رمز نقل الجسيمات المتعددة مونت كارلو

برنامج مونت كارلو لنقل الجسيمات ( MCNP ) ^{[ 2 ]} هو برنامج متعدد الأغراض، يعمل بالطاقة المستمرة، والهندسة العامة، ويعتمد على الزمن، ويعتمد على طريقة مونت كارلو لنقل الإشعاع ، وهو مصمم لتتبع أنواع عديدة من الجسيمات عبر نطاقات واسعة من الطاقات، وقد طُوّر في مختبر لوس ألاموس الوطني . تشمل مجالات التطبيق المحددة، على سبيل المثال لا الحصر، الحماية من الإشعاع وقياس الجرعات، والتدريع الإشعاعي ، والتصوير الإشعاعي ، والفيزياء الطبية، والسلامة النووية الحرجة ، وتصميم وتحليل أجهزة الكشف، وتسجيل آبار النفط النووية ، وتصميم أهداف المسرعات ، وتصميم مفاعلات الانشطار والاندماج ، وإزالة التلوث وتفكيك المنشآت النووية. يعالج البرنامج أي تكوين ثلاثي الأبعاد للمواد في خلايا هندسية محددة بأسطح من الدرجة الأولى والثانية، وحلقات بيضاوية من الدرجة الرابعة.

تُستخدم عادةً بيانات المقطع العرضي النقطي، مع توفر بيانات المجموعات أيضًا. في حسابات نقل النيوترونات باستخدام برنامج MCNP، تُؤخذ جميع التفاعلات الواردة في تقييم مقطع عرضي معين (مثل ملفات البيانات النووية المُقَيَّمة من ENDF) في الحسبان. تُوصَف النيوترونات الحرارية بنموذجي الغاز الحر وS(α,β). تُراعي نماذج نقل الفوتونات في MCNP التشتت غير المتماسك والمتماسك، وإمكانية الانبعاث الفلوري بعد الامتصاص الكهروضوئي، والامتصاص في إنتاج الأزواج مع الانبعاث الموضعي لإشعاع الإفناء، وإشعاع الكبح . يُستخدم نموذج التباطؤ المستمر لنقل الإلكترونات، والذي يشمل البوزيترونات وأشعة سينية k وإشعاع الكبح، ولكنه لا يشمل المجالات الخارجية أو الذاتية.

تتضمن ميزات كود MCNP مصدرًا عامًا، ومصدرًا للحرجية، ومصدرًا للسطح؛ ومخططات هندسية ومخططات إحصاء الإخراج؛ ومجموعة من تقنيات تقليل التباين؛ وهيكل إحصاء مرن؛ ومجموعة واسعة من بيانات المقطع العرضي.

تقوم محاكاة MCNP بتتبع نتائج محاكاتها من خلال "العدادات". عند تطبيقها على سطح أو خلية أو منطقة من الفضاء بشكل عام، يمكنها تتبع الكميات التالية: تيار السطح والتدفق، وتدفق الحجم (طول المسار)، وكواشف النقطة أو الحلقة، وتسخين الجسيمات، وتسخين الانشطار، وعداد ارتفاع النبضة لترسيب الطاقة أو الشحنة، وعدادات الشبكة، وعدادات التصوير الإشعاعي.

يُستخدم برنامج MCNP على نطاق واسع في الحالات التي يكون فيها القياس التجريبي المباشر غير عملي أو مكلفًا للغاية أو مستحيلاً. تشمل تطبيقاته تحليل وتصميم الدروع الواقية من الإشعاع، والأنظمة النووية، وأجهزة الكشف، ومصادر الإشعاع. يُوزّع البرنامج مع مكتبات بيانات نووية مُقيّمة، ويدعم أنشطة التحقق والتدقيق من خلال مقارنات معيارية واختبارات الانحدار. تُعتبر قدرات MCNP التنبؤية موثوقة للغاية من قِبل المجتمع الدولي، استنادًا إلى أدائه مع مجموعات اختبارات التحقق والتدقيق، ومقارناته مع البرامج السابقة، والاختبارات الآلية، والكم الهائل من العمل الذي أُنجز باستخدامه على مدار الستين عامًا الماضية.

يُعدّ كلٌّ من MCNP واسم Monte Carlo N-Particle علامتين تجاريتين مسجلتين لمختبر لوس ألاموس الوطني. ويخضع البرنامج لضوابط تصدير التكنولوجيا النووية الأمريكية ^{[ 3 ].}

يعود أصل طريقة مونت كارلو لنقل جسيمات الإشعاع إلى مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) عام 1946. ^{[ 4 ]} وكان من بين مبتكري هذه الطريقة ستانيسلاف أولام ، وجون فون نيومان ، وروبرت ريختماير ، ونيكولاس متروبوليس . ^{[ 5 ]} وقد ابتكر ستانيسلاف أولام طريقة مونت كارلو لنقل الإشعاع عام 1946 أثناء لعبه لعبة سوليتير خلال فترة نقاهته من المرض. يقول: " بعد قضاء وقت طويل في محاولة تقدير النجاح من خلال الحسابات التوافقية، تساءلت عما إذا كانت هناك طريقة أكثر عملية... وهي تكرار العملية، على سبيل المثال، مئة مرة، ثم ببساطة مراقبة عدد مرات النجاح وحسابها ." وفي عام 1947، أرسل جون فون نيومان رسالة إلى روبرت ريختماير يقترح فيها استخدام طريقة إحصائية لحل مسائل انتشار النيوترونات وتكاثرها في أجهزة الانشطار النووي. ^{[ 6 ]} تضمنت رسالته رمزًا زائفًا من 81 خطوة، وكانت أول صياغة لحساب مونت كارلو لجهاز حاسوب إلكتروني. كانت افتراضات فون نيومان كالتالي: طاقة مستمرة تعتمد على الزمن، كروية الشكل ولكنها متغيرة شعاعيًا، مادة انشطارية واحدة، تشتت وإنتاج انشطار متساوي الخواص، وتعدد انشطار من 2 أو 3 أو 4. اقترح استخدام 100 نيوترون لكل تصادم من أصل 100 تصادم، وقدّر وقت الحساب بخمس ساعات على جهاز إينياك . ^{[ 7 ]} اقترح ريختماير تعديلات تسمح باستخدام مواد انشطارية متعددة، وعدم اعتماد طيف الانشطار على الطاقة، وتعدد نيوترون واحد، وإجراء الحساب بناءً على وقت الحاسوب وليس عدد التصادمات. تم الانتهاء من كتابة الكود في ديسمبر 1947. وأُجريت الحسابات الأولى في أبريل/مايو 1948 على جهاز إينياك.

أثناء انتظار نقل إينياك إلى موقعه الأصلي، اخترع إنريكو فيرمي جهازًا ميكانيكيًا يُدعى فيرمياك ^{[ 8 ]} لتتبع حركة النيوترونات عبر المواد القابلة للانشطار باستخدام طريقة مونت كارلو. وقد ساهمت طرق مونت كارلو في نقل الجسيمات في دفع عجلة التطورات الحاسوبية منذ فجر الحواسيب الحديثة، ولا يزال هذا الإسهام مستمرًا حتى اليوم.

في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، جُمعت هذه الأساليب الجديدة في سلسلة من برامج مونت كارلو المتخصصة، بما في ذلك MCS وMCN وMCP وMCG. كانت هذه البرامج قادرة على نقل النيوترونات والفوتونات لتطبيقات مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) المتخصصة. في عام 1977، جُمعت هذه البرامج المنفصلة لإنشاء أول برنامج مونت كارلو عام لنقل جسيمات الإشعاع، وهو MCNP. ^{[ 9 ] [ 10 ]} كان الإصدار الأول من برنامج MCNP هو الإصدار 3، وقد صدر عام 1983. ويتم توزيعه من قِبل مركز معلومات السلامة الإشعاعية الحاسوبي في أوك ريدج، تينيسي.

طُوِّر برنامج مونت كارلو الموسّع للجسيمات المتعددة (MCNPX) في مختبر لوس ألاموس الوطني لتوسيع قدرات برنامج MCNP ليشمل نطاقًا أوسع من أنواع الجسيمات، بما في ذلك النيوكليونات والأيونات الثقيلة عبر نطاقات طاقة واسعة. وقد طُوِّر برنامجا MCNPX وMCNP5 تاريخيًا كفرعين منفصلين من التعليمات البرمجية لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة.

يمثل كود MCNP6 دمج MCNP5 و MCNPX في قاعدة كود موحدة، حيث يجمع بين قدراتهما الخاصة في حزمة برمجية واحدة يتم صيانتها.

تعتمد دقة محاكاة نقل الإشعاع باستخدام طريقة مونت كارلو على عوامل متعددة، تشمل النماذج الفيزيائية المستخدمة، وجودة البيانات النووية والذرية الأساسية، وهندسة المسألة، والتقارب الإحصائي للنتائج المحسوبة. ونتيجة لذلك، يُقيّم أداء حسابات MCNP عادةً من خلال دراسات المقارنة المعيارية والتحقق والتدقيق. ^{[ 11 ]}

تُقيّم برامج محاكاة النقل باستخدام طريقة مونت كارلو، بما في ذلك برنامج MCNP، عادةً بمقارنة نتائج المحاكاة مع البيانات التجريبية ومسائل معيارية محددة بدقة. وتتناول المراجعات المستقلة وجهود التحقق المنشورة في الأدبيات التقنية أداء برنامج MCNP في سياقات متنوعة، مثل سلامة العمليات الحرجة، والوقاية من الإشعاع، واستجابة الكاشفات، وفيزياء المفاعلات، والفيزياء الطبية، وبيئات الإشعاع الفضائي.

كجزء من عملية تطوير وإصدار برنامج MCNP، يخضع البرنامج لاختبارات التحقق والتقييم الرسمية . ^{[ 11 ]} تشمل هذه الاختبارات اختبارات الانحدار ومسائل اختبار موحدة مصممة لتقييم الاتساق العددي وصحة التنفيذ عبر إصدارات البرنامج المتعاقبة. كما تشمل أنشطة التحقق مقارنات مع حلول تحليلية أو شبه تحليلية لمسائل نقل مبسطة، تُستخدم لتأكيد صحة التطبيقات العددية وسلوك الخوارزميات في الحالات الحدية. ولأغراض السلامة النووية الحرجة والتطبيقات ذات الصلة، تُجرى حسابات MCNP على مجموعات من النماذج المعيارية المستمدة من دليل مشروع التقييم المعياري الدولي للسلامة الحرجة (ICSBEP)، والذي يوفر قيمًا مرجعية قائمة على التجارب لكميات مثل k effective. ^{[ 12 ]}

تُقيّم دراسات المقارنة المعيارية والتحقق عادةً مدى توافق النتائج مع القياسات التجريبية لخصائص وتكوينات محددة، وقد تشمل مقارنات بين البرامج لاستكشاف الاختلافات في النماذج الفيزيائية ومكتبات البيانات والأساليب العددية. وتهدف هذه الدراسات إلى توصيف سلوك البرنامج ضمن مجالات تطبيق وأنظمة طاقة محددة، بدلاً من وضع تسلسلات هرمية شاملة للأداء بين برامج محاكاة النقل باستخدام طريقة مونت كارلو.

• موقع "MCNP" الإلكتروني . مختبر لوس ألاموس الوطني.

• "مركز الحوسبة لمعلومات السلامة الإشعاعية" . مختبر أوك ريدج الوطني.

• سود، أفنيت؛ فورستر، آر إيه؛ آرتشر، بي جيه؛ ليتل، آر سي (2017). طريقة مونت كارلو وبرنامج MCNP - مراجعة موجزة لتاريخنا الممتد لأربعين عامًا (تقرير). وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب المعلومات العلمية والتقنية. OSTI 1371657 . 

• كارتر، إل إل (1975). تطوير برنامج مونت كارلو في لوس ألاموس (ملف PDF) (تقرير). مختبر لوس ألاموس الوطني.

• إيكهاردت، ر. (1987). ستان أولام وجون فون نيومان وطريقة مونت كارلو (PDF) (أبلغ عن). مختبر لوس ألاموس الوطني.

• الموقع الرسمي لـ MCNP