فیزیک هسته ای

یکی از کدهای شبیه سازی فیزیک هسته ای کدMCNP4C است.

با توجه به سرشت کاتوره‌ای بر هم کنش‌های هسته‌ای، شبیه‌سازی مونت کارلو برای محاسبات نوترونی، بسیار واقعی و دور از تقریب‌ها و خطاهای موجود است. در این روش تمامی فرآیندها مطابق با آنچه در عالم واقع رخ می‌دهد دنبال می‌شود و احتمال هر رویداد با توجه به داده‌های تجربی، در قالب سطح مقطع، تعیین می‌شود. این کد ترابرد نوترون، فوتون، الکترون را در هر نوع هندسه سه بعدی دنبال کرده و نتایج ترابرد ذره را بصورت تابعی از انرژی ارائه می‌دهد.
MCNP یک کد چند منظوره مستقل از زمان است که هر ترکیبی از ذرات فوق را به روش مونت‌کارلو و در یک شکل هندسی دلخواه شبیه‌‌سازی می‌کند.
این کد قابلیت‌های زیادی در توصیف شکل‌های هندسی چشمه، چشمه‌های بحرانی، سطحی و قابلیت‌های گرافیکی نمایش هندسه مسئله و جواب‌ها و دسترسی آن به مجموعه وسیعی از اطلاعات کتابخانه‌ای همچنین مشخص کردن نوع خواسته‌های کاربر را دارا می‌باشد. خواسته‌ها همان نتایجی است که کاربر از برنامه انتظار دارد. به عنوان نمونه ترابرد نوترون را در این کد بررسی می‌کنیم.
واحدهای فیزیکی به کار رفته در این کد برای کمیات¬ها به شکل زیر است:
? طول بر حسب سانتی¬متر
? انرژی بر حسب MeV
? دما بر حسب MeV
? جرم بر حسب gr
? چگالی اتمی بر حسب #/cm.barn
? چگالی جرمی بر حسب gr/cm3
? زمان بر حسب Shake=10-8 s
محدوده انرژی مورد قبول برای کد در جدول 2-1 آورده¬شده¬است.

ذره محدوده انرژی
نوترون‌ MeV 11-10 تا MeV 20
فوتون‌ و الکترون‌ keV1 تا MeV1000
جدول (2-1) محدوده انرژی مورد قبول برای کد MCNP
2-3 روش کار کد MCNP
یک ذره در هنگام عبور از یک ماده ممکن است پیش از جذب یا فرار از آن محیط، محتمل برهمکنش¬های پراکندگی متفاوتی می¬شود. کد MCNP به منظور تعیین نوع برهم¬کنش ذره با ماده، میزان انرژی از دست رفته در هر واکنش، جهت پراکندگی ذره و یا تعداد نوترون¬های حاصل از پدیده شکافت از اعداد تصادفی بین صفر و یک استفاده می¬¬کند. در شکل (2-1) واکنش¬هایی را که ممکن است پس از پدیده شکافت حاصل از یک نوترون روی می¬دهند، نشان می¬دهد:

شکل (2-1) واکنش¬هایی که ممکن است پس از پدیده شکافت حاصل از یک نوترون در کد MCNP روی دهند.
1- پراکندگی، تولید فوتون
2- شکافت و تولید نوترون
3- گیراندازی، پایان تاریخچه
4- آزادسازی نوترون
5- پراکندگی کامپتون
6- آزادسازی فوتون
7- جذب فوتون
2-4 به کارگیری کد MCNP
برای استفاده از کد MCNP باید اطلاعات لازم و دقیق توسط یک فایل ورودی به برنامه داده شود، که این امر باعث بدست‌آوردن جواب¬های دقیق و قابل اعتماد در فایل خروجی می‌باشد. بدیهی است برای رسیدن به نتیجة مطلوب، این اطلاعات، اعم از هندسه سیستم، مواد بکار رفته و توزیع آنها، چشمه و ویژگی‌ آن، و … باید تا آنجا که امکان دارد منطبق بر سیستم آزمایش باشد.
اطلاعات مورد نظر در فایل ورودی از میان کارت‌های ورودی کد MCNP انتخاب و در فایل ورودی گنجانده می‌شود. منظور از یک کارت یک خط ورودی MCNP است که شامل دستورالعمل‌های لازم در مورد چگونگی شبیه‌سازی هندسه مسئله، خواسته‌های مختلف و … می‌باشد.
کد MCNP برای نوشتن فایل ورودی، دارای محیط خاصی مانند محیط نرم‌افزاری مطلب یا C نیست و این فایل می‌تواند بصورت Text با پسوند text در محیط word pad یا Not pad و غیره نوشته شود. در حین اجرا با دستور خاصی که به کد داده می‌شود هر نتیجه بدست آمده در فایل خروجی با عددی به عنوان خطای نسبی همراه است که از تقسیم مقدار تخمینی انحراف معیار SN بر میانگین تخمینی X بدست می‌آید. بررسی یک نتیجه خروجی خوش‌رفتار خطای نسبی با متناسب است که N تعداد تاریخچه‌های بررسی شده است. و بررسی نتایج بدرفتار خطای نسبی با زیاد شدن تعداد تاریخچه‌ها افزایش می‌یابد.
2-5 کمیت های مورد نظر
از کمیات قابل محاسبه در MCNP می توان به تعداد فوتون های جذب یا خارج شده از محیط یا مقدار گرم شدن در اثر هر واپاشی و ... یا به بیان کلی Tally اشاره نمود.
خروجی یا همان Tally که توسط MCNP تعیین می¬گردد در حالت کلی باید با ویرایش زیر قابل بیان باشد.
c??(E) f(E) dE
به عنوان مثال:
سطح مقطع جذب f(E)=?a(E) ، در این صورت میزان جذب ??(E)?a(E)dE می باشد.
باید توجه داشت که خروجی بر اساس آمارگیری محاسبه می شود و بنابراین جوابها به 1 نرمال می¬گردد.
2-6 ساختار ورودی در MCNP
ترکیب استاندار یک فایل ورودی MCNP4C بصورت زیر است:
با توجه به نمونه‌ یک فایل ورودی متوجه می‌شویم که قسمتهای عمده آن عبارتند از:
1ـ هندسه سیستم: باید هندسه آزمایش مطابق با آنچه در اندازه‌گیری تجربی بر پا شده است توسط سطح‌ها و حجم‌ها بخوبی تعریف شود.
2ـ عناصر و مواد مجموعه : نوع عناصر، ترکیبات شیمیایی آنها و ویژگی‌های فیزیکی باید براساس دستورالعمل مربوط برای کد تعریف شود.
3ـ مکان و ویژگی¬های چشمه : در اینجا علاوه بر تعیین موقعیت مکانی چشمه ( مختصات آن ) برای برنامه،‌ بسته به این‌که چشمه دارای چه شکل هندسی است، (نقطه‌‌ای، سطحی و یا حجمی) باید از تعاریف مربوطه استفاده کرد. همچنین اگر چشمه تک انرژی و یا دارای طیف انرژی است، باید برای کد معین شود.
4ـ خواسته‌ها : نوع خروجی و خواسته‌ مورد نظر در برنامه، شامل شار حجمی و شار سطحی و … باید برای کد تعریف شوند.
5ـ کاهش خطا:‌ استفاده از روش‌های پیش‌بینی شده‌ی محاسباتی برای کاهش خطا، که نتیجه آن کارائی کد باشد، در برنامه وارد گردد.
6ـ زمان محاسبه: روش‌های ویژه‌ای که به خصوص برای مجموعه‌های بزرگ، می‌تواند زمان محاسبه را کاهش دهد باید دربرنامه‌ کد منظور گردد.
7ـ تعداد ذره: این‌که کد چه تعداد از یک ذره خاص را انتخاب و تاریخچه آن را پیگیری کند بسته به مقداری دارد که باید به برنامه بدهیم، انتخاب تعداد زیاد ذره، اگر چه زمان محاسبه را طولانی می‌کند، اما نتایج مطلوب‌تری را تحویل می‌دهد.

شکافت هسته اولین بار توسط هان و لشتراسمن کشف شد.

علم نو پا در ایران و استفاده از آن در جهت تولید انرژی الکتریکی و استفاده صلح آمیز از شکافت هسته.
به امید سر بلندی ایران.