数值核反应堆技术

第1章 引言
　　1.1 数值堆研究背景
　　核能作为一种清洁、安全和经济的新型能源，是解决能源危机与环境问题的有效途径。制约核电发展的关键是核反应堆的安全问题，1986年切尔诺贝利核事故、2011年日本福岛核事故，都引起了社会对核反应堆安全性的强烈关注。由于核反应堆相关实验复杂、周期长、成本高、敏感性强，完全通过实验来验证核反应堆设计的合理性和安全性还存在很大的困难，依托高性能计算(high-performance computing，HPC)技术，实现高保真、高精度的数值模拟就成了研究核反应堆的一条不可或缺的途径。基于超算和先进建模技术的数值堆，又称虚拟反应堆(virtual reactor，VR)就是在这样的背景下诞生的一个具有挑战性的研究领域。
　　数值堆是在超算上实现的核反应堆各种物理过程及其耦合高保真数值模拟、预测的软件系统。它是实际核反应堆“外在”和“内在”的镜像，是核反应堆设计、建安、运行、退役全周期从微观机理到宏观现象的研究平台。数值堆一经提出，就成为国际核工程领域的研究热点。目前，欧美发达国家均开展了数值堆相关研究，并取得了不错的进展。近十年来，美国先后启动了三个大型数值堆研究项目：轻水反应堆先进仿真联盟(consortium for advanced simulation of light water reactor，CASL)、核能先进建模与仿真(nuclear energy advanced modeling and simulation，NEAMS)、先进反应堆E级仿真中心(center for exascale simulation of advanced reactor，CESAR)。这些项目旨在针对现役轻水反应堆(light water reactor，LWR)和下一代反应堆的安全分析，发展面向E级超算([1][WA2]，即每秒百亿亿次浮点操作)，开展先进数值堆研究。
　　目前，CASL的部分成果已用于美国AP1000压水堆堆芯的模拟计算，进一步的NEAMS则开发了面向对象多物理耦合集成平台(multiphysics object-oriented simulation environment，MOOSE)，并在此基础上，从燃料产品线和反应堆产品线开展物理-热工-结构-材料-燃料的高精细多物理耦合模拟研究。欧盟从核反应堆安全出发，自2004年启动了核反应堆先进模拟(nuclear reactor simulation，NURESIM)系列项目，针对二代、三代、四代核反应堆，开展了核反应堆先进建模和多物理耦合模拟程序开发的研究，开发了一个用于轻水反应堆安全分析、运行和工程设计的综合集成应用平台SALOME。
　　我国在数值堆的研究方面紧跟国际热潮。国家高技术研究发展计划(863计划)课题“核反应堆关键材料性能优化高性能数值模拟软件研发”就是在以上背景下提出的，面向我国核能的安全高效发展，针对我国现役核电站的性能优化、延寿和运行安全等挑战性难题以及新堆自主创新设计等重大任务，明确我国数值堆的定义及其功能，研制核反应堆关键部件材料性能优化模拟软件；借助高性能计算，在核反应堆关键结构部件的性能退化机理、寿命预测以及材料性能优化技术等方面取得突破，特别是在P级计算机上实现了压水堆关键材料微观结构演化的1012个原子的微观尺度模拟，达到了国内领先、国际先进的水平，为我国数值堆发展奠定了基础。
　　随后，在863计划项目的基础上，国家重点研发计划“高性能计算”重点专项“数值反应堆原型系统开发及示范应用”进一步规划了我国数值堆的研究路线：以E级超算为依托，建立数值堆框架体系，明确各专业模块计算模型与算法及相互间的耦合规则和接口规范；研究面向E级超算的可扩展并行算法与优化技术；开发核反应堆物理、热工流体、结构力学、燃料元件性能分析和材料性能预测五套高精细模拟软件，以及它们之间的多物理、多尺度、强非线性和流-热-固耦合应用软件系统；研究模拟验证及置信度分析的方法和技术，开展软件系统验证和数值堆原型系统典型示范应用，实现多物理、多尺度、强非线性和流-热-固耦合与验证，建立国内首个面向核能行业开放共享的数值堆原型系统CVR1.0，并实现四代快堆和二、三代压水堆示范应用，如图1-1所示。
　　图1-1 数值堆原型系统CVR1.0开发及示范应用技术路线示意图
　　随着高性能计算技术和先进数学物理建模技术的发展，近几年数值堆技术的研究得到了快速发展，但由于数值堆的研发横跨核反应堆工程、高性能计算、软件工程等多个学科，建立功能完善、生产实用的新型数值堆系统，还是一个漫长的过程，需要攻克的数值堆关键核心技术还很多。
　　1.2 数值堆与高性能计算
　　数值堆中的各种计算过程(中子输运、热工流体、燃料及组件、结构力学、材料堆内行为等)的大规模、高精细模拟以及多尺度、强非线性耦合具有相当程度的复杂性，其计算量与存储量的需求十分巨大。因此，无论是在美国、欧洲还是在中国，模拟软件的建模、设计、开发、优化、验证等过程都是基于超算实现的。
　　超算计算能力的指数级提升(图1-2)及E级超算的建造，为开发计算复杂与内存资源需求巨大的数值堆模拟软件提供了可靠的硬件支撑。近年来，我国以神威、天河、曙光为代表的超算系统的计算能力已居世界领先地位。其中，神威 太湖之光超算以93PFLOPS的速度四次夺得全球超算排行榜TOP500(世界超算计算能力排行榜，每半年发布一次)的冠军。此外，我国有望在2023年前后推出世界各超算大国竞相争逐的E级超算，因此依托我国的超算优势建立数值堆原型系统CVR1.0也是必然的选择。
　　图1-2 全球超算计算能力的增长趋势①
　　面向超算的，特别是国产超算的高性能计算技术，是高性能数值堆模拟软件系统的技术保障。因此，需要针对应用模型的特点，设计面向大规模并行的数据结构、并行算法与并行通信策略；针对超算体系结构，设计访存模式、主从核通信模式等，并面向国产超算进行针对性优化[如从核移植、主从核通信优化、SIMD(single instruction multiple data)优化等]。这些技术是实现“驾驭”超算硬件、*大化利用超算计算资源和存储资源的核心手段，也是保障数值堆应用软件能够在超算环境下高效运行的有效方法。
　　面向E级超算平台，特别是国产超算，利用高性能计算技术，开展数值堆模拟系统的建模、设计、开发、优化与验证等工作，完成核反应堆中各物理过程及其耦合过程的大规模高保真精细化模拟计算与分析，是CVR1.0的实现途径，也是其必然的选择。
　　1.3 中国数值堆CVR1.0
　　CVR1.0的设计思想是瞄准应用需求，发挥超算优势，对标欧美典型的数值堆项目，如CASL、NEAMS、CESAR等，形成自主关键核心技术。核心工作包括：开发面向E级超算的核反应堆主要物理过程及其耦合的高保真模拟软件，利用核反应堆运行及实验数据进行验证与确认，*终实现快堆等四代核反应堆堆型的示范应用。
　　1.3.1 CVR 1.0组成与功能
　　正在开展和规划中的中国数值堆CVR(HPC-CVR)的核心软件谱系如图1-3所示，主要包括中子物理(输运、辐射屏蔽)、热工流体、结构力学、燃料性能、材料辐照损伤五大领域的计算软件，以及多物理耦合环境、反应堆系统分析软件包、E级数值堆验证与确认(verification and validation，V&V)框架等集成平台。图中实线框表示的软件为CVR1.0(CVR的初版)中已经开发完成并处于完善中的软件；虚线框表示的软件为CVR今后版本拟增的软件。
　　这个软件体系是开放的，随着核反应堆工程需求的不断出现，还会不断有新的软件增加进来。随着高性能计算技术的不断发展，以及E级超算的投产，软件也会逐渐实现版本的迁移。
　　图1-3 中国数值堆CVR软件谱系图
　　1.3.2 CVR 1.0技术特点
　　从整个CVR1.0的设计来看，它充分借鉴了国际上较为成熟的数值堆项目的经验，相比于目前国内的核能领域数值模拟软件有诸多不同，图1-4是CVR1.0的技术体系。
　　CVR 1.0的特点之一是它的紧耦合性。作为一个完整的数值堆软件系统，不同于现存的核反应堆各专业分别设计的模拟软件，它更强调统一的设计规范、统一的数据接口，更便于实现多物理过程的耦合，因此也就有更强的实用性。
　　CVR 1.0的特点之二是高性能。CVR 1.0是面向国产E级计算机设计的，以大规模、高精细模拟为出发点，从数学物理建模、并行算法设计、并行软件实现和优化到验证与确认，全流程完全针对国产超算系统结构。这完全不同于基于集群、服务器等中小型计算系统的模拟软件。由于超算计算资源和存储资源的丰富性，CVR 1.0可以实现空前规模的数值模拟。例如，分子动力学(molecular dynamic，MD)模拟可以利用国产神威超算的数百万核来处理千亿量级以上的原子运动，依然能保持极高的加速比。
　　图1-4 中国数值堆CVR 1.0技术体系
　　CVR 1.0的特点之三是高可信度。CVR 1.0是相当庞大的科学计算软件，其数据来源和形式、物理模型、设备种类都极其繁多，因此模拟的不确定度、结果的可信度都需要专门评估。得益于软件工程测试和验证技术的发展，CVR1.0以核能领域软件验证规范为基础，建立了验证与确认过程模型，采用了系统化测试与新兴测试技术相结合的方法，保证了代码实现的正确性和计算结果的精确性。
　　CVR 1.0的特点之四是具有很好的适用性。中子物理、热工流体、结构力学等的计算能力按照压水堆、快堆均能适用的原则来设计和开发。例如，中子物理的蒙特卡罗方法和特征线法计算程序，都能适应于不同堆型的堆芯几何形状，也能使用不同的近似方法更好地处理不同堆芯材料。再如，热工流体子通道计算可以分别支持压水堆和快堆中的结构化子通道形状，并且可与物理、耦合系统无缝对接。各种计算既能像传统核反应堆研究中的物理、热工、力学分析一样独立进行，也能适用于核-热耦合、流-热-固耦合等多因素强耦合的应用场景。

《数值核反应堆技术》介绍了我国自主研发的数值核反应堆原型系统CVR1.0的核心技术，包括数学物理建模、大规模并行算法与优化、软件实现及验证等。《数值核反应堆技术》内容充分反映了高性能计算与核反应堆技术紧密交叉的*新成果，并和欧美同类研究对标，具有前沿性。第1、2章综述数值核反应堆研究的现状和典型成果。第3章定量分析反应堆主要物理过程高保真数值模拟对计算资源和存储资源的需求。第4章介绍我国典型超级计算机的系统结构和编程技术。第5～10章介绍CVR1.0的关键核心技术、大规模并行软件系统的实现技术及具体算例。

目录
“数值核反应堆技术与应用”丛书序
前言
第1章 引言 1
1.1 数值堆研究背景 1
1.2 数值堆与高性能计算 3
1.3 中国数值堆CVR1.0 4
1.3.1 CVR 1.0组成与功能 4
1.3.2 CVR 1.0技术特点 5
第2章 数值堆研究综述 7
2.1 美国数值堆研究 7
2.1.1 CASL项目 7
2.1.2 NEAMS项目 10
2.1.3 CESAR项目 13
2.2 欧盟数值堆研究 14
2.2.1 NURESIM系列项目 14
2.2.2 “地平线2020原子能共同体”计划 18
2.2.3 反应堆关键材料性能模拟研究 19
2.2.4 法国电力软件集 22
2.2.5 中英合作INDE项目 22
2.3 中国数值堆的研究进展 23
2.4 本章小结 26
参考文献 26
第3章 数值堆对超算资源的需求分析 28
3.1 中子输运模拟的计算需求 28
3.1.1 特征线法计算流程 28
3.1.2 存储量 34
3.1.3 计算量 35
3.1.4 理想高精细模拟 36
3.2 热工流体的计算需求 37
3.2.1 子通道模型计算需求 38
3.2.2 CFD模型计算需求 43
3.3 结构材料多尺度模拟的计算需求 47
3.3.1 MD 48
3.3.2 KMC 50
3.3.3 团簇动力学 52
3.3.4 高精细模拟对超算的需求 56
3.4 燃料性能分析的计算需求 57
3.5 数值堆大数据的计算需求 59
参考文献 61
第4章 数值堆高性能计算技术基础 63
4.1 概述 63
4.1.1 高性能计算概述 63
4.1.2 超算发展路线 64
4.1.3 超算榜单 66
4.1.4 超算领域下一个角逐点：E级超算 67
4.2 国产典型超算架构 67
4.2.1 神威 太湖之光超算架构 68
4.2.2 天河系列超算架构 70
4.2.3 曙光超算架构 73
4.3 并行计算基本理论 75
4.3.1 并行环境下的体系结构 75
4.3.2 加速比性能模型相关概念 79
4.3.3 固定负载加速比性能模型——Amdahl定律 79
4.3.4 固定时间加速比性能模型——Gustafson定律 81
4.4 本章小结 81
参考文献 82
第5章 CVR数值堆数学物理建模技术 83
5.1 中子物理 83
5.1.1 特征线法 84
5.1.2 堆芯几何预处理 90
5.1.3 射线追踪原理 93
5.2 热工流体计算模型 101
5.2.1 子通道模型 102
5.2.2 CFD模型 113
5.3 核材料多尺度建模 121
5.3.1 多尺度建模技术简介 121
5.3.2 结构材料多尺度建模 122
5.3.3 原子尺度：MD 124
5.3.4 原子尺度：KMC 127
5.3.5 介观尺度：团簇动力学 131
5.4 燃料性能分析 138
5.4.1 中子物理模块 139
5.4.2 温度模块 141
5.4.3 力学模块 143
5.4.4 裂变气体释放模块 145
5.4.5 内压模块 145
5.4.6 包壳腐蚀模块 146
5.4.7 多棒性能分析 146
5.5 本章小结 146
参考文献 147
第6章 数值堆并行优化技术 151
6.1 CVR1.0材料辐照效应多尺度数值模拟并行优化技术 151
6.1.1 材料辐照损伤数值模拟并行优化概述 151
6.1.2 KMC并行算法优化 153
6.1.3 实验与性能分析 158
6.2 面向堆芯中子输运计算的内外层嵌套并行优化技术 160
6.2.1 中子输运特征线法与问题 160
6.2.2 特征线并行方法 160
6.3 面向堆内热工流体计算的并行优化技术 161
6.3.1 谱元法求解方法与问题 161
6.3.2 谱元法并行方法 162
6.3.3 实验与性能分析 164
6.4 本章小结 166
参考文献 167
第7章 数值堆多物理耦合模拟关键技术 169
7.1 多物理耦合的关键问题 169
7.1.1 松耦合与紧耦合 169
7.1.2 多物理耦合的网格映射 173
7.1.3 网格映射方式 173
7.1.4 数据交换 174
7.2 CVR1.0多物理耦合技术 174
7.2.1 流-热系统耦合 174
7.2.2 流-固系统耦合 179
7.3 本章小结 183
参考文献 184
第8章 数值堆软件的验证与确认技术 186
8.1 V&V过程及其关键问题 186
8.1.1 代码验证及其关键技术 188
8.1.2 解验证及其关键技术 190
8.1.3 确认技术及其关键技术 191
8.1.4 数值堆的V&V流程 192
8.2 验证技术及应用 193
8.2.1 算例测试 194
8.2.2 蜕变测试 195
8.2.3 精度修复 199
参考文献 201
第9章 数值堆大数据和人工智能技术 202
9.1 数值堆大数据概念及特点 202
9.2 超算、人工智能、大数据在数值堆中的融合应用 205
9.2.1 数值堆研究相关的智能技术 205
9.2.2 超算、人工智能、大数据融合应用框架 207
9.2.3 数值堆领域的SC+BD+AI融合框架 208
9.3 金属燃料辐照损伤行为的SC+BD+AI智能化预测 209
9.3.1 金属燃料智能化耦合模拟预测平台 209
9.3.2 SC+BD+AI融合的金属燃料辐照损伤行为的智能化分析路线 211
9.4 本章小结 212
参考文献 212
第10章 CVR1.0典型软件系统的设计与实现 213
10.1 三维特征线中子输运模拟软件的设计与实现 213
10.1.1 ANT-MOC预处理 213
10.1.2 三维射线追踪实现 217
10.1.3 并行算法实现 225
10.1.4 算例 230
10.2 CVR1.0热工流体模拟系统的实现与应用 235
10.2.1 CVR-PASA：压水堆子通道热工流体模拟系统的实现 235
10.2.2 CVR-PACA：基于谱元法的热工流体模拟系统的实现 246
10.2.3 算例 253
10.3 本章小结 258
参考文献 258