国内在蒙特卡罗粒子输运计算模拟领域,由于核能、核技术应用、辐射防护、医学物理等领域的强烈需求和安全自主可控的重要性,已经发展出多款具有自主知识产权的主流软件。以下是国内主要的蒙特卡罗粒子输运计算模拟软件的推荐:
一、国产研发专用软件
1.蒙特卡罗核计算仿真软件系统 (TopMC/SuperMC)
研发单位: 中子科学研究院(FDS Team)
特点:
综合性平台: 不仅仅是一个蒙特卡罗程序,而是一个集建模、计算、可视化、多物理耦合于一体的集成化、智能化、通用化仿真平台。
通用粒子输运: 支持中子、光子、电子、质子等多种粒子的耦合输运模拟。
先进几何处理: 具有强大的复杂几何建模能力(支持CSG和CAD模型导入)。
智能减方差技术: 集成了多种先进的减方差技巧,显著提高计算效率。
多物理耦合: 支持与燃耗、热工水力、结构力学等多物理过程的耦合计算(如SuperMC/MCAM, SuperMC/SNC, SuperMC/COUPLE等)。
用户友好性: 提供图形用户界面,建模、计算设置、结果可视化相对便捷。
应用广泛: 广泛应用于核反应堆设计与安全分析、聚变装置设计、核燃料循环、辐射屏蔽与防护、核医学、核探测等。
地位: 目前国内综合实力、应用场景、国际影响力权重较高的国产蒙特卡罗软件平台之一,是国家核安全自主可控的重要支撑。
2.蒙特卡罗粒子输运程序 (JMCT / J Monte Carlo Transport Code)
研发单位: 中国工程物理研究院 (CAEP) / 北京应用物理与计算数学研究所 (IAPCM)
特点:
高性能: 专为大规模并行计算设计,在超级计算机上表现出色,具有极高的并行效率(万核级以上)。
先进物理模型: 包含丰富且精确的中子、光子、电子等粒子输运物理模型和数据。
复杂几何处理: 采用高效的几何处理算法,能处理极其复杂的几何结构。
强应用导向: 紧密结合核武器物理研究、惯性约束聚变、核反应堆物理等国家重大需求领域的应用。
持续发展: 得到国家重点研发计划等持续支持,功能不断扩展和优化。
地位: 国内在大规模、高性能蒙特卡罗计算领域的顶尖代表,尤其在国家战略安全相关的核心领域发挥着不可替代的作用。
3.反应堆蒙特卡罗程序 (RMC / Reactor Monte Carlo code)
研发单位: 清华大学核能与新能源技术研究院 (INET)
特点:
反应堆物理专用: 专为先进核反应堆(如高温气冷堆、熔盐堆、快堆、小型模块化反应堆等)的高保真物理计算设计。
全堆芯精细模拟: 能够进行全堆芯、全尺度的直接蒙特卡罗临界计算,避免传统确定论方法的组件均匀化近似。
在线多群截面生成: 具有在线生成多群截面的能力。
燃耗耦合: 提供强大的蒙特卡罗-燃耗耦合计算功能。
热工水力耦合: 支持与子通道分析等热工水力程序的耦合。
地位: 国内在先进核反应堆高保真物理计算领域的标杆性软件,在学术界和工业界(如高温气冷堆示范工程)有重要应用。
二、其他值得关注的软件/工具
MCMG / MCMP: 中国原子能科学研究院 (CIAE) 开发的系列蒙特卡罗程序,在核数据基准检验、反应堆屏蔽计算、核燃料循环等方面有应用。
NECP-MCX: 西安交通大学核科学与技术学院 (NECP) 开发的蒙特卡罗粒子输运程序,专注于反应堆物理计算,具有良好的并行性能。
CosRMC: 上海交通大学开发的基于云平台的蒙特卡罗计算框架,旨在提供便捷的蒙特卡罗计算服务。
三、选择建议
通用性、平台化需求: TopMC/SuperMC。它功能全面,界面相对友好,学习资源相对丰富,适合广泛的粒子输运应用场景,尤其需要多物理耦合或复杂几何建模时。
大规模并行、高性能计算需求 (特别是国家战略领域): JMCT。它在超算上的性能和并行效率是顶尖的。
先进核反应堆高保真物理设计与分析: RMC。它在反应堆物理方面的专业性和精度非常高。
特定领域或机构传统: 根据所在单位或合作单位的常用软件选择,如 CIAE 常用 MCMG/MCMP, 交大可能用 CosRMC 或 NECP-MCX。
四、重要提示
学习曲线: 这些国产专业软件的学习曲线通常比一些国际知名开源软件(如 Geant4, OpenMC)更陡峭,需要投入更多学习成本。官方文档、培训教程和用户社区支持是学习的关键。
获取渠道: 部分软件(如 TopMC/SuperMC 的基础版)有开源版本或可申请获取。JMCT、RMC 等通常需要通过研发单位申请授权或合作获取。具体获取方式需联系各研发单位。
验证与确认: 使用任何计算软件,尤其是进行关键安全分析时,必须进行严格的验证与确认,确保软件和模型对特定问题的适用性和准确性。
国际软件的使用: 在国内,MCNP (美国)、OpenMC (开源)、Geant4 (开源) 等国际软件在学术界和部分工业界也广泛使用。选择时需综合考虑项目要求、软件功能、获取许可难度、国产化要求等因素。但在强调自主可控的关键领域,国产软件是必然的选择和趋势。