راکتور هسته ای
تیم ترویج علم ساروس
می 13, 2018
راکتور هسته ای
Reactors
می 13, 2018
راکتور هسته ای

معرفی روش مونت کارلو و کد MCNP به همراه فایل‌های مورد نیاز برای راه‌اندازی

 

روش مونت‌کارلو یک راه حل عددی برای یک مسئله است که اندرکنش اشیاء با اشیای دیگر یا محیط آن‌ها را بر اساس روابط ساده یک شیء با شیء دیگر و یا یک شیء با محیط آن، مدل‌سازی می‌کند. این روش نشان دهنده تلاش برای مدل‌سازی طبیعت از طریق شبیه‌سازی مستقیم دینامیک‌های ضروری سیستم موردنظر است. در این رابطه، روش مونت‌کارلو در رویکرد آن -راه حل برای یک سیستم ماکروسکوپی از طریق شبیه‌سازی اندرکنش‌های میکروسکوپی آن- اساساً ساده است؛ یک راه حل که به وسیله نمونه‌گیری تصادفی از روابط یا اندرکنش‌های میکروسکوپی تا زمانی که منجر به همگرایی نتیجه شود، تعیین می‌شود. بنابراین، ساز و کار اجرای راه حل شامل عمل یا محاسبه مکرر است. به منظور اینکه آن تعداد اندرکنش‌های میکروسکوپی قابلیت مدل‌سازی بصورت ریاضی را داشته باشند، راه حل متعدد یا مکرر می‌تواند بر روی یک کامپیوتر اجرا شود. هر چند در محاسبات مونت‌کارلو نیاز به استفاده از رایانه نیست، اما به کمک این ابزار سرعت محاسبات بسیار بیشتر خواهد شد.

نمونه‌های بسیاری از استفاده از روش مونت‌کارلو وجود دارد از جمله در علوم اجتماعی، فاکتورهای رشد، رشد جمعیت، سرمایه گذاری، ژنتیك، شیمی كوانتومی، علوم پرتو، پرتو درماني و دزیمتری تابش، به عنوان مثال به کمک این روش می‌توان مقدار عدد π را با تولید رشته‌ای از اعداد تصادفی محاسبه کرد. اما بحث ما حول شبیه‌سازی ترانسپورت نوترون‌ها، فوتون‌ها و الکترون‌ها در مواد فشرده، گازها و خلاء است.

به کمک روش آماری می‌توان فرآیندهای تصادفی، مانند برهم‌کنش پرتو با ماده در مسائل پیچیده را که به وسیله روش‌های دیگر قابل حل نیستند شبیه‌سازی کرد. همانطور که گفته شد روش مونت‌کارلو یکی از روش‌های آنالیز آماری است که در آن با استفاده از نمونه‌گیری تصادفی پاسخ یک مسئله شبیه‌سازی می‌شود. فرآیند آماری توصیف شده، بر مبنای انتخاب اعداد تصادفی و دنبال کردن رفتار یک ذره از لحظه تولید در چشمه تا لحظه نابودی در اثر جذب، فرار و ... بررسی شده و در نهایت به کمک توزیع آماری بدست آمده، جواب نهایی محاسبه می‌گردد.

روش مونت‌کارلو به طور کلی به کار دانشمندان در توسعه سلاح‌های هسته‌ای در لوس آلاموس در دهه ۱۹۴۰ مربوط می‌شود. با این حال، ریشه‌های آن به سال‌ها قبل‌تر برمی‌گردد.

در طول جنگ جهانی دوم، در لوس آلاموس، فرمی به دانشمندان بزرگ دیگر از جمله اولام برای ساخت اولین بمب اتمی پیوست. اولام متوجه شد که برای رسیدن به نتایج دقیق‌تری از تکنیک‌های نمونه‌گیری آماری که به علت طولانی بودن محاسبات به نظر غیر عملی می‌آمدند، با توسعه کامپیوترها می‌توانند عملی شوند. پس از ساخت کامپیوتر الکترونیکی نوع ENIAC در دانشگاه پنسیلوانیا و تطابق میزان شمارش بدست آمده از یک دستگاه شمارشگر گایگر با شمارش بدست آمده از شبیه‌سازی کامپیوتری، اولین محاسبات مربوط به سلاح‌های هسته‌ای انجام شد. پس از آن در سال ۱۹۴۷ فرمی موفق شد دستگاه مکانیکی FERMIAC را ساخته و محاسبات حرکت نوترون از میان مواد شکافت پذیر را به کمک روش مونت‌کارلو انجام دهد.

همزمان با پیشرفت کامپیوترها، کدهای محاسباتی که از روش مونت‌کارلو برای شبیه‌سازی رفتار ذرات استفاده می‌کردند، توسعه یافتند. هر کد با یک زبان برنامه‌نویسی و فقط برای حل یک معادله خاص نوشته می‌شد، تا اینکه در سال ۱۹۶۰ با توسعه زبان‌های برنامه‌نویسی مانند فورترن، زمینه برای توسعه کدهای عمومی‌تر ایجاد شد. اولین کد عمومی مونت‌کارلو، MCS، در سال ۱۹۶۳ آماده شد. این کد که برای شبیه‌سازی مسائل انتقال طراحی شده بود، توسط دانشمندانی که با کامپیوتر آشنایی کافی نداشتند نیز قابل استفاده بود. پس از آن کد MCN که یک کد عمومی برای شبیه‌سازی برهم‌کنش نوترون با ماده در هندسه سه بعدی بود، توسعه یافت. در سال ۱۹۷۳ این کد با کد MCG که برای بررسی انتقال گاما نوشته شده بود، ترکیب گشته و کد MCNG طراحی شد. سرانجام در سال ۱۹۷۷ ترکیب این کد با کد MCP که از روش مونت‌کارلو برای محاسبات فوتون تا انرژی‌های کمتر از ۱ الکترون-ولت استفاده می‌کرد منجر به توسعه MCNP گشت.

 

 

برای بیان و توضیح کامل از توسعه‌ها و پیشرفت‌های بدست آمده برای این کد همین جمله کفایت می‌کند که اگرچه در سال ۱۹۷۷ MCNP بر اساس Monte Carlo Neutron Photon، روش مونت‌کارلو برای محاسبات مربوط به نوترون و فوتون اختصار پیدا کرده بود، اما در حال حاضر برای روش مونت‌کارلو برای محاسبات چند ذره‌ای کارایی داشته و از روی Monte Carlo N-Particle، اختصار پیدا کرده است. که در ادامه به شرح مختصری از جزئیات این کد پرداخته می‌شود.

 

 

کد مونت کارلوی MCNP

(Monte Carlo N-Particle)


کد کامپیوتری MCNP یکی از کدهایی است که با استفاده از روش مونت‌کارلو به منظور حل مسئله ترانسپورت برای چند ذره متفاوت طراحی و تهیه شده است و شامل حدود چهل هزار خط برنامه فورترن و هزار خط برنامه C است. این کد کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد که بطور مختصر بصورت زیر است:

محاسبات بحرانی رآکتور و ایمنی رآکتورها

محاسبات حفاظ‌سازی و دز سنجی

طراحی هدف در شتاب‌دهنده‌ها و محاسبات پرتودرمانی در پزشکی

شبیه‌سازی سیستم‌های آشکارساز

محاسبات آسیب‌های بوجود آمده در اثر پرتودرمانی

محاسبات مصرف سوخت

محاسبات نوترونی

و ...

یک ذره در هنگام عبور از یک ماده ممکن است پیش از جذب یا فرار از آن محیط، متحمل برهم‌کنش‌های پراکندگی متفاوتی شود. کد MCNP به منظور تعیین نوع برهم‌کنش ذره با ماده، میزان انرژی از دست رفته در هر واکنش، جهت پراکندگی ذره و یا تعداد نوترون‌های حاصل از پدیده شکافت، از اعداد تصادفی بین صفر و یک استفاده می‌کند و مانند شکل زیر تمام رویدادهای احتمالی را مورد بررسی قرار می‌دهد.

 
 
راکتور هسته ای
 

 

برای اجرای کد کامپیوتری MCNP باید فایل ورودی متنی که شامل اطلاعات مساله می‌باشد با ساختار مشخص ساخته شود. هر فایل ورودی شامل سه بخش اصلی می‌باشد که در صورت نبود هرکدام از بخش‌ها و یا عدم رعایت ترتیب و فاصله معین بین بخش‌ها، مطابق شکل زیر، کد ناقص بوده و قابل استفاده نخواهد بود. بخش اول شامل تعریف سلول‌ها، بخش دوم شامل تعریف سطوح و بخش سوم شامل داده‌های مساله مانند چشمه، مواد، تالی‌ها، اهمیت سلول‌ها و ... است که این بخش‌ها در قالب کارت‌های مشخصی در فایل ورودی تعریف می‌شوند.

راکتور هسته ای

با استفاده از کارت‌های Cell و Surface هندسه مسئله در کد تعریف می‌شود و به وسیله Data Cards، با تعریف نوع مسئله و پرتو برهم‌کنش کننده، تعريف چشمه، مواد بکار رفته در هندسه مسئله و مشخصات موارد درخواستی، دستورات کاربر انجام می‌شود که از آن‌ها با عنوان تالی (TALLY) نام برده می‌شود.

 

بخش دانلودها


 

در صورت بروز مشکل آن را از طریق «تماس با من» مطرح کنید.