Pin-by-pin堆芯计算栅元少群参数处理程序PINCK的研发

接口处理程序在反应堆物理“两步法”计算中起着连接组件计算和堆芯计算的桥梁作用,是反应堆物理计算中不可或缺的重要环节。为实现pin-by-pin堆芯计算,将栅元均匀化的截面参数提供给堆芯程序,设计开发了栅元少群参数处理程序PINCK。PINCK程序首先对不同分支的栅元参数进行预处理,得到不同分支的参数分量;然后,通过对参数分量进行关于状态变量的插值计算,得到参数分量的插值系数,即栅元参数库。通过对不同格式栅元参数库大小的比较,选择二进制格式作为栅元参数库的输出格式。通过分析程序计算时间,使用OpenMP对程序热点模块进行加速,16线程时,并行效率大于70%。通过使用压水堆组件对PINCK程序进行初步验证,表明PINCK程序的理论模型合理,计算结果正确。

核工程领域数值计算软件测试策略分析

在核反应堆的工程设计活动中,用于堆芯中子学性能分析、燃料元件性能分析、热工水力与安全分析等目的的一系列设计分析软件均发挥着至关重要的作用。为确保核安全相关计算机软件的正确性与可靠性,在其投入工程应用之前,必须开展严格的软件V&V工作。测试是软件V&V活动的重要内容之一,针对反应堆设计分析软件包含大量数值计算、流程复杂等特点,结合典型软件工程理论进行测试需求分析并选用合理的测试策略,从而有效提升软件质量。

堆芯中子学程序系统SARCS-4.0的开发及初步验证

开发了堆芯中子学程序系统SARCS-4.0,该程序系统能处理由任意方形燃料组件组成的堆芯;能计算铀钚、钍铀燃料循环;能计算硼、钆、铒、铪、银、铟、铕、钐等各类可燃毒物和含硼、铪、银-铟-铬、铕、镝等各类控制棒;具备堆芯核设计的基本功能。使用SARCS-4.0系统对超临界水冷反应堆(SCWR)堆芯进行计算以验证程序系统的计算准确性,结果表明,SARCS-4.0系统具有较高计算精度,该系统从功能上、精度上均适用于新型反应堆堆芯选型研究。

先进中子学栅格程序KYLIN-2的开发与初步验证

针对先进核反应堆中结构复杂的燃料组件,中国核动力研究设计院开发了先进中子学栅格中子学程序KYLIN-2,该程序采用子群方法进行共振处理,采用特征线方法(MOC)进行复杂几何中子输运计算,并利用采用广义粗网格有限差分加速方法(GCMFD)来加速中子输运求解流程,采用基于改进预估校正临界-燃耗迭代方法(PPC)的切比雪夫方法求解复杂燃耗链,同时,为了方便用户使用,开发形成了支持复杂组件图形化建模工具和后处理显示工具。通过初步的数值检验,针对典型压水堆燃料组件,KYLIN-2具有较高的计算精度,满足工程使用需求。

稳态堆芯多物理耦合系统CSSS V1.0的研发

充分考虑反应堆堆芯中子学物理、热工水力、燃料等专业的相互耦合过程,将先进节块法堆芯中子学计算软件NACK V1.0、热工水力子通道软件CORTH V2.0、燃料棒性能分析软件FUPAC V1.1进行集成耦合,得到稳态堆芯多物理耦合模拟设计分析系统CSSS V1.0,可计算典型压水堆的稳态运行物理、热工、燃料等专业参数。通过NEACRP-L-335压水堆基准问题验证计算,CSSS V1.0系统的计算结果与国际基准PARCS程序总体符合较好。

基于HDF5文件格式的KYLIN-2软件组件库

KYLIN-2是中国核动力研究设计院自主研发的先进中子学栅格(组件)计算软件,针对KYLIN-2软件中海量数据存储和处理的问题,提出一种基于对分层数据存储格式v5(HDF5)的计算数据存储方案。首先,对HDF5文件格式进行了研究;其次,根据KYLIN-2软件需求,设计了基于HDF5文件格式的组件库KYMRES;最后,通过自开发的HDF5文件读写工具完成了KYMRES库的实现过程。通过性能测试表明,基于HDF5文件格式的组件库KYMRES较常规存储方案具有更高的I/O效率,其读、写效率平均提升到旧算法的2.3倍和4.5倍。KYMRES库在海量数据存储和处理方面具有显著优越性,为KYLIN-2软件提供了一种新型的数据存储和管理方案。

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ输运模块并行优化开发

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ的输运计算模块采用了特征线中子输运计算方法,其计算精度较高,可适用于反应堆中复杂的燃料组件,然而当网格规模、能群数、特征线数较大时,计算时间较长,计算效率较低,因此需对其进行并行优化,以提高计算效率。通过性能分析,发现特征线扫描和高阶散射源计算较为耗时。本文通过基于MPI的能群并行、E指数优化、角通量球谐函数展开等方法实现了并行优化。基准题验证表明,并行优化计算精度较高,E指数优化对特征线扫描效率提升较好,角通量球谐函数展开对高阶散射源计算效率提升较好。经过优化后的KYLIN-Ⅱ的输运计算模块加速效果显著,可满足工程使用需求。

CEA93核数据库分析研究

对SCIENCE系统中的APOLLO2-F计算程序所用到的CEA93核数据库进行分析和研究,详细介绍该核数据库的结构特点以及维护方法,并与WIMS库进行比较。结果表明,CEA93库在结构上比WIMS库多一张索引表,使其具有读取快速的优点;通过job命令流对CEA93库进行维护更新,具有维护便捷、不易出错的优点。

“华龙一号”设计分析软件包NESTOR的研发与应用

在核电工程的开发与运行过程中,一系列反应堆系统专用设计分析与运行支持计算软件发挥着至关重要的作用。中核集团成功自主研发了核电专用设计分析系列软件包NESTOR,包含核反应堆物理设计软件、屏蔽与源项设计软件、热工水力与安全分析软件、燃料元件相关设计软件、系统与设备设计软件、核电厂运行支持软件、工程管理软件7个专业领域的软件。NESTOR软件具有优良的工程适用性、友好的用户交互方式、先进的计算支撑平台等创新性特点,覆盖了工程设计、安全分析与核电厂运行支持等核电工程关键环节。这些软件可用于"华龙一号"(HPR1000)等系列核电工程,解决三代核电机组出口面临的软件知识产权障碍,对外形成核电工程软件技术转让能力,是我国核电自主创新能力的重要体现。

核反应堆数字化仿真验证系统的研发

本文建立了核反应堆数字化仿真验证系统的总体设计方案,基于RELAP5程序开发了热工水力仿真模型,采用Matlab/Simulink工业组态软件构建了控制系统仿真模型,采用自主开发的ModelTool组态工具开发了仪控操纵与人机交互界面,从而构成了核反应堆数字化仿真验证系统。降负荷工况仿真测试结果表明,该系统能够实现核反应堆系统瞬态工况的仿真分析,并可用于仪控系统设计方案的验证与优化。

控制棒落棒时间分析软件CRAC的研发与验证

紧急停堆的落棒时间对反应堆安全至关重要。为适应华龙一号堆型的新型燃料组件设计,中国核动力研究设计院研制出一款落棒时间分析软件CRAC。采用一维流体力学公式结合经验机械阻力模型的方法,构建出CRAC软件理论框架,通过软件开发标准流程完成设计编码,并利用落棒试验数据开展了CRAC软件的验证。结果表明软件计算精度与保守性能满足华龙一号堆型安全停堆时间准则分析的需求。

超临界六角形双排燃料组件性能分析

利用物理-热工水力耦合计算程序系统(MCATHAS)分析2种六角形双排超临界燃料组件,充分考虑了超临界水冷堆(SCWR)中冷却剂、慢化剂轴向温度、密度的剧烈变化和功率分布的相互影响。计算结果表明,双排六角形组件具有均匀慢化和充分慢化性能,文中提出的D6-1型组件在仅采用一种燃料成分、不添加可燃毒物的情形下,其径向功率峰值因子低于1.10。另外,研究表明,由于组件间隙具有较大热周和较小流通面积,需要在实际工程应用中增加隔热涂层以降低组件外盒壁的导热率。

ARM计算环境下堆芯程序的移植

为了论证国产芯片在堆芯数值计算领域的可行性,对多个堆芯程序在飞腾处理器的ARM通用计算环境中进行了移植,涉及堆芯燃料管理软件的扩散原型程序NACK-R、子通道分析程序CORTH、特征线输运程序OpenMOC和堆芯组件程序KYLIN2。移植过程在ARM计算环境中通过合理的程序代码修订,去除对商业函数库的依赖,且在移植过程中对KYLIN2的特征线循环扫描计算过程引入OpenMP多线程并行,论证单结点多个飞腾处理器核心的并行能力。参照对象Intel商用处理器的频率约为飞腾处理器频率的2倍,堆芯程序移植后的串行运行效率与在Intel计算环境中的串行运行效率差异保持在3~4倍,受限于所使用飞腾处理器型号的缓存大小,部分数据量较大例题的性能差异可能更大。KYLIN2完成多线程并行后计算效率接近在Intel处理器上的串行效率,证明单结点多个飞腾处理器核心能够替换部分堆芯数值计算既有的应用场景。移植结果也表明,混合不同处理器的异构设计,能够在计算资源紧张的情况下充分利用国产硬件,提升计算环境的整体利用效率。

全堆芯燃料棒性能分析软件FUPAC-CORE的研发

燃料元件是核电站反应堆的核心部件,模拟燃料棒堆内热/力学行为的分析软件对于燃料棒的性能评价和设计准则验证具有重要意义。目前全堆芯燃料棒性能分析计算存在大量的手动工作,为实现全堆芯燃料棒性能分析自动计算,在燃料棒性能分析软件FUPAC的基础上,研发了全堆芯燃料棒性能分析软件FUPAC-CORE,通过计算数据前处理、执行调度、计算数据后处理3大模块,实现了上游中子学数据读取、不确定性分析、瞬态分析的自动化进行。突破了全堆芯输入文件自动生成、并发执行调度、海量数据三维可视化等关键技术。初步验证结果表明,FUPACCORE软件能够正确生成各燃料棒计算输入文件,计算结果符合预期,满足工程使用需求。

ARM计算环境下堆芯程序CORTH和KYLIN2的移植

为了论证国产芯片在堆芯数值计算领域的可行性,对子通道计算软件CORTH和堆芯组件程序KYLIN2的串行版本在飞腾处理器的ARM计算环境进行了移植。移植过程在ARM计算环境下通过合理的程序代码修订,去除对商业函数库的依赖,且在特征线循环结构的扫描计算过程引入OpenMP多线程并行。实验参照对象为频率两倍差异的Intel商用处理器。结果表明CORTH程序和KYLIN2均能够成功移植,且与Intel商用处理器的数值稳定性保持一致。计算效率方面CORTH程序移植后的串行效率与Intel计算环境差异较小;KYLIN2移植后的串行效率较低,但通过线程并行后计算效率接近Intel处理器的串行效率。移植结果论证集群系统这种混合国际和国内处理器的资源结构,能够在计算资源紧张的情况下充分利用国产硬件,提升计算环境的整体利用效率。

堆芯计算的框架方法及其原型软件NAC4R的设计

框架方法常常用于复杂软件的研制,为充分利用集群计算资源,减小堆芯并行计算软件的研制难度,该方法被引入至核动力工程软件的研发阶段。原型软件NAC4R被设计和编程实现,按照层次化结构提供串行环境和分布式内存环境下的基础数据操作、数值代数、图分区和线性方程组求解等功能,并使用解释型脚本语言来实现自动化控制。离散纵坐标法(SN)屏蔽输运程序Hydra-SN3D的并行算法在NAC4R内重新编程实现,通过统一的软件结构和共性计算的抽象来论证并行软件研制效率和计算效率的改善程度。数值实验表明,NAC4R使用之后样本程序的核心并行算法有了更进一步的性能提升和更简洁的数值程序编写流程。

反应堆中子学屏蔽计算软件Hydra-SN3D的改进

Hydra-SN3D是中国核动力研究设计院和西安交大联合研制的辐射屏蔽输运分析计算软件,采用S N数值方法求解稳态粒子输运方程,并在多种差分格式基础上使用KBA并行算法实现三维笛卡儿坐标系下结构化网格的MPI并行扫描计算。在软件的应用反馈及优化过程中,一方面对已有的前处理部分进行了更新,重新设计输入文件格式并采用混合编程等手段改进,提升软件的容错性;另一方面对Hydra-SN3D的菱形权重差分外推模型进行编程语言等价变换,优化软件结构来改进计算效率,并在整体MPI进程并行的基础上提出并实现新的多级并行算法。现阶段集成测试和数值实验结果确保了改进的正确性,在结构化网格条件下提升了整体计算效率一个数量级。

中子时空动力学内瞬态热工反馈计算的分析

以中子学计算为主干,采用隐式龙格库塔进行时间离散,粗网节块法进行扩散计算实现堆芯三维少群时空动力学的计算。在其瞬态计算过程中引入热工反馈计算进行截面更新,以逼近真实堆芯的瞬态行为。解读和分析对应的热工反馈计算部分,并通过福清机组的插棒提棒问题进行数值验证。结果表明引入的热工反馈计算在固定步长和自适应步长情况下与商业SMART软件的计算结果符合较好。

多线程并行在CHF一体化开发系统中的应用

CHF(Critical Heat Flux)一体化开发系统根据临界热流密度的实验数据与子通道计算进行相互对比和统计学分析,最终对CHF经验关系式进行修正和优化。由于CHF一体化开发系统的运行效率偏低,且反复调用子通道计算模块,所以引入多线程并行编程技术来加速计算。通过OpenMP和POSIX线程两种编程方案取得不同的加速效果,区别在于后者编程难度更大。19组实验数据问题的CHF一体化开发系统运行效率被提升5倍左右,接近加速的理论上限。

基于MOOSE框架的五方程两相流分析程序开发

基于多物理场耦合框架MOOSE,采用五方程两相流模型开发了模块化程序ZEBRA,实现了高阶时间、空间离散格式两相流动传热问题的求解。采用Bartolomei开展的垂直圆管过冷沸腾实验对ZEBRA进行验证,在不同热流密度、质量流密度、压力工况下,将程序计算值与实验值进行了数值验证和计算分析。结果表明:ZEBRA中五方程模型预测值与实验值符合良好,沸腾起始点和空泡份额的预测合理,表明ZEBRA初步具备了处理两相流问题的能力。