核安全是核能发展的生命线，核设计是核安全保障的源头。蒙特卡罗（简称蒙卡）方法因具有计算精度高、几何适应性强等优势，是先进核能系统主要的核设计分析与辐射安全评价方法。

然而，蒙卡方法面临复杂几何计算建模难度大、屏蔽深穿透问题难以有效模拟、复杂计算问题收敛速度慢等挑战，在实际工程中难以广泛应用。另一方面，核电自主化必须包含对设计工具的自主化，然而美国洛斯阿拉莫斯国家实验室持续五十余年开发的国际权威蒙卡计算软件MCNP对中国实行“出口封锁”，我国缺乏类似成熟自主化的设计工具，制约了我国核电自主化进程与“走出去”国家战略的实施。为此，中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队研发了具有完全自主知识产权的基于蒙卡的核系统设计分析与安全评价软件系统SuperMC，创新发展了系列精准自动建模与高效蒙卡计算等理论与方法，在核能系统辐射安全评价方面全面超越MCNP，已在国际先进核能系统实际工程应用中产生重要影响。

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC是一套通用、智能、多功能的核系统设计分析与安全评价软件。它支持以辐射输运为核心，包含燃耗、辐射源项/剂量/生物危害、材料活化与嬗变等的综合中子学计算，支持热工水力学、结构力学、生物学、化学等多物理耦合模拟。它以蒙特卡罗与确定论方法耦合及先进信息技术应用为技术特色，以集成几何与物理自动建模、可视分析与虚拟仿真、云计算服务为易用性特色。目前新发布版本支持中子、光子、电子及其耦合的输运模拟。

图1　SuperMC系统架构

SuperMC重要进展之一：解决了工程应用中核反应堆蒙卡计算难以自动精准建模的难题。

核反应堆部件几何形状与拓扑关系复杂、实体密集且边界复杂，蒙卡计算模型的自动精准建立成为领域内难题。SuperMC项目组发展了复杂CAD模型错误自动修复的智能重整与分解、基于特征的复杂结构智能切割、空腔填充等算法，实现了从实际工程CAD模型到蒙卡计算模型的自动精准转换，解决了人工建模出错率高且难以发现及修正、难以精确建模等关键问题，将原本建模需要的数人年时间减少为仅数小时，效率提高了1000倍以上。

图2　自动精准建模示意图

SuperMC重要进展之二：计算精度与国际权威蒙卡软件MCNP整体相当，动态参数计算更贴近实验值。

为了实现精准的蒙卡计算，在SuperMC中充分考虑了中子、光子、电子与物质作用的基本物理过程处理以及物理过程修正处理，并发展了多种精确辐射输运模拟算法。发展了基于权重修正的多普勒展宽拒绝修正方法，对超热中子共振散射问题进行精确模拟。针对传统核模拟方法中难以进行真实温度工况精确模拟的问题，发展了基于麦克斯韦–波尔兹曼分布与统一能量网格的多温度截面修正方法。

经过2000余道国际基准实验例题的对比验证，SuperMC计算精度与国际权威蒙卡软件MCNP总体相当。在反应堆安全性能的重要参数——动态参数方面，SuperMC计算结果比MCNP更贴近于实验值。

图3　部分国际基准实验例题的比对结果

SuperMC重要进展之三：发展了新型辐射输运计算加速算法，速度超越国际权威蒙卡软件MCNP。

核设计及评价需要反复迭代计算，对计算速度要求高，即使是国际权威的蒙卡软件MCNP，其计算速度也难以满足设计优化的要求。

几何处理一般占整个输运计算时间的30%～80%，SuperMC项目组发展了系列几何处理加速方法，包括基于CAD的包围盒方法和邻居列表方法、优化空间网格方法和基于自适应截断因子的耦合辐射输运跟踪方法。发展了基于材料特性进行预抽样的源收敛加速算法，缩短不必要的迭代过程，加速了临界计算。发展了自适应权窗平滑的减方差加速算法，通过确定论方法伴随计算对模型进行预计算，自动对每个区域的重要性和权窗上下限等减方差参数进行合理设置，使计算效率提升数十倍。

SuperMC重要进展之四：提出了基于过渡区域的蒙卡与确定论无缝耦合等算法，拓宽了蒙卡软件的适用性。

蒙卡方法因其理论固有缺陷，难以进行超厚屏蔽与管道狭缝等辐射屏蔽深穿透问题的计算。

SuperMC项目组发展了基于过渡区域的蒙卡与确定论无缝耦合算法，使得复杂辐射屏蔽深穿透情况能够高效解耦求解。根据计算模型的区域特性将CAD模型划分为蒙卡区域、确定论区域与过渡区域，进行蒙卡与确定论耦合自动建模。通过过渡区域的多次迭代计算，达到不同计算区域数据场连续平滑，实现无缝耦合计算。

图4　基于过渡区域的蒙卡与确定论无缝耦合算法

SuperMC重要进展之五：创新发展了基于云的四维可视蒙卡计算模式，将核模拟与分析推进到智能可视化阶段。

复杂核系统的蒙卡计算与四维大规模模拟数据的快速有效分析依赖于高成本的高性能计算集群，同时需要根据问题的温度、能群结构、核素等关联特性配备相应的模拟环境。

在SuperMC中创新性地将云计算技术应用于核能系统的蒙卡辐射输运计算分析中，解决了复杂核计算分析环境难以建立的问题，用户可通过多种终端设备提交分析任务及获取分析结果，随时随地开展便捷可靠的核计算分析。同时，SuperMC中发展了基于数字人的耦合辐射剂量场与计算几何的可视分析技术，解决了四维动态辐射场难以直观高效分析的问题。

SuperMC重要进展之六：在国际热核聚变实验堆ITER等核能的实际工程应用中产生重要影响。

SuperMC是我国首款获得国际规模化应用的核能软件，已通过国际组织QA认证，在44个国家的核设计与研究单位（包括美国四大国家实验室）获得应用。SuperMC作为ITER核设计标准参考软件被各参与国使用，基于SuperMC发现了ITER屏蔽结构的严重错误，修正了原核设计方案，避免核辐射导致严重事故。SuperMC作为中国自主化核设计分析软件，可为解决中国自主化三代商用核电站核设计分析所面临的软件产权瓶颈问题作出重要贡献，也可为保障“核电走出去”国家战略顺利实施作出贡献。同时，SuperMC被选为正在建设的世界首个嬗变核废料加速器驱动次临界系统（ADS）铅铋冷却反应堆的核设计软件，可解决该新型反应堆核设计分析的难题。

5　基于SuperMC建立的ITER装置三维基准模型

机构简介

中国科学院核能安全技术研究所是中国科学院合肥物质科学研究院和中国科学技术大学联合支持建设的创新型研究所，目标是建成具有国际先进水平的核能安全技术研究基地、核能安全专业高端人才培养中心、核电站及其它核设施安全技术综合支持平台及第三方评价机构。研究所整合中国科学院合肥物质科学研究院和中国科学技术大学相关专业优势力量，在中国科学院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能–ADS嬗变系统”、国际科技合作计划“国际热核聚变实验堆（ITER）”和国家核安全科技创新计划等重大项目的牵引支持下，重点针对中子物理与临界安全、核材料与设备安全、核热工与事故、核能软件与仿真、核能化学与安全、核应急与核文化等领域的关键科学技术问题开展多学科交叉的基础性、前瞻性、战略性研究，以期推动核能事业的可持续发展。

研究所成立了“核能软件研究中心”，由150余人组成，包含六名“千人计划”专家。重点开展核能软件研发标准体系、中子输运理论、计算机自动建模、科学可视化与虚拟仿真、云计算与科研协同、核能大数据、多物理耦合与集成仿真、数字反应堆与虚拟核电站、核信息学相关学科的研究工作，开发了自主知识产权核能软件20余套。截至2014年底，开发的软件已在80多个国家的600多家国际科研与设计单位获得应用。