NEREIDA：一个用于快速中子设施设计与剂量学特性的计算框架

《Radiation Physics and Chemistry》：NEREIDA: A computational framework for the design and dosimetric characterization of fast-neutron facilities

NEREIDA是一个模块化、可扩展的框架，通过整合Geant4与其他工具实现CAD模型到高精度三维中子剂量图的自动化生成，支持复杂设施的中子通量谱和剂量评估，验证显示其与实验数据及现有工具结果一致，适用于核设施设计、许可和安全评估。

　　

作者列表： 奥西里斯·努涅斯-琼戈（Osiris Nú?ez-Chongo）| 毛里西奥·苏亚雷斯-杜兰（Mauricio Suárez-Durán）| 赫尔南·阿索雷（Hernán Asorey）| 伊万·西德尔尼克（Iván Sidelnik）| 罗伯托·门德斯（Roberto Mendez）| 曼努埃尔·卡雷特罗（Manuel Carretero）| 拉斐尔·马约-加西亚（Rafael Mayo-García）| 安东尼奥·胡安·鲁比奥-蒙特罗（Antonio Juan Rubio-Montero）| 安杰利斯·阿尔贝托·莫里利亚斯（Angelines Alberto Morillas） 所属机构： 西班牙马德里能源、环境与技术研究中心（CIEMAT）技术部，邮编28040

摘要

可靠的中子通量表征和剂量测量对于核设施的设计、许可和安全运行至关重要。然而，从已建成的几何结构中获取这些数据通常需要将计算机辅助设计（CAD）模型转换为辐射传输输入数据。这一过程较为繁琐，缺乏端到端的、可审计的流程。虽然有许多广泛使用的工具可以处理辐射传输问题，但它们无法实现CAD与剂量计算之间的无缝集成，且往往需要特定的许可证。我们提出了NEREIDA：一个模块化、可扩展的框架，能够自动从原始CAD模型生成高分辨率的三维中子剂量图。NEREIDA整合了几项关键技术，如几何体体素化以及常见结构材料的活化分析，从而能够计算出中子剂量当量（单位为H*（10^10）和Hp（10^10））等参数，适用于复杂的核设施。该框架结合了Geant4与其他外部组件，支持真实的辐射源、人体模型和背景场。通过对²⁵²Cf和²⁴¹Am-Be参考谱的验证，证明了其光谱测量的准确性；在大规模测试中，该框架在每运行800万体素、15000个粒子的条件下仍能保持接近线性的性能提升。这种可扩展性使得在快速中子环境中，可以通过一个统一、可复制的工具链进行精确的、特定于设施的辐射评估，适用于设计迭代、许可和日常安全监测。

引言

现代核设施（如散裂源、研究反应堆和加速器设施）需要详细的三维中子通量和有效剂量图，以用于设计验证、许可和运行安全评估。传统的工作流程通常将设施几何建模（CAD 3D模型）与辐射传输计算分开处理，导致数据交换手动进行且可能存在错误。这是因为常规工具（如MCNP?）分别用于处理CAD模型和辐射传输计算，这可能导致手动转换、重复工作以及潜在的不一致性。虽然有一些工具（如Flair3）提供了用户友好的界面来简化这一过程，但它们并未实现CAD与剂量计算之间的无缝集成。为了解决这一问题，我们开发了NEREIDA——一个基于Geant4的自动化工作流程，它可以直接将设施的CAD几何结构转换为高保真的三维中子谱和剂量图。NEREIDA基于Geant4，因为多项研究表明其在剂量计算方面与MCNP、FLUKA等工具具有良好的一致性（参见Di Chicco等人，2024年；Ge等人，2022年）。 NEREIDA的工作流程既适用于本地环境，也适用于云环境，提供了计算上的可扩展性以及易于使用的用户界面，并集成了先进的Geant4中子传输算法。该框架能够通过CAD或3DStudio模型轻松生成设施的数字副本，包括建筑几何结构、建筑材料、地理位置以及中子源特性（包括宇宙射线等外部来源），无需高级编程技能。这种数字化使得NEREIDA能够计算设施内任何位置的三维中子谱分布，从而准确评估环境剂量和个人剂量。 在本文中，我们介绍了NEREIDA的模块化设计和工作流程（第2节），以及其在模拟设施（第3节）、辐射源（第4节）、探测器（第5节）和剂量测量（第6节）方面的主要功能，并讨论了该框架的可扩展性（第7节）。为了确保NEREIDA的准确性和可靠性，我们通过将其结果与现有模拟和实验测量结果进行比较进行了验证（第8节）。我们还展示了NEREIDA在模拟中子相互作用和提供核设施许可及安全评估数据方面的能力，以及其在中子通量表征和剂量测量方面的多功能性和有效性，这些都有助于提高核设施和快速中子生成设施的安全性和合规性（第9节）。

NEREIDA的设计

NEREIDA由四个基于Geant4的模块组成，这些模块可以独立启用或禁用，并由一个简洁的Python驱动界面统一管理： - **几何模块**：将机械CAD设计（STEP/IGES格式）导入并转换为Geant4中的实体模型。 - **源模块**：定义并模拟标准中子发射源以及由宇宙射线引起的背景辐射（通过ARTI/CORSIKA框架实现）。 - **探测器模块**：允许在设施内部创建探测器，用于交叉验证和比较。 - **剂量模块**：用于估计核设施内的剂量分布并分析中子相互作用。

几何模块

NEREIDA使用FreeCAD生成几何模型，然后通过GDML文件将其导入Geant4，同时保留几何层次结构和材料属性。

源模块

该模块用于模拟和表征来自宇宙射线和核反应的中子源。为了准确模拟宇宙射线与中子之间的复杂相互作用，整合了ARTI框架（Sarmiento-Cano等人，2022年）和CORSIKA工具包（Heck等人，1998年），以生成宇宙射线与地球大气相互作用产生的次级粒子的精确谱。

探测器模块

该模块用于支持核设施内剂量分布的估算和中子相互作用的分析。它开发了多种探测器，如Bonner球、长计数器和RadPhantom，用于研究辐射对人体的影响，并验证模型与实验数据的吻合度。NEREIDA的核心是Meiga模拟框架，该框架适用于μ射线成像应用。

剂量模块

对于核设施内的任何位置，剂量估算需要计算粒子在设施内传播过程中释放的能量。NEREIDA通过体素化策略实现了这一功能，用户可以指定剂量计算的体积范围。这种策略不受构建几何结构或先前定义参数的影响。

可扩展性和云计算 NEREIDA可作为虚拟容器部署，支持在高性能计算（HPC）集群（配备Singularity或Docker）以及联邦云基础设施（如欧洲开放科学云EOSC或亚马逊网络服务AWS）上运行，从而能够模拟高计算要求的场景。未来，NEREIDA计划采用OnedataSim（Rubio-Montero等人，2021a）等可虚拟化应用。

从CAD到Geant4：CIEMAT的LPN示例

将CAD设计转换为Geant4实体模型的一个应用实例是LPN-CIEMAT的建模。这个国家级参考实验室为产生中子的设施提供服务，包括核工业设施、医疗保健服务和用于生产放射性药物的回旋加速器（Méndez-Villafa?e等人，2007年）。LPN是一个8米见方的房间，墙壁厚度为125厘米，内部有一个150 × 100 × 150厘米的水池，水池表面覆盖有高密度聚乙烯材料，用于储存中子。

总结

NEREIDA是一个先进的计算框架，旨在通过准确表征各种来源的中子通量并在设施内任何位置计算剂量值来提升核设施的安全性。它通过集成CAD数据导入、体素化、Geant4辐射传输算法、经过验证的物理模型（包括²⁵²Cf、²⁴¹Am-Be和宇宙射线背景）、探测器响应模型以及体素剂量测量模块，实现了这一目标。

作者贡献声明

作者们声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。