Một tệp tin đầu vào của MCNP có bốn mục chính: Tiêu đề, định nghĩa ô, định nghĩa bề mặt, và mô tả dữ liệu.
Hình sau sẽ cho ta thấy cấu trúc khái quát của tệp tin MCNP đầu vào.
Tiêu đề
Các thẻ ô - Khối 1
. . . . . .
Một dòng để trống duy nhất để giới hạn (bắt buộc)
Các thẻ bề mặt - Khối 2
. . . . . .
Một dòng để trống duy nhất để giới hạn (bắt buộc)
Các thẻ dữ liệu - Khối 3
. . . . . .
Một dòng để trống duy nhất (tùy ý, không bắt buộc)
Sau dòng để trống này ta có thể viết bất cứ điều gì nhằm chú thích thêm cho bài toán mô phỏng, hay những điều ta cần ghi nhớ.
Tưởng Thị Thanh 32
3.2.1.1. Tiêu đề
Tiêu đề là thẻ đầu tiên trong một tệp tin đầu vào MCNP.
3.2.1.2. Mô hình hoá hình học
MCNP đề cập vấn đề mô hình chủ yếu dựa trên các mối quan hệ của vùng, miền hay khối được bao bởi một hay 2 mức bề mặt. Các ô được định nghĩa bởi sự giao nhau, sự kết hợp và phần bù của các vùng, miền và chứa phần bên trong của mỗi ô được điền đầy bởi 1 loại vật liệu duy nhất do người sử dụng định nghĩa.
Khi viết mã chương trình tệp tin đầu vào, trong phần mô hình hoá các thẻ ô sẽ được viết trước, sau đó đến các thẻ bề mặt. Tuy nhiên để cho dễ hiểu ta sẽ đề cấp đến phần thẻ bề mặt trước.
a. Các thẻ bề mặt
Khuôn mẫu đặc trưng cho thẻ bề mặt là:
Hình 3.3. Khuông mẫu thẻ bề mặt
Số bề mặt, j, là một số nguyên từ 1 đến 99999. Dùng để đặt tên cho bề mặt.
Định nghĩa mặt, a, là một từ khoá. Từ khoá là tập hợp của 1 hay nhiều ký tự đã được định nghĩa từ trước bởi chương tình mô phỏng, dùng để chỉ ra loại loại của bề mặt j ví dụ (a ≡ P : mặt phẳng dạng tổng quát, a ≡ PX : Mặt phẳng vuông góc với trục ox, a ≡ SO: mặt cầu có tâm là trùng với gốc toạ độ…). Ứng với mỗi từ khoá này sẽ có một phương trình trong hệ toạ độ đề các ba chiều oxyz để định nghĩa mặt đó cùng với các tham số.
Phần danh sách: Bao gồm các tham số được khai báo bằng một giá trị cụ thể nào đó khi viết tệp tin đầu vào để có thể xác định được mặt j một cách cụ thể. Số
Tưởng Thị Thanh 33
lượng các tham số phụ thuộc vào từ khoá khai báo trước đó. Các tham số này phải được khai báo theo một tuần tự nhất định.
Mọi bề mặt đều có một miền logic “dương” và một miền logic “âm”. Hai miền logic này được ngăn cách bởi chính bề mặt đó. Để xác định được đâu là miền logic “dương”, đâu là miền logic “âm” ta sử dụng phương pháp sau: mọi điểm mà
( , , ) 0
f x y z thì thuộc miền logic “dương” của bề mặt đó, và mọi điểm mà
( , , ) 0
f x y z thì thuộc miền logic “âm” của bề mặt đó. Ví dụ đối với mặt trụ ở trên
miền không gian phía bên trong mặt trụ có giá trị logic “âm” và miền không gian phía bên ngoài mặt trụ có giá trị logic “dương”.
Bảng 3.2 dưới đây được dẫn từ file hướng dẫn kèm theo phần mềm MCNP là danh sách định nghĩa các bề mặt mà MCNP sử dụng để thiết lập hình học của vấn đề mô phỏng.
Bảng 3.1. Các loại mặt trong MCNP
Ký hiệu
Từ khoá Loại mặt Mô tả tính chất Phương trình
Danh sách tham số P Mặt phẳng Tổng quát Ax+ By +Cz - D = 0 A B C D PX Mặt phẳng Ox x - D = 0 D PY Mặt phẳng Oy y - D = 0 D PZ Mặt phẳng Oz z - D = 0 D S Mặt cầu Tổng quát 2 2 2 2 (x - x) +(y - y) +(z - z) - R = 0 x y z R SX Tâm trục Ox 2 2 2 2 (x - x) + y + z - R = 0 x R SY Tâm trục Oy 2 2 2 2 x +(y - y) + z - R = 0 y R SZ Tâm trục Oz 2 2 2 2 x + y +(z - z) - R = 0 z R SO Tâm gốc toạ độ 2 2 2 2 x + y + z - R = 0 R C/X Mặt trụ Trục Ox 2 2 2 (y - y) +(z - z) - R = 0 y z R
Tưởng Thị Thanh 34 C/Y Trục Oy 2 2 2 (x - x) +(z - z) - R = 0 x z R C/Z Trục Oz 2 2 2 (x - x) +(y - y) - R = 0 x y R CX Trục Ox 2 2 2 y + z - R = 0 R CY Trục Oy 2 2 2 x + z - R = 0 R CZ Trục Oz 2 2 2 x + y - R = 0 R K/X Mặt nón Trục Ox 2 2 (y - y) +(z - z) - t(x - x)= 0 x y z t2 1 K/Y Trục Oy 2 2 (x - x) +(z - z) - t(y - y)= 0 x y z t21 K/Z Trục Oz 2 2 (x - x) +(y - y) - t(z - z)= 0 x y z t21 KX Trục Ox 2 2 y + z - t(x - x )= 0 x t2 1 KY Trục Oy 2 2 x + z - t(y - y )= 0 y t2 1 KZ Trục Oz 2 2 x + y - t(z - z )= 0 z t2 1
±1 sử dụng để xác định hướng trục của mặt nón. Ví dụ nếu trục hình trụ K/X huớng theo chiều dương của trục ox thì giá trị được khai báo sẽ là +1 và ngược lại.
SQ Elipxoit, hyperbol oit, paraboloi t Tổng quát, tuỳ khả năng suy tham số (tham số = 0). 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 0 A x x B y y C z z D x x E y y F z z G A B C D E F G x y z
Ở trên ta thấy chỉ có duy nhất một phương trình cho cả ba loại mặt hình học, tuỳ theo giá trị được khai báo của các tham số mà ta ta sẽ có được các loại mặt hình học khác nhau khác nhau.
Tưởng Thị Thanh 35 GQ Mặt cầu, trụ, nón, elipxoit, hyperbol oit, paraboloi t. Tổng quát, tuỳ khả năng suy tham số (tham số = 0). 2 2 2 Ax + By +Cz + Dxy + Eyz +Fzx +Gz + Hy + Jx + K = 0 A B C D E F G H J K TX TY TZ Hình xuyến có trục song song với trục Ox, Oy hoặc Oz 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) / ( ( ) ( ) ) / 1 0 ( ) / ( ( ) ( ) ) / 1 0 ( ) / ( ( ) ( ) ) / 1 0 x x B y y z z A C y y B x x z z A C z z B x x y y A C x y z A B C x y z A B C x y z A B C
XYZP Mặt được định nghĩa bằng các điểm
b. Các thẻ ô
Các thẻ ô là mục đầu tiên đứng sau tiêu đề.Trong phần này các ô sẽ được định nghĩa về hình dạng của nó và vật liệu được điền trong đó. Khuôn mẫu đặc trưng cho một thẻ ô như sau:
Hình 3.4. Khuôn mẫu thẻ ô
Số ô, j: Dùng để đặt tên cho ô.
Số vật liệu, m: Xác định vật liệu gì được điền vào trong ô. Sự hợp thành của một vật liệu nào đó được định nghĩa về sau trong mục thẻ dữ liệu. Trường hợp đặc
Tưởng Thị Thanh 36
biệt duy nhất khi m = 0, khi đó có nghĩa là ô này được để trống (điền đầy bằng chân không) và giá trị mật độ d sẽ không được ghi trong thẻ này nữa mà bị bỏ qua để ghi ngay tiếp sau số 0 là các tham số bề mặt.
Mật độ, d, dùng khai báo mật độ vật liệu được điền vào ô. Nếu giá trị của d dương thì nó có ý nghĩa chỉ mật độ nguyên tử với đơn vị tương ứng là 1024
nguyên tử / cm3. Nếu giá trị của d âm thì nó có ý nghĩa chỉ mật độ khối lượng với đơn vị tương ứng là gam / cm3
. Như trên ta đã biết trong trường hợp ô được điền bởi chân không thì giá trị mật độ sẽ không được ghi nữa.
Phần hình học, mô tả hình học các bề mặt giới hạn để tạo nên ô. Nó gồm những mã số chỉ bề mặt với một trong hai giá trị logic âm hoặc dương. Giá trị tuyệt đối của mã số cho ta biết đó là bề mặt nào được khai báo, dấu logic của nó dùng để xác định ô đang được định nghĩa thuộc về miền nào của không gian được giới hạn bởi các bề mặt đó. Những bề mặt có hình học xác định cũng đồng thời được dùng để cấu thành lên các mặt biên, các mặt biên đó giới hạn vùng không gian vận chuyển các hạt bức xạ.
Trong phần này các tham số về bề mặt được liệt kê cùng với các phép toán về phần giao, hợp, hay phần bù nhau của các vùng không gian giới hạn bởi các mặt.
Phần tham số của thẻ ô, chứa các tham số tuỳ chọn như: imp, u, trcl….Phần tham số này không bắt buộc phải xuất hiện ở thẻ ô mà có thể được khai báo sau trong mục lệnh dữ liệu.
3.2.1.3. Mô tả nguồn:
Dù mô phỏng một bài toán dựa trên thực tế hay chỉ là giả định thì một phần quan trọng không thể thiếu đó là viết mã mô tả nguồn. Với MCNP chúng ta có thể định nghĩa nguồn với những tính chất sau:
Cho phép chỉ rõ giới hạn về không gian, năng lượng, hướng và loại hạt bức xạ từ nguồn phát ra.
Bao gồm nhiều loại nguồn phong phú cho phép người sử dụng định nghĩa để sao cho phù hợp nhất với bài toán cần mô phỏng: Nguồn điểm; Nguồn bề mặt;
Tưởng Thị Thanh 37
Nguồn khối; Nguồn phức hợp; Nguồn phụ thuộc; Nguồn thứ cấp; Nguồn di động
Cho phép định nghĩa rõ sự khác nhau về hướng phát ra của nguồn và năng lượng của nguồn.
Thẻ SDEF (cùng với thẻ SI và thẻ SP) cho phép định nghĩa một nguồn giới hạn một cách hoàn thiện với cú pháp của thẻ như sau:
SDEF tham-biến-1 tham-biến-2 tham-biến-3 … SI thông tin về các tham biến (mô tả giá trị, các số phân bố …)
SP cung cấp các thông tin thực tế mô phỏng, hoặc sử dụng xây dựng chức năng.
Trong đó các tham biến nhằm:
- Định nghĩa loại hạt bức xạ mà nguồn phát ra và các trọng số - Không gian nguồn và vị trí nguồn.
- Phổ năng lượng của nguồn
- Góc phân bố ban đầu (được mặc định là đẳng hướng đối với nguồn điểm và nguồn khối)
Mặc định là nguồn nơtron điểm, đẳng hướng với năng lượng 14MeV, tại vị trí 0, 0, 0 với trọng số là 1.
Bảng 3.3. dưới đây cung cấp cho ta các tham biến nguồn, ý nghĩa và giá trị mặc định của nó.
Bảng 3.2: Các tham biến nguồn
Variable Ý nghĩa Giá trị mặc định
ERG Năng lượng (MeV) 14 MeV
NRM Ký hiệu mặt thông thường + 1
POS Tâm nguồn 0,0,0
RAD Khoảng cách giữa tâm nguồn đến
Tưởng Thị Thanh 38
EXT Chiều cao của nguồn. 0
AXS Trục đối xứng đối với nguồn hình
trụ, hình nón… Không có trục đối xứng
WGT Trọng số hạt 1
PAR Loại hạt
1=nơtron đối với Mode N, NP hoặc NPE
2=photon đối với Mode P hoặc PE 3=electron đối với Mode E
3.2.1.5. Định nghĩa giá trị lấy ra - Tally.
Được hiểu là kết quả của quá trình tính toán, nó cho phép chúng ta cho ra kết quả mà mình cần thu được sau khi việc chạy chương trình mô phỏng hoàn tất.
Với MCNP5 ta có thể yêu cầu chương trình trả về các dạng kết quả khác nhau liên quan tới dòng hạt, thông lượng hạt, phân bố năng lượng, liều hấp thụ…Các kết quả này được chuẩn hoá cho từng hạt.
Bảng 3.3. Các tally.
Những dòng lệnh này không đòi hỏi, nhưng nếu chúng không được cung cấp thì sẽ không có các đánh giá được in ra khi bài toán chạy.
Ký hiệu Mô tả Đơn vị
F1 Dòng mặt hạt
F2 Thông lượng mặt trung bình hạt/cm2
F4 Thông lượng ô mạng trung bình hạt/cm2
F5 Thông lượng điểm hay đầu dò hạt/cm2
F6 Năng lượng tích lũy trung bình trong ô mạng MeV/g F7 Năng lượng phân hạch tích luỹ trung bình trong ô mạng MeV/g F8 Phân bố năng lượng của xung hình thành trong đầu dò Xung
Tưởng Thị Thanh 39
MCNP cung cấp bảy cách đánh giá nơtron chuẩn, sáu cách đánh giá photon chuẩn và bốn cách đánh giá electron chuẩn (Bảng 3.3).
a. Đánh giá thông lƣợng mặt và ô mạng
Đánh giá này dùng cho F1, F2, F4, F6 hoặc F7. Cấu trúc lệnh:
Fn:pl S1 … Sk trong đó:
n - số tally
pl - hạt N (nơtron), P (photon), NP (nơtron và photon) hoặc E (electron) Si - số thứ tự của ô mạng (đối với F4, F6 hoặc F7) hoặc mặt (đối với F1, F2)
b. Đánh giá thông lƣợng điểm hay đầu dò (F5)
Cấu trúc lệnh: Fn:pl X Y Z Ro trong đó:
n - số tally
pl – hạt N (nơtron) hoặc hạt P (photon) X Y Z – tọa độ của đầu dò điểm
Ro – bán kính hình cầu bao quanh đầu dò điểm, nếu +Ro đơn vị là centimet, –Ro
đơn vị là quãng chạy tự do.
3.2.1.6. Thông số vào a) Lệnh vật liệu.
Sử dụng thẻ vật liệu để đưa vật liệu vào mô hình của bạn. Ví dụ, tạo không khí từ Oxy, Nitơ, Agong v.v…Mỗi nguyên tố cùng với thành phần của nó được cộng lẫn lại với nhau một cách lần lượt. Khuôn mẫu đặc trưng của lệnh vật liệu là:
Tưởng Thị Thanh 40
Hình 3.5. Khuôn mẫu đặc trưng thẻ vật liệu
Mn = Bắt đầu với ký tự “m” và theo sau bởi một số, như thể là m1 hoặc m15.Zaid = Số protrôn và số khối, ví dụ như 06012 cho cácbon. Số khối có độ dài mặc định phải là 3 chữ số và nó đúng bằng số khối của đồng vị cần mô tả, còn số protrôn có thể có độ dài là 1 hoặc 2 chữ số. Nếu ta để 3 chữ số của phần số khối là 3 chữ số không “000” thì sẽ không ghi thành phần tương ứng với nó nữa, mà khi đó chương trình MCNP sẽ tự hiểu là ta khai báo một nguyên tố với thành phần đồng vị có trong tự nhiên, thành phần này sẽ được tự động lấy ra trong thư viện của chương trình. Thành phần = (-) thành phần khối lượng, hoặc (+) thành phần nguyên tử. Không sử dụng lẫn hai loại thành phần này trong việc khai báo cùng một loại vật liệu.
b) Lệnh MODE
Lệnh MODE dùng để lựa chọn loại hạt vận chuyển. MCNP có thể được chạy theo một số mode khác nhau như là:
MODE N - Hạt nơtron MODE P - Hạt photon MODE E - Hạt electron
MODE NP - Hạt nơtron và photon MODE PE - Hạt photon và electron
Tưởng Thị Thanh 41
c) Lệnh giới hạn quá trình tính toán mô phỏng
Có hai cách để ta giới hạn quá trình tính toán mô phỏng. Đó là giới hạn bằng số lần chạy quá trình phát bức xạ (NPS) và giới hạn bằng thời gian chạy máy tính (CTME).
NPS (History Cutoff Card): Cấu trúc lệnh:
NPS n
Trong đó: n - số lần chạy quy trình Montecarlo (được gọi là history) CTME (Computer Time Cutoff card)
Cấu trúc lệnh:
CTME x
Trong đó: x - thời gian tối đa để máy chạy chương trình MCNP.
Trong một cùng một tệp tin đầu vào ta có thể khai báo đồng thời cả hai lệnh giới hạn trên (NPS n và CTME x) và khi chương trình chạy thoả mãn 1 trong 2 lệnh giới hạn thì máy tính sẽ ngừng quá trình tính toán.
Sau khi chương trình chạy hết số history n hoặc hết thời gian x thì sẽ dừng lại và đưa ra kết quả.
d) Lệnh IMP
Lệnh IMP dùng để lựa chọn tầm quan trọng của ô mạng. Mỗi ô mạng đều phải có tầm quan trọng riêng đối với loại hạt mà ta lựa chọn. Lệnh này giúp chương trình kết thúc history của hạt nếu hạt rơi vào ô mạng mà có tầm quan trọng bằng 0.
Cấu trúc lệnh:
IMP: n x1 x2 … xi … xI
Trong đó: n – là loại hạt, với các ký hiệu N đối với hạt nơtron, P đối với hạt photon, E đối với hạt electron. N, P hoặc P, E hoặc N, P, E cho phép tầm quan trọng của các ô mạng đối với các hạt là giống nhau. xi – tầm quan trọng của ô mạng thứ i.
Tưởng Thị Thanh 42
3.2.2. Mô hình hình học của bể lƣu giữ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Mô hình ba chiều của bể lò: Chiều cao là 365 cm, đáy là hình vuông cạnh 204,5 cm.
Bể làm bằng bê tông dày 50 cm. Chiều cao của mức nước trong bể là 360 cm. Bể chứa 300 ô được phân bố thành 2 bên, mỗi bên là một mạng hình chữ nhật 30×5 ô với mỗi bước rộng 6,5 cm. Trong mỗi ô có 1 cốc nhôm dùng để chứa bó nhiên liệu.
Cốc chứa bằng nhôm dày 0,4 cm có đường kính ngoài là 2,5cm.