M CNP 的应用状况及发展
由于 MCNP 的通用 性、灵活性 以及强大 的功

能, 使得其在世界上有广泛应用, 仅国内的用户就 在百家之上, 应用领域也从过去主要的核领域 , 逐 渐推广到石油、 医学在内的许多领域。 从 20 世纪 90年代开始, 国外已经有研究人员 开始研究 MCNP 输入文件制 作的简化和计 算结果 的图形化显示。特别是随着计算机软硬件技术的发 展, 在近几年取得了一些有价值的研究成果。所开 发的 M CNP 可视化软件能够应用场景的二维 DXF 格式文件和三维 SAT 格式的图形文件转换成 MCNP 的输入文件, 即将在目前商用 CAD 软件中绘制的 计算场景 的几何 模型转 换为 MCNP 的仿 真模 型。 同时在场景的某些界 面将 MCNP 的计算结 果绘制 成二维图形, 实现了计算结果的可视化
[ 6, 7]

。为便

于计算结果的分析、存储和共享, 有的后处理软件 能够将 MCNP 计算结果输出 到电子表格等 数据库 中。 近几年, 国内在 M CNP 前处理与后处理技术领 域的研究也取得了长足的进步。主要表现在以下几 个方面: ( 1)在 MCNP 的计算效率、几何局限性以及二 维交互绘图等方面进行了有益的探索
[ 8]



( 2) 为 了简化 MCNP 输 入文 件的 制作、显 示 MCNP 的计算进程和计算数据的抽取与显示, 研究 开发了专用的 M CNP 程序可视化运行平台 间的相关信息。 ( 3)为了简化 M CNP 的几何建模, 提高 MCNP 计算输入文件的编写效率 , 研究将 有关 CAD 文件 中的几何模型转换为 MCNP 仿真模型的算法问题,
[ 9]

, 并能

以图形化的方式显示 M CNP 的计算进程和 运行时

# 50#

原子核物理评论

第 25 卷

通过对目前商用图形软件包进行二次开发, 开发出 专用的 MCNP 辅助建模工具
[ 10]

今后在 MCNP输入文件辅助制作工具、几何模型可 视化等方面都很具有发展潜力, 同时在某些特殊领 域, 可以对 M CNP 进行二次开发, 对其做源代码级 的修改, 以适用于具体的问题。 20 世纪 80 年代后期提出了科学计算可视化这 个新的研究领域。经过数 10 年的研究 , 科学计算 可视化已经从研究阶段转入到应用阶段。目前应用 在 M CNP 的可视化研 究主要体现在 M CNP 模型的 可视化辅助自动建模工具。MCNP 模型相关的可视 化工具主要包括 V isua l Editor , Sabrina , M oritz以及 中国科学院等离子体研 究所 FDS 团队开发的具有 自主 知 识 产 权 的 自 动 建 模 可 视 化 软 件 系 统 MCAM
[ 11]



另外, 可视化技术已经在自然科学领域得到了 广泛的应用。目前在规则数据场的体绘制和面绘制 算法等方面的技术已经趋于成熟。国内外的一些研 究机构相继推出了一系列可视化软件工具及专用可 视化软件
[ 6, 7, 11]

。但在三维数据场实时动态显示、

非规则数据场合矢量场的可视化计算以及基于网络 的科学计算可视化理论等方面有待进一步的研究和 完善。 综上所述 , 近几年来国内外研究人员在 MCNP 仿真模型的建立、 计算结果的可视化研究方面取得 了一些重要的研究成果。

。 MCNP可视化自动建模工具的开发 , 可

4

M CNP 程序的不足
M CNP 程序采用了 M C 方法 , 由于能够准确地

以很好地解决以手工 的方式来建立 M CNP 输入文 件所带来的一系列相关问题, 因而具有很广阔的发 展前景。 另一方面 , 随着科学计算可视化理论以及虚拟 现实技术的发展, 开发具有复杂几何体的建模和虚 拟组装、三维空间不规则数据场的可视化以及 M C NP 计算结果可视化处理功能的高度集成可视化平 台, 也可以更好地促进 MCNP 的应用 , 并在一定程 度上促进科学计算可视化理论以及虚拟现实技术的 进一步发展。

描述复杂几何, 并真实地考虑了粒子事件的全部物 理过程 , 特别是连续能量点截面和精确角分布的使 用 , 使 MC 方法具有很强的竞争性。然而这种方法 的最大不足是误差的概率性和收敛方面, 计算耗时 多 , 过去受计算机条件限制 , 这种方法在 20 世纪 90 年代前还受到限制, 但随着计算机的高速发展 , 近 10年 MC 方法的应用也越来越广。 同时, 由于 MCNP 是一个通用软件, 往往不能 直接用来解决具体问题。在具体应用中, 必须针对 具体问题作适当改进和进一步开发。 另外, 虽然 MCNP 在世界范围内得到了广泛应 用 , 但是存在输入接口复杂和繁琐, 对空间中几何 对象描述非常困难的问题。 MCNP 输入文件结构复 杂 , 几何模型的描述工作又极为抽象、不直观和容 易出错, 这样使得描述工作费时、复杂和效率低。 如果采用人工方式制作, 需要建模人员具有较强的 专业水平。对于一个中等复杂度的图像对象 ( 实体 图元在 50 左右 ) , 手工制作时间为 1- 2 个人月, 而 且出错的可能性极大 , 有时不得不重新制作或简化 模型。而且 M CNP 的 绘图功能仅仅 局限在二维剖 面图, 常会遇到不适应的情况 , 特别是复杂几何的 描述极易出错, 这给用户在调试几何模型输入文件 时带来不便。
[ 2] [ 1]

6

结论
MCNP是目前世界上比较成熟的 M C 软件包之

一, 在多个领域获得了广泛的应用。本文比较系统 地介绍了 MCNP 的程序 功能以及 发展历史 , 并对 MCNP 在实际应用中表现出来的问题作了阐述 , 提 出了 MCNP 的 发展趋势以及前 景。随着核 科学理 论与技术的发展, 以及其它相应技术如计算可视化 等的发展 , MCNP 将会越来越受到重视 , 其应用领 域也必将在目前基础上向其它相关领域扩展。

参考文献 ( R eferences):
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5

M CNP 的发展趋势及前景
针对 MCNP程序本身以及其应用领域的特点 ,
[ 3]

M cK inn ey G W, Du rkee J W, H endrick s J S ,

et a l . M CN PX

第 1期

张建生等 : M CNP 程序研究进展 m oritz . htm . l [ 8]

# 51#

2. 5 . 0 -N ew Features D em on strated , theM on teC arloM ethod: V er sat ility U nbounded In A D ynam ic Compu tingW orld . Chattanooga, Tennessee , A p ril 17) 21 , 2005 , on CD-ROM , Am erican N uclear Society, LaG range Park, I L( 2005) . [ 4] Pelow itz D B. M CN PX U ser . s M anu al V ersion 2. 5 . 0 . Los A lam os N at ional Laboratory R eport , LA-CP-05-0369 , 2005 . [ 5] D eng L , i Liu J ie, ZhangW enyong. Journal on N um ericalM ethods and Com puter A ppl icat ion s , 2003, 9 : 161( In Ch inese) . (邓 力, 刘 杰 , 张文勇 . 数值计算与 计算机应用 , 2003, [ 10] [ 9]

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D evelopm ents of R esearch on CodeMCNP
ZHANG Jian-sheng1, 1) , CA I Y ong1, CHEN N ian-n ian2

*

( 1 S chool of M anufactur ing Science and Engineer ing, Southw est Univers ity of Science and T echnology, M ianyang 621010 , Sichuan, China; 2 School of Computer Science and Engineer ing, Southw est Un ivers ity of Science and T echnology, M iany ang 621010, S ichuan, China )

A bstract : M CNP is a general purposeM onte Carlo N-P art icle code that can be used for neutron , photon, e lectron
or coupled neutron /photon / electron transpo r, t and it isw ide ly accepted and used in m any fie ld s for its features o f flex ib ility , generality and pow erful functionality. H ow ever , MCNP show s som e w eakness in som e aspects due to its pro fession -using. In this paper , both th e procedure o f MCNP deve lo p m ent and its tendency are expounded , wh ile th e au th or. s po in t o f v iew on MCNP code is put forw ard .

K ey word s : MCNP; M onte Carlo m ethod ; input f ile ; com puting v isua lizat ion

* * 1)

Received da te : 8 M ay 2007 ; R evised date: 23 N ov. 2007 Foundation item: N at ional N atu re Science Foundat ion of Ch ina( 10576027 ) E-m ai: l zh angjiansh eng @ s w ust . edu. cn


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