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核反应堆关键材料性能优化高性能数值模拟软件研发
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  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    TP319
  • 关键词:
  • 成果简介:
    核电安全性和经济性是全社会共同关心的问题。数值反应堆技术是利用超级计算机数字模拟技术,结合现有核电站设计、研究和运行经验,研究核电站物理、热工水力燃料、材料等行为,探索核电站燃料、材料、部件在核电站环境下的性能演化规律,对核电站关键设备进行数字验证,对全寿期核电站的安全性和可靠性作出评估,这对核电站的安全经济运行具有重要意义,借助于数值反应堆技术可为新型反应堆设计提供新方法。 数值反应堆是超级计算机的高性能计算与反应堆技术相结合,对各专业模块进行更深层次的高精度模拟,实现对所研究问题进行高精度分析,将各学科进行多物理一体化耦合,尤其是堆芯物理、热工水力和燃料性能模块,以提高整体计算精度,并改进计算分析流程。数字反应堆技术为核电站的设计、服役行为分析、老化管理等提供了强有力的手段。数值反应堆技术是核电技术研究的前沿领域,受到国际核能界的高度关注。 该课题以中国原子能科学研究院反应堆工程技术部杨启法副主任(原反应堆工程技术研究所常务副所长)为负责人,组织了国内相关研究领域的主要优势单位,充分发挥各家单位多年来在反应堆设计计算、材料辐照效应计算机模拟技术、专家数据库、大规模并行算法研究及实现与优化技术、并行软件工程、运行支持系统、并行编译系统、科学数据可视化等方面优势形成了具有雄厚研究实力和良好科研条件的研究团队,针对数值压水反应堆总体架构设计、关键部件材料性能优化软件系统研制及示范应用进行关键核心技术攻关,取得了重要的阶段性研究成果,为数字反应堆的进一步研发提供了坚实的基础。 创新点: 在国家863计划项目的支持下,该课题在国内开展了数值压水反应堆总体框架设计,通过各专业(物理、热工水力、燃料、结构力学、安全、材料等)之间耦合原则/规范的深入分析,初步形成了数值压水堆的总体架构,提出了数字反应堆的方案,方案得到了国际同行的认可。 材料性能模块是数值反应堆的重要模块以及重要组成部分,其中材料辐照损伤是材料服役性能退化的重要方式,是国际上数值堆材料模块研发的重点。制约材料辐照损伤精细模拟的关键是现有原子尺度模拟时空尺度的限制,空间上很难实现1012原子的模拟,时间上难以达到秒级的模拟。该课题基于嵌入式多尺度模拟方法,将原子尺度模拟方法MD和KMC耦合起来,通过势函数的优化以及设计新的数据结构,降低了MD模拟所需内存,提高了计算效率,在此基础上开发了具有自主知识产权的Crystal MD、Crystal KMC和Radieff程序。上述软件在“天河二号”和“神威·太湖之光”两台超级计算机上进行了测试,能高效使用10万处理器核,模拟规模均可达4×1012原子,并行效率超过30%,在国际上首次实现了基于EAM势的4×1012原子尺度的模拟,达到了国际先进水平。 该课题的创新点体现在:建立完整的数值压水堆领域模型,设计出具有高性能、可扩展、高可用的数值压水堆模拟环境总体框架,为建立完整的数值压水堆模拟环境奠定基础;开发具有自主知识产权的可支撑数十万核量级并行的材料性能优化模拟软件,在国际上首次实现101012个原子-秒量级的大规模数值模拟,并行效率超过30%;建立数值压水堆高可扩展共性算法库,主要包括材料性能优化算法(如MD、MC、RT、DD、PF)、粒子输运算法(Sn、MC)、热工水力算法(CFD)等;高效实现反应堆关键材料性能优化的多尺度模拟自适应共性算法(MD、MC、PF、RT等)。 学术成果及奖励: 课题组在课题执行的2年时间内总共发表论文26篇(其中6篇影响因子>3.6);获得软件著作权3项;技术报告10份。获国家超级计算广州中心颁发的“天河之星”优秀应用奖,课题的开展提升了我国高性能计算在核能领域的应用水平。
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