确定论数值反应堆程序NECP-X的开发及应用

数值反应堆是基于大规模并行计算平台,利用先进的物理模型和数值模拟算法,采用精细化建模,从而精确模拟反应堆在正常运行与事故工况中发生的各类物理现象的模拟技术。西安交通大学NECP团队基于自研的多群和连续能量数据库,提出了全局 局部耦合输运计算方法、大规模并行的2D/1D耦合输运方法等,开发了基于确定论方法的数值反应堆物理程序NECP X,并在此基础上实现了物理 热工 燃料性能分析的多物理耦合模拟计算。基于该程序及其耦合系统,在商用大型压水堆、研究堆和实验堆中进行了验证应用。数值结果表明,NECP X程序及其耦合系统可准确预测反应堆在运行过程中的关键安全参数随时间的演变情况,如有效增殖因数、功率、温度、应力、间隙宽度等,可为商用大型压水堆、研究堆和研究堆的设计及安全分析提供可靠的工具。     

基于反应堆多物理耦合框架并行网格映射的实现与效率分析

反应堆精细化物理热工耦合计算可以更准确地模拟堆芯行为,但现有分析程序对不同物理场进行计算时,采用不同的离散格式和网格划分,从而导致各个物理场之间离散变量的传递需要复杂网格映射关系,特别是全堆芯精细化建模,其大规模网格映射将影响耦合系统的求解精度与效率。本文基于自主研发的多物理耦合框架MORE,以及集成于MORE的热工水力子通道软件CORTH、蒙卡程序RMC,采用区域分解并行网格映射的方法,实现了全堆芯精细网格的物理热工耦合计算,百万级的结构化网格与非结构化网格映射,20个核并行映射时间最少为8 s,最高并行映射效率为10个核并行所达到的77.96%,提升了耦合计算效率。     

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。     

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。     

金属燃料变形多物理效应分析

针对金属燃料的显著辐照肿胀变形,开发基于紧密多物理耦合计算的数值燃料棒模型及相应程序YUAN。YUAN是一个通用的燃料棒多物理数值模拟平台,可在燃耗过程中基于独特的浮动网格耦合地求解中子学、热工水力、机械力学问题,模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为。利用YUAN对典型金属燃料进行模拟,分析金属燃料由于变形产生的多物理效应对传热、中子学的影响。     

基于统一框架的多物理耦合方案研究与平台开发

为实现反应堆多物理、多过程、高保真数值计算,捕捉堆芯内部更真实的物理学行为,本文深入研究了多物理程序耦合方案,并基于上层监控架构、串行计算模式、网格一一映射的显式耦合方案,依托开源集成平台SALOME、通用平台接口ICoCo、三维堆芯中子学程序ADPRES和系统热工水力程序RELAP5搭建了基于统一框架的多物理耦合平台。经NEACRP-L-335压水堆弹棒基准题验证表明,耦合平台计算结果与基准例题吻合良好,耦合平台在功率峰捕获上更加准确,可释放部分安全裕量;对瞬态末各参数的计算结果也有足够高的精度,证明了耦合平台可对反应堆多物理、多过程耦合工况进行更精细、更深入的数值计算与安全分析。      

热管反应堆多物理耦合平台初步研究

为实现高精度、高置信度的核能系统先进数值模拟技术,探究核能系统内部真实的物理过程,本文开发了中子物理-固体导热-应力分析的三维高精度核热固多物理耦合计算平台MPCH,可开展核反应堆的中子输运、热扩散和热膨胀的多物理耦合计算。该程序基于Picard迭代的外耦合框架,整合了开源蒙特卡罗程序OpenMC、有限元程序Nektar++和SfePy。本文以新型空间热管反应堆KRUSTY为对象,在核热固耦合的计算框架下对其进行计算分析。多物理耦合计算结果表明,该耦合平台能够有效预测KRUSTY反应堆的有效增殖因子变化、功率分布、温度分布及热膨胀现象;在4 kW的堆芯热功率下,全堆局部温差为21.6K,热应力导致的形变率为2.47%,核热固耦合的作用会使堆芯的温度分布更加均匀。该多物理耦合计算程序的设计对新堆设计、研发和校核具有重要作用。      

多区域耦合PGMRES算法用于加速区域分解并行矩阵MOC方法

研究了空间区域分解并行矩阵特征线方法(MOC)及相应的多区域耦合并行广义极小残差法(PGMRES)加速算法。该算法基于PETSc并行数值库,直接耦合求解内边界角通量,可大幅提高收敛效率。数值验证结果表明,多区域耦合PGMRES算法具有较高的计算精度和良好的加速效果。     

基于CFD方法的核动力系统热工安全特性研究进展

西安交通大学核反应堆热工水力团队（XJTU-NuTheL）长期致力于计算流体动力学（CFD）方法的核动力系统高精度热工水力模型开发及应用方面的研究。近些年,团队在单相CFD工程应用、两相CFD模型开发、大涡模拟（LES）及直接数值模拟（DNS）高性能并行计算、跨尺度多物理场耦合等方面取得了系列研究成果。主要包括：构建了核反应堆压力容器、蒸汽发生器、非能动余热排出系统换热器等核动力系统关键设备的三维多孔介质热工水力计算模型,建立了复杂物理现象及运动瞬变工况下的两相CFD数学物理模型,开发了CFD程序与核反应堆系统程序、堆芯子通道程序之间的跨尺度耦合以及与中子物理、力学程序之间的多物理场耦合分析平台。本文将重点阐述XJTU-NuTheL基于CFD方法在核反应堆热工水力研究方面的最新成果及进展,并提出CFD方法在核反应堆工程领域应用的主要挑战及发展方向,旨在促进CFD方法更好地服务于核动力系统设计与运行安全分析。     

光子-电子耦合输运问题中的方差减小技巧

光子-电子耦合输运问题在粒子输运问题中占有相当比重，在实验核物理和反应堆物理中大量存在。由于光子（或电子）入射到系统后，其输运过程是光子-电子的耦合输运过程，对于如此复杂的问题使用数值方法无法解决，蒙特卡罗方法是最行之有效的方法。对于两种粒子的耦合输运问题，使用蒙特卡罗方法模拟时，采用“字典编辑式多分支”方法处理。由于该模拟过程非常复杂，国内外相关软件（如MCNP，EGS4等）均使用直接模拟方法模拟，尚未使用减小方差技巧。     

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。     

Adaptive burnup stepsize selection using control theory for 2-D lattice depletion simulations

A control theory approach is adopted to determine the temporal discretization during two-dimensional lattice physics depletion simulations. Two primary applications of automated and adaptive stepsize control are identified: (i) the presence of strong absorbers such as gadolinium, where the accurate burnout of the isotopes requires a depletion stepsize smaller than typically required, and (ii) high fidelity multiphysics simulations, e.g. loosely coupled physics, where the coupled physics are nonlinear in time and stepsize changes may be necessary to obtain an accurate coupled solution. A conventional predictor–corrector method is used to address the nonlinearity of the nuclide transmutation and neutron flux. An adaptive stepsize method is developed based on monitoring the one-group scalar neutron flux at both the predictor and corrector steps to approximate the convergence residual of the nonlinear solution. A user-specified tolerance on the L² relative error norm of the scalar neutron flux is utilized by the stepsize controller. Controllers that include integral, proportional, and/or derivative components are investigated and parameterized using Latin hypercube sampling of the controller input parameters. Three distinct fuel loadings of pressurized water reactor 17 × 17 fuel pin assemblies are considered, including no burnable absorbers, Integral Fuel Burnable Absorber, and gadolinium fuel pins. The required depletion stepsizes, as predicted throughout the cycle by the controller, are compared with a very small stepsize (0.01 MW d/kgHM) reference solution and a solution obtained by a typical rule of thumb depletion stepsize sequence.     

中子输运蒙特卡罗模拟的区域分解方法研究

蒙特卡罗模拟方法在反应堆物理分析中的发展和应用受到计算机内存不足的限制,区域分解是一种解决方法。本文将区域分解方法应用于中子输运蒙特卡罗模拟过程,基于反应堆蒙特卡罗程序RMC,实现区域分解基本功能,并测试、分析了其并行性能。结果表明,负载均衡与通信性能是影响区域分解方法的关键因素。对区域分解方法的结果可重复性问题进行了研究,提出对源中子进行排序的实现方法。     

基于SARAX/DAKOTA的快堆设计多目标优化框架开发与验证

与具有大量运行经验、设计目的相对单一的压水堆相比,快堆设计经验少、设计目的更复杂,难以直接使用经验方法实现考虑多目标、多约束的堆芯设计以及布料方案的优化。本文将遗传算法用于快堆设计的多目标优化问题,对传统的遗传算法在编码方案和多目标的处理上进行了改进,使用中子学分析软件SARAX与优化工具箱DAKOTA搭建了针对快堆设计与布料方案优化的框架,并进行了功能上的验证和实际问题的应用。     

Research on optimization design of PWR flow distribution device based on numerical simulation

ABSTRACT

In the lower chamber of pressurized water reactor (PWR), the flow distribution device is the core module to distribute coolant into the core. It has complex structure and numerous design parameters. Therefore, it has important theoretical and practical significance to optimize the device. The mesh independence verification, turbulence model selection, and data processing all can influence the numerical simulation results of the lower chamber, in order to research the influence, a numerical simulation method based on the original model of CNP1000 reactor lower chamber is proposed in this paper. In the method, an optimization design method of flow distribution device is established based on surrogate model. The main design variables and optimization objectives are determined based on the device’s structure and function characteristics. And then it respectively adopts Kriging algorithm and multi-objective genetic algorithm to establish a surrogate model of flow distribution device and optimize it globally. Finally, the optimal design variables are obtained. Compared with the device’s performance before optimization, the after optimization has smaller total pressure loss and more uniform flow. The effectiveness and practicability of proposed optimization design method can be verified.     

Explicit structure-preserving geometric particle-in-cell algorithm in curvilinear orthogonal coordinate systems and its applications to whole-device 6D kinetic simulations of tokamak physics

Explicit structure-preserving geometric particle-in-cell(PIC) algorithm in curvilinear orthogonal coordinate systems is developed. The work reported represents a further development of the structure-preserving geometric PIC algorithm achieving the goal of practical applications in magnetic fusion research. The algorithm is constructed by discretizing the field theory for the system of charged particles and electromagnetic field using Whitney forms, discrete exterior calculus, and explicit non-canonical symplectic integration. In addition to the truncated infinitely dimensional symplectic structure, the algorithm preserves exactly many important physical symmetries and conservation laws, such as local energy conservation, gauge symmetry and the corresponding local charge conservation. As a result, the algorithm possesses the long-term accuracy and fidelity required for first-principles-based simulations of the multiscale tokamak physics. The algorithm has been implemented in the Sym PIC code, which is designed for highefficiency massively-parallel PIC simulations in modern clusters. The code has been applied to carry out whole-device 6 D kinetic simulation studies of tokamak physics. A self-consistent kinetic steady state for fusion plasma in the tokamak geometry is numerically found with a predominately diagonal and anisotropic pressure tensor. The state also admits a steady-state subsonic ion flow in the range of 10 km s~(-1), agreeing with experimental observations and analytical calculations Kinetic ballooning instability in the self-consistent kinetic steady state is simulated.It is shown that high-n ballooning modes have larger growth rates than low-n global modes, and in the nonlinear phase the modes saturate approximately in 5 ion transit times at the 2% level by the E × B flow generated by the instability. These results are consistent with early and recent electromagnetic gyrokinetic simulations.     

基于统计抽样的压水堆燃料组件性能分析不确定度量化研究

为能在给出数值模拟结果的同时提供置信区间,本文开展了压水堆燃料性能分析、组件燃耗和热工水力学分析计算的不确定度量化研究。采用西安交通大学自主开发的不确定度分析程序平台NECP UNICORN,分别耦合了轻水堆燃料性能分析程序FEMAXI、压水堆群常数计算程序NECP Bamboo Lattice和热工水力子通道程序CTF。首先针对不同物理过程的特点,分析需要考虑的不确定度来源。然后针对核数据协方差矩阵稀疏且不满秩的特点,应用COST方法以减少样本量。结果表明,对于燃料性能分析,边界条件、几何参数和材料性质对燃料中心温度有显著影响。对于燃耗过程,核数据和几何参数对特征值、功率分布、两群常数和核子密度的不确定度有显著影响。对于热工水力分析过程,边界条件、几何参数和模型系数对冷却剂温度和包壳温度的不确定度有较大影响。针对每种物理场,分别量化其输入输出参数的不确定度,对于后续量化复杂系统多物理耦合过程的不确定度具有重要意义。     

NECP-X的多重并行策略及效率优化

特征线方法在应用于全堆芯三维输运计算时面临着计算时间长、内存需求量大的问题,而大规模并行是最有效的解决办法。我国超级计算机的快速发展使大规模并行计算逐渐成为可能,而如何发展相应的并行算法成为当务之急。本文基于数值反应堆物理计算程序NECP-X研究特征线方法的空间、角度和特征线多重并行策略。为实现高效并行,空间并行采用了区域分解的并行方式;为充分考虑角度并行的负载平衡,采用了“贪婪算法”角度区域分解算法;为节省内存和提高效率,应用并分析了共享式内存并行模式下动态调度的特征线并行方案。数值结果表明,NECP-X中的空间、角度和特征线并行效率较高,可充分利用并行资源,实现大规模并行。