基于GPU并行的二维时空中子动力学MOC程序开发及验证

目前特征线方法（MOC）被广泛应用于反应堆精细中子输运计算。为提高基于MOC方法的时空中子动力学输运计算效率,本文开发了ALPHA程序的动力学计算模块,实现了基于GPU并行的二维精细动力学输运计算。同时,实现了基于GPU并行的CMFD加速计算,并对TWIGL基准题和MINI-CORE基准题进行验证。数值结果显示,基于GPU并行的中子动力学计算方法能保证良好的计算精度,且具有明显的加速效果。     

基于组件模块化特征线方法的中子输运计算研究

栅元模块化特征线方法(MOC)在处理压水堆组件水隙等问题上存在几何处理上的困难。为了克服这些问题,采用Fortran语言开发了基于组件模块化特征线方法(AMRT)的中子输运计算程序NECP-Medlar,并采用两重粗网有限差分方法进行加速。2D C5G7基准题和典型压水堆组件问题的数值计算结果表明,该程序具有良好的计算精度和较高的计算效率,并且能够通过直接计算组件之间的水隙,较精确地描述组件中子通量密度的分布。     

有限元SN中子输运模拟的区域分解并行

确定论中子输运方法具有计算速度快、可获取物理量的精细场分布、可高效多物理耦合等优点，随着有限元方法在中子输运模拟中的应用，复杂几何结构、大尺度下的屏蔽问题和临界问题都能得到高保真建模和分析。离散纵标（S_N）法是求解中子输运方程的有效数值方法，基于OpenMP并行机制对各独立离散方向进行并行求解，可提高S_N输运模拟的计算速度，但并行规模较有限。对几何空间进行区域分解并采用MPI并行机制，可实现大规模并行扩展，进而实现对大型问题的高精度快速求解。本文采用并行自适应非结构网格应用框架JAUMIN进行区域分解和进程间通信，通过并行S_N扫描实现了自主有限元输运程序ENTER的高效并行，完成正确性检验后在天河Ⅱ号超级计算机上使用1 440个CPU核完成了1.43×10⁷网格单元、2.81×10⁹自由度规模问题的测试，计算时间约7.4 h。表明该程序具备了有效模拟大型复杂结构中子输运问题的能力，具有一定工程应用价值。     

基于R2S方法的反应堆结构材料活化剂量计算研究

反应堆结构材料在堆芯中子辐照下由于中子活化反应而产生大量的放射性核素,其衰变光子是反应堆停堆检修、换料、退役过程中工作人员职业照射剂量的重要来源。本文基于严格两步法（R2S）,研究了反应堆结构材料栅元活化计算方法,并基于蒙卡粒子输运程序（MCNP）与点活化计算程序（ORIGEN）建立了反应堆结构材料活化剂量计算软件（MOCA）。通过开发功能接口与数据接口程序实现输运程序与活化计算程序的自动耦合,进而实现“中子输运-活化分析-剂量计算”全自动耦合分析。利用M5包壳活化计算模型、不锈钢活化计算模型和NUREG/CR-6115压水堆模型对MOCA进行基准验证,证明了MOCA的正确性与可靠性。      

线性源近似的中子输运方程特征线解法

基于非结构网格的中子输运方程特征线解法已成为堆芯设计程序中组件输运计算的标准方法之一。但现有的大部分特征线法程序均是基于平源近似的步特征线法模型开发的,平源近似是特征线法中除角度变量直接离散外又一基本假定。本工作提出一种基于线性源近似的中子输运方程特征线解法,并提出相关负中子源分布的修正方法。采用自行研制的数值计算软件PEACH,对OECD/NEAC5G7-MOX2D基准问题和自定义沸水堆小堆芯问题进行检验。数值计算结果表明,本工作提出的线性源近似特征线法模型在相同计算精度的前提下,占用更少的系统内存和运行时间。     

GPU加速MOC输运计算性能分析研究

特征线方法（MOC）在求解堆芯规模中子输运方程时面临计算时间长的问题，加速和并行算法是目前研究的热点。基于MOC在特征线和能群层面的并行特性，采用统一计算设备构架（CUDA）编程规范，实现了基于图形处理器（GPU）的并行二维MOC算法。测试了菱形差分和步特征线法分别在双精度、混合精度及单精度浮点运算下的计算精度、效率及GPU加速效果。采用性能分析工具对GPU程序性能进行了分析，识别了程序性能瓶颈。结果表明：菱形差分和步特征线法在不同浮点运算精度下均表现出良好的计算精度；相比于CPU单线程计算，GPU加速效果在双精度和单精度情况下分别达到35倍和100倍以上。     

有限元S_N中子输运模拟的区域分解并行

确定论中子输运方法具有计算速度快、可获取物理量的精细场分布、可高效多物理耦合等优点,随着有限元方法在中子输运模拟中的应用,复杂几何结构、大尺度下的屏蔽问题和临界问题都能得到高保真建模和分析。离散纵标(S_N)法是求解中子输运方程的有效数值方法,基于OpenMP并行机制对各独立离散方向进行并行求解,可提高S_N输运模拟的计算速度,但并行规模较有限。对几何空间进行区域分解并采用MPI并行机制,可实现大规模并行扩展,进而实现对大型问题的高精度快速求解。本文采用并行自适应非结构网格应用框架JAUMIN进行区域分解和进程间通信,通过并行S_N扫描实现了自主有限元输运程序ENTER的高效并行,完成正确性检验后在天河Ⅱ号超级计算机上使用1 440个CPU核完成了1.43×10~7网格单元、2.81×10~9自由度规模问题的测试,计算时间约7.4 h。表明该程序具备了有效模拟大型复杂结构中子输运问题的能力,具有一定工程应用价值。     

六角形几何积分输运变分节块法及加速方法研究

精确高效的中子学计算方法是快堆概念设计和方案优化的必备条件。本研究提出一种积分形式的变分节块法以求解六角形节块几何下的三维多群中子输运方程。该方法采用积分方法处理节块内部中子角通量密度,采用偶宇称球谐函数处理节块表面中子角通量密度,同时采用准反射边界条件方法减少节块表面的角度自由度数目,以节省计算成本。针对TAKEDA-4基准题的验证结果表明:相比于传统基于球谐函数离散的变分节块法,本方法在低阶角度近似下可将特征值计算偏差降低2～5倍;在高阶角度近似如P7近似下,加速算法能够实现33倍的加速比。研究建立的积分中子输运变分节块法可用于六角形组件几何快堆的高效、精确模拟。     

反应堆堆芯先进中子学模拟软件SCAP-N研发

堆芯中子学计算是反应堆设计分析的基础,为提高堆芯中子学计算的模拟分辨率与计算精度,开发了反应堆堆芯先进中子学模拟软件（SCAP-N）。该程序首先根据轴向特征对堆芯进行分层,并逐层进行二维堆芯非均匀输运计算,再采用超级均匀化方法（SPH）获得栅元等效均匀化截面,最后进行三维堆芯逐棒（pin-by-pin）输运计算,获得堆芯有效增殖因子与精细棒功率分布。为提高程序计算效率,采用分布式/共享式（MPI/OPENMP）混合并行方式对程序进行了并行化开发。利用虚拟反应堆（VERA）系列基准例题及美国先进非能动压水堆（AP1000）启动物理试验实测数据对程序进行了测试验证。结果表明,相比于商用核设计程序系统,SCAP-N程序采用的逐棒输运技术能够提高堆芯中子学的计算精度。与同类型高精度中子学程序相比,SCAP-N具有更高的计算效率,可进一步提高核电厂的经济性及运行灵活性。      

去射线效应堆外探测器响应函数计算研究

堆外探测器响应函数表征了堆芯活性区各位置处的裂变中子对堆外探测器响应的贡献,通过共轭S_N输运计算可快速得到堆外探测器的响应函数。然而,堆外探测器远离堆芯且相对于堆芯体积很小,S_N方法的计算结果会受到射线效应的影响。为解决堆外探测器响应函数计算中的射线效应问题,研究了共轭首次碰撞源射线效应消除方法。此外,为克服共轭首次碰撞源方法在三维堆芯计算中面临的计算量大、内存需求高等问题,研究了共轭首次碰撞源的并行化计算方法和动态内存管理方法。基于韩国Kori-1压水堆的计算结果表明:共轭首次碰撞源S_N方法和多群蒙特卡罗方法具有相当的计算精度,但计算效率高1个量级。     

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

基于OpenMP的中子输运方程特征线法并行计算研究

特征线法是目前求解反应堆中子输运方程的主要计算方法之一。本文开发了基于OpenMP的中子输运方程特征线法并行计算程序,以提高特征线法的计算效率。OpenMP是共享存储体系结构上的一个并行编程模型,采用Fork-Join并行执行方式,适合于SMP共享内存多处理系统和多核处理器体系结构。通过相关基准题测试验证,表明所开发的程序在有效增殖因数以及相对中子通量(归一化栅元功率)分布等参数上都能取得良好的精度,且使用OpenMP能取得良好的加速效果,使计算时间显著减少。     

P1各向异性散射特征线方法研究及应用

基于各向同性散射的中子输运方程特征线方法,计算实际组件能谱时经输运修正后,散射矩阵中P0自散射截面可能出现一定量的负值,影响数值稳定性。本文开发了P1各向异性散射特征线方法,并研制了计算程序PEACH-A。压水堆栅元基准问题的验证结果表明,PEACH-A程序具有较高的计算精度。对典型富集度的UO_2、MOX燃料栅元及其组合问题进行了敏感性分析,结果表明,针对MOX燃料及富集度差异较大的UO_2燃料栅元组合问题有必要采用P1各向异性散射。     

压水堆燃料辐照性能多物理耦合并行分析程序开发

核燃料元件是反应堆的核心部件,其性能影响反应堆的安全性与经济性,利用燃料元件性能分析程序开展燃料堆内稳态辐照性能分析对于燃料设计及安全评价具有重要意义。通过开发燃料温度分布、变形计算、裂变气体释放及内压等模型,结合燃料元件热工-力学多物理耦合计算分析耦合方案,基于先进并行计算方法构建了高性能并行化燃料性能分析程序Athena。利用典型商用压水堆核电站数据及同类程序计算结果进行了程序初步验证,结果表明Athena程序计算结果合理可靠。通过定义堆芯功率及热工水力边界条件,程序能够并行开展压水堆全堆芯燃料辐照性能分析,提高燃料辐照性能分析效率,是数值反应堆原型系统（CVR1.0）的重要组成。     

Application of wavelets scaling function expansion method in resonance self-shielding calculation

The wavelets expansion method is widely used in various fields due to its powerful ability to simulate the oscillating functions. This method is applied to discretize the energy variable of neutron angular flux within the resonant energy range. Meanwhile, the conventional multi-group method is applied in fast and thermal energy ranges. This coupled method can obtain the problem-dependent continuous-energy neutron flux spectrum within the resonant energy range. The method of characteristics (MOC) is employed as a space-variable solver in this paper to keep the powerful capability of dealing with the complex geometry problems. A pressurized water reactor (PWR) fuel cell problem with UO2 fuel (UOX) and mixed oxide fuel (MOX), and a cylindrical cluster fuel problem are calculated by utilizing this coupled method. Results of these problems are all in good agreement with the results of the Monte Carlo statistical transport code MCNP. It is concluded that this is a valuable method to solve the resonance self-shielding calculation problems in a complex geometry, and it is promising to be applicable for realistic reactor problems.     

Solution of the isotopic depletion equations using decomposition method and analytical solutions

In this paper an analytical calculation of the isotopic depletion equations is proposed, featuring a chain of major isotopes founding a typical PWR reactor. Part of this chain allows feedback reactions of (n, 2n) type. The method is based on decoupling the equations describing feedback from the rest of the chain by using the decomposition method, with analytical solutions for the other isotopes present in the chain. The method was implemented in a PWR reactor simulation code that makes use of the nodal expansion method (NEM) to solve the neutron diffusion equation, describing the spatial distribution of neutron flux inside the reactor core. Because isotopic depletion calculation module is the most computationally intensive process within simulation systems of nuclear reactor core, it is justified to look for a method that is both efficient and fast, with the objective of evaluating a larger number of core configurations in a short amount of time.     

数字化反应堆高保真中子学程序SHARK研发

SHARK程序是由中国核动力研究设计院新近研发的基于全堆芯确定论非均匀输运理论体系的数字化反应堆软件。该软件从多群数据库的截面与共振数据出发,采用改进子群方法刻画有效共振截面的复杂非均匀效应,采用二维/一维或准三维特征线方法开展堆芯层面非均匀输运计算。目前该程序的定态微观问题计算能力已建立完毕。数值结果显示,SHARK程序对于商用压水堆相关基准问题具有良好的计算精度和效率。     

基于最小二乘的线性源特征线方法研究

特征线方法一般采用平源近似来求解,平源近似需要大量较小的网格才能获得精确的结果,从而会消耗较多内存,影响计算效率。相比平源近似,线性源可在网格较少的情况下得到较精确的数值结果。本文提出一种基于最小二乘的线性源特征线方法,并通过计算压水堆栅元及C5G7基准题等算例,对该方法进行了分析。数值结果表明,基于最小二乘的线性源特征线方法能在网格较少的情况下提供稳定、精确的数值结果。     

一维特征线法中子输运程序开发及验证

为探讨两维/一维综合法堆芯分析方法,本文基于特征线法研制了一维中子输运程序--PEACH-1D.不同于通常的平源近似特征线方法,PEACH-1D可对子区的中子源项作线性近似;程序运用指数函数插值表和渐近源外推技术来加速计算过程.相关数值结果表明,PEACH-1D具有很高的计算精度和效率,线性源近似的特征线法具备处理较粗网格的能力,值得推广.