CPU-GPU协同计算在MOC中子输运异构并行计算中的应用研究

特征线方法（MOC）可以精确求解任意几何的中子输运方程，但该方法收敛慢、计算时间长。本研究基于空间区域分解和特征线并行技术，采用MPI+OpenMP/CUDA编程模型，实现了适用于中央处理器-图形处理器（CPU-GPU）异构系统的二维MOC异构并行算法。为充分利用异构系统中的CPU和GPU计算资源，实现CPU-GPU协同计算，提出动态任务分配模型，根据CPU和GPU的计算能力合理分配计算任务。数值验证结果表明:程序具有良好的计算精度；动态任务分配模型能根据硬件性能给出最佳任务分配方案；5异构节点（包含20块GPU）并行时，相对MPI+CUDA并行模式，采用CPU-GPU协同计算后，程序整体效率提升达到14%。      

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。     

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CPU-GPU异构并行的MOC中子输运计算并行效率优化研究

CPU-GPU异构系统为加速全堆芯特征线方法（MOC）精细计算提供了方法和思路。在实现基于CPU-GPU异构系统的二维MOC异构并行算法基础上，提出了性能分析模型，识别了影响异构并行算法并行效率的主要因素；针对识别到的性能影响因素，实现了输运计算与数据传递相互掩盖，提升了异构并行算法的整体并行效率。数值结果表明：程序具备良好的计算精度；数据传递（MPI通信和CPU与GPU之间的数据拷贝）是影响异构并行算法并行效率的主要因素；实现输运计算与数据传递相互掩盖后，程序性能和强并行效率均有所提升；5异构节点（包含20块GPU）并行时，程序整体效率提升达8%，强并行效率从87%提升到95%；相比CPU节点并行计算，4个CPU-GPU异构节点整体性能优于20个CPU节点。     

异构并行的高阶散射特征线方法及其在临界实验装置模拟中的应用

在临界实验装置的物理计算中,由于较厚水反射层的存在,中子各向异性散射会对计算结果有重要影响。基于P1各向异性散射特征线方法(MOC),开发了能够处理各向异性散射的特征线输运计算程序,并实现了高阶散射特征线输运计算的高性能异构并行。为确认程序对临界实验装置的物理计算精度,本文选取LCT011临界实验基准进行堆芯物理计算,并与蒙特卡罗程序进行对比验证。各向异性源使得计算量与内存消耗均有显著增加,给异构系统带来较大的显存负担,因此本文进而对高阶散射输运求解器进行性能分析。数值结果表明：在高阶散射计算条件下,程序可达到蒙特卡罗程序的同等精度,且具有较高的计算效率。     

燃料棒边缘效应下的子群共振计算方法研究

共振伪核素子群方法可用于处理燃料棒内部空间相关的共振干涉效应，然而该方法只能计算径向均匀核子密度的燃料棒问题，无法处理因边缘效应造成的径向核子密度非均匀分布的问题。针对此问题，基于改进的伪核素理论，提出了一种新的伪核素方法。计算结果表明，该方法解决了原始共振伪核素子群方法无法处理的边缘效应问题，相比于Bondarenko迭代法和干涉因子法，具有更高的精度。     

基于地统计空间插值的三维辐射场重构研究

针对源项未知情况下的三维辐射场获取问题，根据辐射场具有空间自相关性的特点，利用地统计空间插值中结合对数变换的普通克里金方法来进行辐射场重构。通过两个实测的辐射场数据集对该方法进行了测试，结果表明，该方法在选取Exponential模型或Spherical模型来进行半方差拟合，且测量点为随机选取的情况下，其重构结果平均偏差的平均值为21.51%～74.01%,证明了该方法在实际应用中具有一定的有效性和可行性。另外，对测量点分布情况与辐射场重构准确性之间的关系进行了初步分析，确定了测量点的分布应尽可能均匀的选取方案。     

MC法模拟计算有限介质双层材料γ照射量累积因子

基于Geant4模拟平台和有限介质模型,计算并建立了常见材料水、铁、铅和混凝土两两组合下的γ射线照射量累积因子数据库,对比分析了计算结果与通过可靠性较好的经验公式计算数据之间的差异,以及与目前常用的无限大介质模型下相应数据之间的不同。实验结果表明,对于文中算例,相比于无限大介质模型,有限介质模型下的累积因子数据,使得点核积分计算结果与Geant4模拟结果之间的偏差缩小了约15%,能够有效地提升γ照射量点核积分计算结果的准确性。