高性能计算分析技术在大型钠冷快堆屏蔽设计中的应用

钠冷快堆堆容器是一体化的池式结构，由众多堆内构件组成且结构复杂，堆芯到生物屏蔽外中子输运过程中各向异性明显且深穿透问题严重，大尺度范围下三维S_N方法计算是制约快堆屏蔽设计的瓶颈。通过将三维SN程序与高性能计算技术相结合，采用并行计算方法可解决快堆堆本体内各向异性的三维深穿透屏蔽问题。本文以中国示范快堆（CFR600）堆本体为研究对象，采用JSNT-CFR程序详细计算了堆本体内的中子注量率、光子注量率、剂量率，并将计算结果与已有的二维程序设计结果进行比较。结果表明，将传统屏蔽计算方法与高性能计算相结合，能满足CFR600堆本体屏蔽计算精度要求，获得更为全面的三维展示效果，在计算模型复杂、粒子穿透深度等复杂问题的屏蔽计算上具有较明显的优势，为大型钠冷快堆屏蔽设计提供有力支撑。     

JCOGIN粒子追踪算法优化

本文分析了多种先进蒙特卡罗程序的CSG粒子追踪算法，对JCOGIN粒子追踪模块进行了优化。粒子定位算法采取了边界粒子定位和源粒子位置预估，能减少一定量的粒子定位计算；径迹求交算法采取了安全距离优化和布尔二叉树展开，其中安全距离优化可减少电子输运径迹求交次数，布尔二叉树展开能使布尔体求交算法的时间复杂度降为O（n）。应用4个典型算例测试了优化效果，结果表明，粒子定位算法优化对于一般问题具有一定的优化效果，安全距离优化显著提升了电子输运效率，布尔二叉树展开大幅提升了JMCT对于非规则复杂几何的计算速度。     

基于JMCT秦山核电厂一期反应堆屏蔽计算与分析

秦山核电厂一期的运行时间已超过三十年,该反应堆为我国核反应堆建造、运行、延寿乃至退役,提供了丰富的实测数据,为我国新一代反应堆核电厂—华龙一号的设计、建造、运行、维护提供了宝贵的参考数据。本文利用秦山核电厂一期反应堆压力容器的母材段、焊缝段及主管道测试数据,对自主研制的三维中子-光子-电子输运蒙特卡罗软件（JMCT）进行实验验证,模拟结果显示,JMCT软件屏蔽计算具有很高的模拟置信度,计算分辨率超越商业软件1~2个量级。      

蒙特卡罗临界计算粒子并行动态负载均衡调权算法研究

本文针对蒙特卡罗临界计算,提出了一种具有动态负载平衡能力的粒子权重调节算法。该算法在每次源迭代初始,将模拟粒子总权重均分到每个进程上,在保证每个进程本地权重恒定的前提下,分别调节不同进程的粒子出生权重,实现了源迭代过程中进程间计算的动态负载平衡。与Master Slave、Nearest Neighbor等算法进行比对,发现此算法加速效果更好。将此算法集成到JMCT程序中,通过BEAVRS基准题测试了并行效率,相对于128进程,4 800进程弱可扩和强可扩展并行效率分别可达92.54%和81.47%。     

点探测器敏感性关联抽样计算方法

为避免点探测器敏感性计算中随机统计涨落的影响,研究了在蒙特卡罗关联抽样算法框架下,点探测器敏感性的计算方法。在算法中考虑了输运过程偏倚以及存在次级粒子的情况,给出了输运扰动权乘子与计数扰动权乘子的更新方案。针对点探测器敏感性中次级粒子的模拟特点,引入了单因素扰动系统,并基于粒子扩展属性实现了对单因素扰动系统微扰的模拟,从而避免了对次级粒子历史进行回溯。利用脉冲球形实验装置,测试了散射截面扰动下点探测器的敏感性计算功能,并与微分算符方法的计算结果进行了比较,以验证其计算精度。利用NUREG/CR-6115屏蔽基准题测试了权重技巧下算法的适用性。测试表明,算法与微分算符方法计算精度相当,并适用于屏蔽问题点探测器敏感性模拟。     

基于JMCT的堆外核仪表系统刻度系数计算

以三维蒙特卡罗粒子输运程序JMCT为主要数值模拟工具，计算了某反应堆多个运行循环下的堆外核仪表系统（RPN）功率量程刻度系数。使用直接蒙特卡罗模拟方法、响应矩阵方法和伴随蒙特卡罗方法，得到了多组RPN刻度系数，通过这些系数计算出不同工况下的堆芯功率水平和轴向功率差，并与实测值进行了比对。结果表明，3种方法所得计算值与实测值的偏差均满足工程精度要求，其中伴随蒙特卡罗方法计算开销最小，验证了通过蒙特卡罗数值模拟得到RPN刻度系数的可行性。     

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ输运模块并行优化开发

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ的输运计算模块采用了特征线中子输运计算方法，其计算精度较高，可适用于反应堆中复杂的燃料组件，然而当网格规模、能群数、特征线数较大时，计算时间较长，计算效率较低，因此需对其进行并行优化，以提高计算效率。通过性能分析，发现特征线扫描和高阶散射源计算较为耗时。本文通过基于MPI的能群并行、E指数优化、角通量球谐函数展开等方法实现了并行优化。基准题验证表明，并行优化计算精度较高，E指数优化对特征线扫描效率提升较好，角通量球谐函数展开对高阶散射源计算效率提升较好。经过优化后的KYLIN-Ⅱ的输运计算模块加速效果显著，可满足工程使用需求。     

大内存精细反应堆模型的蒙特卡罗区域分解并行计算

随着对核反应堆的数值模拟描述越来越精细,全堆芯pin-by-pin精细建模需要的几何数量越来越多,对计算机内存提出了更高要求。本文针对大内存模型对蒙特卡罗组合几何区域分解的并行算法开展研究,详细阐述了基于树结构存储的区域剖分算法,并使用区域分解技术计算了大亚湾核电站压水堆的全堆芯pin-by-pin模型,初步验证了算法的可行性和正确性,为精细模型的输运燃耗耦合计算提供了可行性。     

基于JMCT的大亚湾核电站反应堆精细建模与计算

基于通用型蒙特卡罗中子-光子耦合输运程序JMCT搭建了大亚湾核电站反应堆精细模型,计算了有效增值因子(keff)和部分局部计数量,并和蒙特卡罗粒子输运程序MCNP的结果比对。结果显示,计算量相对误差均小于10-3量级,吻合度较高,验证了JMCT大规模精细几何建模和几何处理的能力。     

三维并行程序JSNT对HBR-2装置的屏蔽计算与分析

屏蔽计算是反应堆设计的重要环节之一，其计算结果直接影响核系统的寿命以及周边环境的辐射安全。JSNT是由中物院高性能数值模拟软件中心自主研发的三维离散纵标（S_N）中子/光子输运程序，采用区域分解实现大规模并行，具有较高的计算精度和计算效率。本文利用JSNT对HBR-2装置进行屏蔽计算，分析了辐照监督管处和中子剂量测量仪处的中子通量密度分布以及6个核素的放射性比活度，并与实验测量值进行了比较，发现网格划分对计算结果有较大影响，随着网格的加密，计算结果趋于实验值；除在中子剂量测量仪处的²³⁷Np(n,f)¹³⁷Cs和²³⁸U (n,f)¹³⁷Cs外，计算结果与测量值的相对偏差均小于20%，满足工程要求。