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。     

“华龙一号”反应堆精细化全堆芯大规模CFD数值模拟研究

精细化全堆芯大规模计算流体力学(CFD)数值模拟是"华龙一号"和数字化反应堆研究设计过程中的重要方法。本文通过一系列合理简化,建立了"华龙一号"反应堆全堆芯几何结构模型,并采取分组网格划分的方式对堆芯燃料组件进行离散,得到全堆芯CFD分析模型;通过精细化全堆芯大规模CFD数值模拟,可以获得堆芯完整流场分布特性和热工水力参数,验证"华龙一号"反应堆堆芯参数设计的合理性,为反应堆优化设计和安全运行提供参考。研究结果表明,由于"华龙一号"反应堆堆芯1/4对称结构和"三进三出"的1/3冷却剂进出口对称结构共同作用,堆芯流量分配因子在径向呈现先增加后减小的趋势,流量最大处不在堆芯正中心;在入口管嘴横截面上燃料组件最大温度约为331.2℃,温度分布不均匀,在径向总体呈现先增加后减小的趋势,最大温度区域也不在堆芯正中心,这与堆芯流量分配因子的趋势类似,是堆芯功率分布与冷却剂流量分配共同作用的结果。     

数值堆热工流体高精细并行模拟优化技术研究

热工流体模拟是数值反应堆的重要组成部分,高精细、大规模数值计算是实现高保真数值模拟的基础。使用计算流体力学（CFD）软件进行高精细、大规模数值模拟对计算资源和存储资源提出了巨大挑战,需依赖超级计算机并行实现。本文以基于谱元法求解N-S（Navier-Stokes）方程的数值方法为研究对象,针对区域分解和基于典型混合架构国产超级计算机的并行优化两个核心问题,提出了一种面向海量精细网格的混合并行递归谱二分法实现的大规模区域分解方法,建立了一套以小矩阵乘为核心的申威（SW26010处理器）众核架构并行优化技术。混合并行大规模区域分解方法在天河二号超算上进行测试,相比开源CFD软件Nek5000的串行区域分解模块性能提升约95%;面向申威的小矩阵乘优化在神威·太湖之光超算上进行测试,当谱元阶数达到24时性能提高约51.9%。两种技术均在中国数值反应堆核心软件CVR-PACA中得以应用。     

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。     

JMCT蒙特卡罗中子-光子输运程序全堆芯pin-by-pin模型的模拟

几何栅元数超过千万、计数达数十亿、模拟粒子数达数百亿规模的反应堆全堆芯pin-by-pin问题是目前国际公认的挑战计算机和计算方法的难题。由于巨大的数据量已超过单核内存的极限,必须进行空间区域分解和数据分解。本文利用基于JCOGIN实体组合几何框架自主开发研制的三维中子 光子输运蒙特卡罗程序JMCT,通过空间区域分解和嵌套并行,完成了对大亚湾核电站1号机组反应堆全堆芯pin-by-pin模型的建模和模拟,计算给出了每个pin的注量率分布及其误差。     

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。     

快堆全堆芯热工流体子通道并行模拟技术研究

采用简化堆芯模型的传统子通道模拟计算结果难以精确反映堆芯的真实运行状况,利用高性能计算技术进行全堆芯精确到每个真实流道的子通道模拟计算成为研究热点。本文抽象描述了快堆堆芯的基础几何结构,在此基础上提出了一种全堆芯子通道建模方法和一种自适应的并行任务划分方法。设计了广度优先划分算法和层次划分算法,实现了全堆芯子通道任意个数求解域的划分,自适应地映射到不同个数的计算核上,从而可利用PC、集群、超算等不同规模的计算资源开展全堆并行模拟。使用针对快堆模拟修改后的子通道模拟软件CTF进行验证,证明了建模方法对于快堆子通道模拟是有效的。基于本文方法在曙光先进计算服务平台上使用两种不同网格规模的算例进行了测试,两组测试最低并行效率在33.02%以上,证明了本文方法的有效性和可用性。     

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。     

基于计数器数据分解的RMC全堆燃耗计算研究

内存不足是蒙特卡罗方法大规模输运模拟的关键问题。对于反应堆燃耗分析,需在输运过程中统计大量反应截面数据,计算机内存限制了燃耗计算规模。本文基于反应堆蒙特卡罗程序(RMC),利用数据分解方法对计数器数据并行存储,并与点燃耗并行耦合,实现计数器数据分解和燃耗数据分解的综合并行方法。对全堆基准题进行数值测试,结果表明综合并行方法可明显降低计算内存,验证了数据分解对蒙特卡罗大规模燃耗分析的有效性。     

基于数字化反应堆物理计算程序SHARK的一步法输运计算方法研究

为建立基于数字化反应堆技术的新一代反应堆物理计算方法,实现数字化反应堆高保真建模、高分辨率高精度计算,基于数字化反应堆物理计算程序SHARK,开展了一步法输运计算方法研究,建立并比较了二维/一维方法及准三维特征线输运方法;基于空间区域分解及粗网有限差分(CMFD)的大规模并行加速技术,实现了棒状堆芯及板状堆芯的全堆规模一步法输运计算。数值结果与蒙特卡罗程序基准解相比,特征值偏差小于100pcm(1pcm=10^-5),最大棒功率、板功率偏差小于3%,验证了SHARK程序一步法输运计算方法具有良好计算精度,能够适用于棒状、板状堆芯等多应用场景。     

A CFD simulation process for fast reactor fuel assemblies

A CFD modeling and simulation process for large-scale problems using an arbitrary fast reactor fuel assembly design was evaluated. Three-dimensional flow distributions of sodium for several fast reactor fuel assembly pin spacing configurations were simulated on high performance computers using commercial CFD software. This research focused on 19-pin fuel assembly “benchmark” geometry, similar in design to the Advanced Burner Test Reactor, where each pin is separated by helical wire-wrap spacers. Several two-equation turbulence models including the k-? and SST (Menter) k-ω were evaluated. Considerable effort was taken to resolve the momentum boundary layer, so as to eliminate the need for wall functions and reduce computational uncertainty. High performance computers were required to generate the hybrid meshes needed to predict secondary flows created by the wire-wrap spacers; computational meshes ranging from 65 to 85 million elements were common. A general validation methodology was followed, including mesh refinement and comparison of numerical results with empirical correlations. Predictions for velocity, temperature, and pressure distribution are shown. The uncertainty of numerical models, importance of high fidelity experimental data, and the challenges associated with simulating and validating large production-type problems are presented.     

Transmission probability method based on triangle meshes for solving unstructured geometry neutron transport problem

In the advanced reactor, the fuel assembly or core with unstructured geometry is frequently used and for calculating its fuel assembly, the transmission probability method (TPM) has been used widely. However, the rectangle or hexagon meshes are mainly used in the TPM codes for the normal core structure. The triangle meshes are most useful for expressing the complicated unstructured geometry. Even though finite element method and Monte Carlo method is very good at solving unstructured geometry problem, they are very time consuming. So we developed the TPM code based on the triangle meshes. The TPM code based on the triangle meshes was applied to the hybrid fuel geometry, and compared with the results of the MCNP code and other codes. The results of comparison were consistent with each other. The TPM with triangle meshes would thus be expected to be able to apply to the two-dimensional arbitrary fuel assembly.     

压水堆燃料组件附加质量仿真研究

为了准确探究反应堆冷却剂与燃料组件间存在流固耦合行为对燃料组件振动特性的影响,本文采用计算流体动力学（CFD）软件Fluent平台,运用其中的动态网格技术,以压水堆燃料组件为研究对象,通过建立燃料组件模拟棒束、堆芯围板以及冷却剂模型,实现燃料组件与堆芯围板分别单独运动工况的燃料组件附加质量计算。结果显示：燃料组件运动工况下,燃料组件附加质量系数均值为2.4712;围板运动工况下,燃料组件附加质量系数均值为–3.4713,均与文献值偏差小于5%。叠加附加质量后,燃料组件振动频率计算值与水中振动试验测试结果偏差小于5%,验证了分析方法的合理性。本研究建立的仿真计算方法能够用于压水堆燃料组件附加质量计算。     

数值堆热工流体程序CVR-PACA验证及典型应用

谱元方法是一种高精度的数值计算方法,采用该方法开发了数值堆高精度热工水力并行CFD计算程序CVR-PACA。应用CVR-PACA对单棒光棒通道湍流流场、3×3光棒棒束湍流流场、Matis-H压水堆棒束通道基准题、19棒带绕丝组件通道湍流流场进行了仿真计算。通过与实验测量值对比,研究定量验证了大涡模拟(LES)模型及非稳态雷诺时均(URANS)模型对各类棒束通道流场预测的准确性。算例在建模过程中采用网格分裂技术实现了复杂几何的纯六面体网格划分,用于支撑谱元方法计算。研究较为全面地积累了高精度谱元方法模拟流场流动及换热的建模经验,获取了各类棒束通道内丰富的流动和换热细节,获得的建模经验能更加精准有力地指导相关设计的优化改进。     

Extension of Askew's Coarse Mesh Method to Few-Group Problems for Calculating Two-Dimensional Power Distribution in Fast Breeder Reactors

A few-group coarse mesh method has been developed for the calculation of power distribution in 2-dimensional geometry of a fast breeder reactor by extending Askew's one-group coarse mesh method. This method employs modified macroscopic cross sections including group-dependent corrections for coarse meshes of one point per hexagonal assembly and can be easily incorporated into conventional diffusion codes.

Results obtained in few-group 2-dimensional test cases on a prototype fast breeder reactor indicate that this method is as accurate as fine mesh calculations with six mesh points per assembly and the computing time is about ¼ of that of fine mesh calculations.     

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。     

气冷快堆燃料组件均匀化初步研究

气冷快堆是第4代核能系统候选方案之一,具有高温多用途、能增殖等优点。本工作以一气冷快堆的设计方案为研究对象,针对单组件模型和全堆芯模型,采用MCNP耦合ORIGEN的方法,计算了有关临界、燃耗过程的几个重要物理特性,比较了采用精细化结构和组件均匀化方法在计算精度、计算时间等的差别,说明了采用组件均匀化方法进行气冷快堆全堆燃耗计算的必要性和可行性。     

Comparison between triangular and hexagonal modeling of a hexagonal-structured reactor core using box method

A hexagonal-structured reactor core (e.g. VVER-type) is mostly modeled by structured triangular and hexagonal mesh zones. Although both the triangular and hexagonal models give good approximations over the neutronic calculation of the core, there are some differences between them that seem necessary to be clarified. For this purpose, the neutronic calculations of a hexagonal-structured reactor core have to be performed using the structured triangular and hexagonal meshes based on box method of discretisation and then the results of two models should be benchmarked in different cases.In this paper, the box method of discretisation is derived for triangular and hexagonal meshes. Then, two 2-D 2-group static simulators for triangular and hexagonal geometries (called TRIDIF-2 and HEXDIF-2, respectively) are developed using the box method. The results are benchmarked against the well-known CITATION computer code in case of a VVER-1000 reactor core. Furthermore, the relative powers calculated by the TRIDIF-2 and HEXDIF-2 along with the ones obtained by the CITATION code are compared with the verified results which have been presented in the Final Safety Analysis Report (FSAR) of the aforementioned reactor.Different benchmark cases revealed the reliability of the box method in contrast with the CITATION code. Furthermore, it is shown that the triangular modeling of the core is more acceptable compared with the hexagonal one.