Loading article…
Monte Carlo N-Particle Transport ( MCNP ) [ 2 ]は、汎用、連続エネルギー、一般化形状、時間依存のモンテカルロ放射線輸送コードであり、広範囲のエネルギーにわたって多くの種類の粒子を追跡するように設計されており、ロスアラモス国立研究所によって開発されました。具体的な適用分野には、放射線防護と線量測定、放射線遮蔽、放射線撮影、医療物理学、核臨界安全、検出器の設計と解析、核油井検層、加速器ターゲット設計、核分裂炉と核融合炉の設計、除染と廃止措置などが含まれますが、これらに限定されません。このコードは、1 次および 2 次の曲面と 4 次の楕円トーラスで囲まれた幾何学的セル内の任意の 3 次元の材料構成を扱います。
点ごとの断面積データが一般的に使用されますが、群ごとのデータも利用可能です。MCNP 中性子輸送計算では、特定の断面積評価 (ENDF からの評価済み核データファイルなど) で与えられたすべての反応が考慮されます。熱中性子は、自由ガスモデルと S(α,β) モデルの両方で記述されます。MCNP 光子輸送モデルでは、非干渉散乱と干渉散乱、光電吸収後の蛍光放出の可能性、対生成における吸収と局所的な消滅放射の放出、および制動放射が考慮されます。電子輸送には、陽電子、k X 線、および制動放射を含むが、外部場または自己誘導場を含まない連続減速モデルが使用されます。
MCNPコードの特徴としては、汎用線源、臨界線源、表面線源、形状および出力集計プロッター、分散低減手法のコレクション、柔軟な集計構造、および広範な断面積データのコレクションなどが挙げられる。
MCNPシミュレーションは、「タリー」と呼ばれる指標を用いてシミュレーション結果を追跡します。表面、セル、または空間領域に適用した場合、表面電流とフラックス、体積フラックス（トラック長）、点検出器またはリング検出器、粒子加熱、核分裂加熱、エネルギーまたは電荷堆積のためのパルス高さタリー、メッシュタリー、および放射線撮影タリーといった量を追跡できます。
MCNPコードは、直接的な実験測定が非現実的、費用がかかりすぎる、または不可能な状況で一般的に使用されます。用途としては、放射線遮蔽、原子力システム、検出器、放射線源の解析と設計などが挙げられます。このコードは、評価済みの核データライブラリとともに配布され、ベンチマーク比較や回帰テストを通じて検証および妥当性確認活動をサポートします。MCNPの予測能力は、検証および妥当性確認テストスイートでの性能、前身コードとの比較、自動テスト、そして過去60年間にわたって行われてきた膨大な量の作業に基づき、国際社会から非常に信頼できると評価されています。
MCNPおよびMonte Carlo N-Particleという名称は、ロスアラモス国立研究所の登録商標です。このソフトウェアは、米国の核技術輸出規制の対象となります[ 3 ]。
放射線粒子輸送のモンテカルロ法は、LANL で 1946 年に始まった。[ 4 ]これらの方法の考案者は、スタニスラフ・ウラム、ジョン・フォン・ノイマン、ロバート・リヒトマイヤー、ニコラス・メトロポリスであった。[ 5 ] 放射線輸送のモンテカルロ法は、スタニスラフ・ウラムが 1946 年に病気から回復中にソリティアをプレイしているときに思いついた。「組み合わせ計算で成功を推定しようと多くの時間を費やした後、より実用的な方法として、例えば 100 回配置して、成功したプレイの数を観察して数えるという方法があるのではないかと考えました。」1947 年に、ジョン・フォン・ノイマンはロバート・リヒトマイヤーに手紙を送り、核分裂装置における中性子拡散と増殖の問題を解決するために統計的方法を使用することを提案した。[ 6 ] 彼の手紙には 81 段階の擬似コードが含まれており、電子計算機用のモンテカルロ計算の最初の定式化であった。フォン・ノイマンの仮定は、時間依存、連続エネルギー、球形だが半径方向に変化する、1つの核分裂性物質、等方性散乱と核分裂生成、および2、3、または4の核分裂多重度であった。彼は、100個の中性子をそれぞれ100回の衝突に実行することを提案し、ENIACでの計算時間を5時間と見積もった。[ 7 ] リヒトマイヤーは、複数の核分裂性物質、核分裂スペクトルのエネルギー依存性なし、単一の中性子多重度、および衝突数ではなくコンピュータ時間で計算を実行することを許可するための提案を行った。コードは1947年12月に完成し、最初の計算は1948年4月/5月にENIACで実行された。
ENIACが物理的に移設されるのを待っている間、エンリコ・フェルミはモンテカルロ法を用いて核分裂性物質中の中性子の動きを追跡するFERMIAC [ 8 ]と呼ばれる機械装置を発明した。粒子輸送のためのモンテカルロ法は、現代のコンピュータの黎明期から計算技術の発展を牽引しており、それは今日まで続いている。
1950年代と1960年代には、これらの新しい手法は、MCS、MCN、MCP、MCGなどの一連の特殊用途モンテカルロコードにまとめられました。これらのコードは、LANLの特殊な用途向けに中性子と光子を輸送することができました。1977年に、これらの個別のコードが統合され、最初の汎用モンテカルロ放射線粒子輸送コードであるMCNPが作成されました。[ 9 ] [ 10 ] MCNPコードの最初のリリースはバージョン3で、1983年にリリースされました。これは、テネシー州オークリッジの放射線安全情報計算センターによって配布されています。
モンテカルロN粒子拡張版（MCNPX）は、ロスアラモス国立研究所で開発され、MCNPの機能を核子や重イオンなど、幅広いエネルギー範囲にわたる多様な粒子種に拡張することを目的としています。MCNPXとMCNP5は、従来、異なるアプリケーションニーズに対応するため、別々のコードブランチとして開発されてきました。
MCNP6コードは、MCNP5とMCNPXを統合した統一コードベースであり、それぞれの機能を単一の保守されたソフトウェアパッケージに統合したものです。
モンテカルロ放射線輸送シミュレーションの精度は、使用される物理モデル、基礎となる核および原子データの質、問題の形状、計算された集計の統計的収束など、複数の要因に依存します。そのため、MCNP計算の性能は通常、ベンチマークと検証および妥当性確認（V&V）研究を通じて評価されます。[ 11 ]
MCNPを含むモンテカルロ輸送コードは、シミュレーション結果を実験データや特性が明確に定義されたベンチマーク問題と比較することで評価されるのが一般的です。技術文献に報告されている独立したレビューや検証作業では、臨界安全性、放射線遮蔽、検出器応答、原子炉物理、医療物理、宇宙放射線環境といった分野におけるMCNPの性能が検証されています。
MCNP コードは、開発およびリリース プロセスの一環として、正式な検証および妥当性確認テストが伴います。[ 11 ]これらの活動には、連続するコード バージョン間で数値の一貫性と実装の正確性を評価するように設計された回帰テストと標準化されたテスト問題が含まれます。検証活動には、簡略化された輸送問題の解析的または半解析的解との比較も含まれ、これらは、極限ケースでの数値実装とアルゴリズムの動作の正確性を確認するために使用されます。原子力臨界安全性および関連するアプリケーションについては、MCNP 計算は、国際臨界安全性ベンチマーク評価プロジェクト (ICSBEP) ハンドブックから派生したベンチマーク モデルのコレクションに対して実行されます。このハンドブックは、k 有効などの量の実験に基づく参照値を提供します。[ 12 ]
ベンチマークおよび検証研究では、通常、特定の観測量および構成における実験測定値との一致性を評価し、物理モデル、データライブラリ、および数値計算手法の違いを調査するために、コード間の比較が含まれる場合があります。このような研究は、モンテカルロ輸送コード間の普遍的な性能階層を確立することではなく、定義された適用領域およびエネルギー領域内でのコードの動作を特徴づけることを目的としています。