输运临界计算保姆级通关！从原理到软件实操，纯小白也能从零跑通完整算例

2026/11/6 3:33:39

最近在啃核工程相关内容，碰到了中子输运和反应堆临界计算这块。之前课上虽然听过蒙特卡罗方法、有效增殖因数这些概念，但大多停留在书本理论，从来没有从头到尾亲手跑一遍计算。就想着找一个实际案例实操练练，切身感受下输运临界计算完整流程到底是怎么一回事。从刚开始熟悉计算软件，一步步搭模型、调参数、提交运算，再到最后读出结果、分析数据，中间不少地方都要反复琢磨才能理顺😵。

刚好这次在用 TopMC 免费版练习，就想着用它来试着完成一下这个算例。主要是想找一款适合自己上手练习的核计算软件，TopMC 是国产软件，相关的中文手册看起来比较方便，内容也比较详细，遇到不懂的地方可以对着手册慢慢看，不用一边查资料一边反复猜参数的意思，对我这种小白就很方便，确实能省不少时间！！！！！所以就打算先用它做一次完整的练习，看看从模型设置到最后查看计算结果，整个流程到底是怎样的🤔。

这次练习我选了IAEA‑ADS基准算例来上手，主要看重它有现成的参考结果可以对照。这是一个加速器驱动次临界系统的标准基准题，很多不同的核计算程序都会拿它做比对验证，也是有相关文献可以参考的。对于刚接触蒙特卡罗中子输运计算的学生来说，我觉得用这种公开的基准算例会省心不少。这样不仅能看懂模型背后对应的物理背景，跑完计算之后，还能拿输出数据和公开参考结果做对比，慢慢搞懂各项计算参数、输出结果到底代表什么，对于我们这种刚开始接触的更能理解我们专业的实际用处了啦😀。

废话不多说，现在开始给大家分享我的实际操作🤭。

1.1 几何建模

很多次临界 ADS 基准算例都带有多层分区结构，几何边界直接决定中子输运结果的可靠性，所以建模阶段我会尽量保守、逐项校验，下面先记录我的从零建模操作。

几何建模功能提供了基本模型的创建、布尔运算操作以及各种几何变换操作；打开TopMC左上角工具栏用于基本几何模型的建立，比如我先建立一个正方体

比如我先建立一个正方体作为我们的几何模型。

由于临界输运计算的物理要求决定，我们需要这种逐层拆分独立栅元、分域建模的结构，本次模型采用 Universe 架构，通过编辑->视图中，依靠布尔差集完成多层嵌套几何构建，最后的建模如下图所示

右击每个Cell，可以通过一层层隐藏实体和显示实体看到内部结构。

1.2 物理建模

几何建模只搞定了长什么样，比如是形状、大小、位置，也就是栅元、曲面这些外壳；物理建模是给几何赋予计算规则，告诉程序每一块空间是什么材料、中子源在哪、要统计什么数据、边界条件怎么处理。只有几何，软件只知道一堆空间几何体，完全不知道该怎么算中子输运，跑不了蒙卡计算。所以我们下一步要进行物理建模。

1.2.1 材料建模

在实体属性窗口。在这里我们能查看这个栅元的编号、绑定的材料等信息，也可以按需修改它对应的材料、显示颜色。这里也给大家分享一个我的踩雷点，材料建模界面管理的是整套模型里所有的材料库，而实体属性窗口，是专门针对某一块栅元，确认它分配了哪一份材料，二者不要搞混。

1.2.2 源建模

1.2.2.1 几何分布

下面这个实体属性窗口的物理分栏，可以直接查看和编辑几何体绑定的材料、重要性、温度等物理信息。我们可以逐步拆解看到目前模型的隐藏实体，就像洋葱一样一层层剥离。

不过要是有其他同学需要更换材料，直接在对应编号的下拉菜单选中目标材料号，点击应用就能完成修改，这里的重要性参数不要随便乱改，改错容易让粒子直接消失，最后导致算出来的完全失真。

我们在 TopMC 中搭建模型时，可同步完成源信息配置，源的位置、能量、分布等参数配置妥当后，一般无需重复新建源。不过自动配置不等于万无一失，模型搭建完成后，一定要进入源建模界面核对：源的位置、粒子类型、能谱是不是和 IAEA-ADS 基准文档一致。一旦源参数设置出错，整个次临界输运计算都会偏离结果。只有当源配置丢失、源信息缺失的时候，才需要我们手动去设置源。

咱们这个 IAEA‑ADS 采用临界计算搭配固定源的模式，临界计算框架用来求解次临界系统的，但这套装置无法靠裂变自持产生中子，所以依靠固定散裂源持续提供初始中子，也就是我们说的源粒子抽样。如下图所示要双击主界面左侧树视图中的源打开源编辑对话框，点击添加临界源添加一个临界源。

选择临界源>KCODE，进行临界计算参数设置，之后再点击固定源按钮添加源粒子抽样信息。固定源按钮就是开启SDEF 固定源模式。前面临界源（KCODE）是靠裂变自动一代代生成中子；但 ADS 次临界装置做不到自持链式裂变，中子必须由外部的散裂源产生。点击【固定源】，就是告诉程序中子不是来自内部裂变迭代，而是按我们给定的位置、能谱、分布去抽样产生初始中子，也就是源粒子抽样。

但是我们发现设置好源概率之后发现，栅元源显示不是一个个体，说明这个栅元不是一个有效的三维实体（体栅元），软件没法在它内部均匀抽样源粒子，volume_flag=off 代表它没有可用体积信息，并不能作为栅元源，所以我们要在源1下面设置几何分布

下面的几何分布，用来定义源粒子发射的空间位置，也就是中子从哪个区域、哪个坐标抽样产生。如果选用栅元分布，程序会在指定实体栅元内部随机抽取发射位置，这就要求所选栅元必须是具备有效体积的封闭实体，否则就会出现刚才的报错。选择选择圆柱体源 Cylinder Source，并设置圆柱源中心点坐标（0，0， 0）随后进行半径的径向分布和高度的轴向分布，我设置的如下所示。

1.2.2.2 能量分布

我们可以把刚刚的几何分布理解为设置位置，告诉我们中子在哪出生，现在的能量分布是告诉我们中子出生时带多大能量，下一章的则是告诉我们中子往哪个方向飞。

先定位【源 1】→【能量】，打开源能量设置面板。IAEA-ADS 基准的散裂中子能谱为箱式概率连续矩形分布，点击【分布】进入分布配置如下图所示。

分布大类：选择随机分布
源信息：勾选H（直方图分布），编辑框粘贴SI1行全部能量断点，数字之间用空格隔开
源概率：勾选D（离散概率），编辑框粘贴SP1行的对应概率值，空格分隔

1.2.2.3 方向分布

选择 Tally 24 节点，点击 Tally 24 前的眼睛图案，即可查看通量场的网格计数结果，如下图所示。

单击预览按钮，可以预览源信息，如下图所示。

点击确定按钮，至此完成了源建模啦O(∩_∩)O

1.2.3 计算建模

我们已经画好了几何体、给每个区域分配了材料、设置好了中子源；程序会自动模拟一个个中子：从源发射出来，在装置里飞行、碰撞、裂变、被吸收，直到中子消失。但是，你想在哪看数据、想看什么数据，必须自己告诉程序。计数卡片就是干这件事的，在 IAEA‑ADS 基准算例中，依靠预设的计数卡，我们才能提取中子通量等结果，和官方参考值对比，完成我们的模型验证。下面是新建技术卡和设置我们的栅元通量计数。

选择 T14>能量，进入能量计数设置界面，将能群信息填入到能量区间编辑框中，如下图所示，至此完成第一个计数卡的建模。剩下的还需要添加新的技术卡，点击添加建立新的计数卡，计数类型选择T4，粒子类型选择中子，并勾选网格70 计数使用网格，如下图所示，至此完成了第2 个计数卡的建模。

点击确定按钮，至此完成了计数建模。

1.3 计算

这一步启动的是IAEA‑ADS 次临界固定源中子输运蒙特卡罗计算。前面我们已经完成几何建模、材料赋值、散裂外源配置、计数（Tally）与能群信息设置；点击【简易计算】，TopMC 会自动导出 MCNP 输入卡，调用 MCNP 求解器，模拟散裂中子在次临界装置里的输运、碰撞、裂变、吸收全过程，统计我们预先设置好的栅元通量、全场网格通量等计数结果。

计算结束后，在选定的输出路径下生成 MCNP 输出文件，用来提取通量数据，和 IAEA 基准参考结果对比校验。

1.4 结果可视化

选择whole 0节点，点击whole 0前的眼睛图案，即可显示计算结果随代数变化的曲线，发现随着代数的增加，计算结果逐渐趋于收敛。再单击眼睛图案，将隐藏曲线的可视化。

选择 Tally 14 节点，在左下角的数据管理面板>编辑页界面的当前X轴变量的下拉列表中选择能群分段并点击应用按钮，点击Tally 14节点前的眼睛图案，然后再在数据管理面板>显示页界面的线性关系的X轴下拉列表中选择对数化，计数柵元的通量能谱如下图所示。再次单击眼睛图案，将隐藏通量能谱的可视化。选择 Tally 24 节点，点击 Tally 24 前的眼睛图案，通量场的网格计数结果如下图所示。