一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统技术方案

本发明专利技术是一种用在反应堆设计中，用以进行堆芯部件设计的建模系统，本系统通过分析裂变堆芯几何特殊性，包含大量重复构造的几何，通过构建参数自动创建裂变堆堆芯的CAD工程模型和蒙特卡罗计算模型，而蒙特卡罗计算模型是辐射输运蒙特卡罗计算程序的输入，得到此模型后就能计算出反应堆堆芯的关键物理量。通过不断对计算结果中物理参数的评价，此发明专利技术可以用来对裂变堆芯模型的设计方案进行反复迭代修改，直至形成用户满意堆芯方案。此发明专利技术意义在于避免人手工编写蒙特卡罗计算程序输入文件的繁琐性，使整个建模过程变得极其直观，极大降低出错的概率，加快堆芯的设计时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，应用在基于蒙特卡罗计算的裂变堆堆芯设计中，目标是快速自动化构建裂变堆堆芯CAD工程模型和蒙特卡罗计算模型。
技术介绍
随着反应堆设计和建造技术的进步，各种新型反应堆的设计频繁面世，蒙特卡罗计算程序由于能适应任意复杂几何和计算结果精确等特点，开始在堆芯概念设计和工程设计上得到广泛应用，而完成复杂几何的建模是编写计算程序输入文件中的最核心部分。目前主要采用以下几种方法：第一，手工建模，耗时耗力，容易出错；第二，脚本程序自动建模，无法生成工程CAD模型，不能进行迭代设计操作，脚本程序需要经常修改；第三，专业的建模软件，例如中国科学院核能安全技术研究所开发的多物理耦合建模分析自动建模软件MCAM。目前大多数专业建模软件中处理复杂模型的方法是对每个栅元进行拆分解析，如果直接将此种方法应用在裂变堆芯模型上，在时间性能和计算机资源消耗上根本无法接受，而且转换得到的模型也丢失了原有层级信息，在处理大规模裂变堆芯模型时显得力不从心。由于裂变堆芯存在大量简单几何重复并互相填充的特点，蒙特卡罗计算程序一般都会提供一种层级几何的描述方式来构建堆芯的几何，这种几何描述方式结构十分清晰，可以描述几何之间互相嵌套填充的关系，大大缩减几何文件长度，加快几何导入速度，提高计算效率。于是，人们开始针对裂变堆芯这种特点，针对性的开发新的建模软件。早先MCAM中开发的裂变堆芯快速建模模块，无法解析蒙特卡罗计算模型中的层级结构，也无法完成堆芯几何迭代修改，无法应用在实际堆芯的设计中。随后北京应用物理与计算数学研究所，美国阿贡国家实验室都开发了类似的专业建模系统，不过均没有证明这些系统能够支持堆芯的反复迭代设计，也无法解析现有蒙特卡罗计算模型，并且由于堆芯中对模型可视化和计算的精度是灵活要求的，现有的技术也无法提供可供用户选择的功能。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，自动快速构建裂变反应堆堆芯CAD工程模型和蒙特卡罗计算模型，并支持在整个设计过程中迭代设计，其中反应堆CAD工程模型可以用来满足后续工程设计样本参照，而蒙特卡罗计算模型则可以输入辐射输运蒙特卡罗计算程序中进行计算，得到反应堆堆芯功率、K有效，燃耗等十分重要物理量，这些物理量也是评价一个堆芯是否满足设计要求和安全性的必要物理量。本专利技术避免人手工编写蒙特卡罗计算程序输入文件的繁琐性，使整个建模过程变得极其直观，极大降低出错的概率，加快堆芯的设计时间。本专利技术技术解决方案：一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，此系统实现了基于反应堆堆芯迭代设计的建模过程，其能够生成堆芯的CAD工程设计模型和堆芯的蒙特卡罗计算模型，其中CAD工程设计模型可以用于肉眼观察堆芯结构和工程设计，蒙特卡罗计算模型能够导入蒙特卡罗计算程序，计算出反应堆堆芯关键物理参数，达到堆芯的设计检验作用；本专利技术包括核心转换模块、参数控制模块、计算模型解析模块和可视化交互模块；核心转换模块，主要包含一套所有模块共用的满足反应堆堆芯设计参数体系，适用于反应堆堆芯部件存在多层几何嵌套填充的特点，逻辑上为一种树形结构，称为参数树；基于此参数树此模块主要完成三维CAD模型和蒙特卡罗计算程序输入模型的生成和相互转换；所述参数控制模块与计算模型解析模块所提供参数全部输入到核心转换模块中，由核心转换模块构建参数树，可视化交互模块从核心转换模块中提取参数树，基于参数树，可视化交互模块对模型进行三维渲染，而参数控制模块能够继续对界面中渲染出的三维模型进行修改操作，修改操作产生的新的参数会传递给核心转换模块，核心转换模块负责完成对参数树的修改，在整个过程中核心转换模块随时能够将参数树中的信息转换成蒙特卡罗计算程序输入文件，蒙特卡罗计算程序输入文件用于基于蒙特卡罗方法的输运计算，得到堆芯的关键物理量，评价设计是否满足各方面要求。参数控制模块，实现通过系统界面提供修改操作和通过系统界面提供对话框输入新的参数来构建、修改和控制堆芯的模型，并将所有参数输入到核心转换模块；计算模型解析模块，自动识别、检测和拆分用户已有的反应堆堆芯蒙特卡罗计算模型，最终得到堆芯各部件具体参数，将参数输入到核心转换模块之中；可视化交互模块，渲染出通过核心转换模块构建好的计算机三维CAD模型，让用户实时对模型的设计状态可见；所述核心转换模块具体实现过程为：(1)获取参数控制模块和计算模型解析模块参数，如果获取参数来源于参数控制模块判定参数树是否为空，如果非空，说明已经存在上一代参数树，则通过界面上存在限定约束关系直接找到新的参数对应节点，在此节点中替换对应旧参数，完成对上一代参数树的更新；如果为空则根据界面上存在的约束关系直接到步骤(5)；如果获取参数来源于是计算模型解析模块，需经历步骤(2)，(3)，(4)；(2)构建参数子树，参数子树中包含蒙特卡罗计算模型中限定的一组栅元集合，选此集合的标号为根节点，集合内部的所有栅元为叶子节点，集合内部的单个栅元成为叶子栅元，遍历所有叶子栅元，如果解析得到叶子栅元仍然被另一个栅元集合给填充，则将填充此叶子栅元所使用的栅元集合的标号作为此叶子栅元的子节点，从而完成单棵参数子树构建；(3)合并参数子树，通过各参数子树中根节点和最下层叶子节点信息，就能讲所有子树链接起来，构建成一颗完整参数树；(4)归并参数树，由于蒙特卡罗计算模型中栅元中几何有多个半空间面组成，几何信息分散零碎，通过从底向上归并参数树节点；(5)完成最终参数树构建此参数树，根据部件之间的包含关系划分出对应的层级属性；(6)遍历参数树中的信息，通过几何信息构造三维几何实体，输入到可视化模块进行渲染；(7)遍历参数树中的信息，通过参数树中划分的层级属性，按层级的描述堆芯的每个栅元，包括几何描述和其他物理描述，最终输出保留了层级关系的蒙特卡罗计算模型，用以输入蒙特卡罗计算程序进行计算。所述参数控制模块具体实现过程为：(1)通过扑捉用户在系统界面操作，获取用户输入参数和操作信息具体包含构建堆芯各组件几何，进一步细化堆芯组件内部燃料棒阵列，改变组件和组件内部元件的阵列规则，改变控制棒位置，改变控制棒插入状态，燃料棒轴向生长，燃料棒径向膨胀和改变各部分几何对应物理属性；(2)从核心转换模块中获取已有参数树，如果参数树为空，则按照用户输入参数和操作信息自动构建参数树；(3)如果参数树不为空，则将用户新输入的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，其特征在于：包括核心转换模块、参数控制模块、计算模型解析模块和可视化交互模块；核心转换模块，构建一套满足反应堆堆芯设计参数体系，适用于反应堆堆芯部件存在多层几何嵌套填充的特点，逻辑上为一种树形结构，本专利技术中统称为参数树，基于此参数树核心转换模块完成三维CAD模型和蒙特卡罗计算程序输入模型的生成和相互转换；所述参数控制模块与计算模型解析模块所提供参数全部输入到核心转换模块中，由核心转换模块构建参数树，可视化交互模块从核心转换模块中提取参数树，基于参数树，可视化交互模块对模型进行三维渲染，而参数控制模块能够继续对界面中渲染出的三维模型进行修改操作，修改操作产生的新的参数会传递给核心转换模块，核心转换模块负责完成对参数树的修改，在整个过程中核心转换模块随时能够将参数树中的信息转换成蒙特卡罗计算程序输入文件，蒙特卡罗计算程序输入文件用于基于蒙特卡罗方法的输运计算，得到堆芯的关键物理量，评价设计是否满足要求；参数控制模块，实现通过系统提供修改操作和通过系统界面提供对话框输入新的参数来构建、修改和控制堆芯的模型，并将所有参数输入到核心转换模块；计算模型解析模块，自动识别、检测和拆分用户已有的反应堆堆芯蒙特卡罗计算模型，最终得到堆芯各部件具体参数，将参数输入到核心转换模块之中；可视化交互模块，渲染出通过核心转换模块构建好的计算机三维CAD模型，让用户实时对模型的设计状态可见，该模块从转换核心模块参数树中获取不同部件填充关系，根据此种填充关系构建可视化分段渲染树结构，实时渲染处于树结构中不同层级的分段，关闭不需要显示的分段。...

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，其特征在于：包括核心转换模
块、参数控制模块、计算模型解析模块和可视化交互模块；
核心转换模块，构建一套满足反应堆堆芯设计参数体系，适用于反应堆堆芯部件存在多
层几何嵌套填充的特点，逻辑上为一种树形结构，本发明中统称为参数树，基于此参数树核
心转换模块完成三维CAD模型和蒙特卡罗计算程序输入模型的生成和相互转换；所述参数
控制模块与计算模型解析模块所提供参数全部输入到核心转换模块中，由核心转换模块构建
参数树，可视化交互模块从核心转换模块中提取参数树，基于参数树，可视化交互模块对模
型进行三维渲染，而参数控制模块能够继续对界面中渲染出的三维模型进行修改操作，修改
操作产生的新的参数会传递给核心转换模块，核心转换模块负责完成对参数树的修改，在整
个过程中核心转换模块随时能够将参数树中的信息转换成蒙特卡罗计算程序输入文件，蒙特
卡罗计算程序输入文件用于基于蒙特卡罗方法的输运计算，得到堆芯的关键物理量，评价设
计是否满足要求；
参数控制模块，实现通过系统提供修改操作和通过系统界面提供对话框输入新的参数来
构建、修改和控制堆芯的模型，并将所有参数输入到核心转换模块；
计算模型解析模块，自动识别、检测和拆分用户已有的反应堆堆芯蒙特卡罗计算模型，
最终得到堆芯各部件具体参数，将参数输入到核心转换模块之中；
可视化交互模块，渲染出通过核心转换模块构建好的计算机三维CAD模型，让用户实
时对模型的设计状态可见，该模块从转换核心模块参数树中获取不同部件填充关系，根据此
种填充关系构建可视化分段渲染树结构，实时渲染处于树结构中不同层级的分段，关闭不需
要显示的分段。
2.根据权利要求1所述一种基于蒙特卡罗计算的反应堆堆芯迭代设计系统，其特征在
于：所述核心转换模块具体实现过程为：
(1)获取参数控制模块和计算模型解析模块参数，如果获取参数来源于参数控制模块
判定参数树是否为空，如果不为空，说明已经存在上一代参数树，则通过界面上存在限定约
束关系直接找到新的参数对应节点，在此节点中替换对应旧参数，完成对上一代参数树的更
新；如果为空，则根据界面上存在的约束关系直接到步骤(5)；如果获取参数来源于是计算
模型解析模块，转至步骤(2)，(3)，(4)；
(2)构建参数子树，参数子树中包含蒙特卡罗计算模型中限定的一组栅元集合，选此

\t集合的标号为根节点，集合内部的所有栅元为叶子节点，集合内部的单个栅元成为叶子栅元，
遍历所有叶子栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘佺，俞盛朋，程梦云，汪冬，吴宜灿，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34