MCNP-4C多粒子输运蒙特卡罗程序的MPI并行化

MCNP程序是由美国Los Alamos国家实验室研制的一个大型、多功能的粒子输运蒙特卡罗程序，可计算任意三维复杂几何系统内的中子、光子、电子或中子-光子-电子耦合输运问题，还可计算临界系统的多种本征值问题。MCNP程序的用户遍及全球，国内用户保守估计也在百家以上，过去主要应用在核科学领域，如今已推广到包括医学在内的许多领域。由于蒙特卡罗计算具有数据独立、循环粒度大、负载均衡的特性。因此，很适合作并行计算。虽然从MCNP-4A程序开始，MCNP程序具有了PVM并行计算功能，但并行系统的开发一直存在这样那样的问题，以致无法正常运行。由于MCNP程序有巨大的计算需求和计算量，我们每年使用MCNP程序完成的计算量就超过万CPU小时。许多问题采用串行计算，时间周期太长。因此，迫切需要研究缩短计算周期的并行程序。

基于非结构网格粒子输运的蒙特卡罗模拟计算研究

传统的构造实体几何的建模方式不能满足复杂几何输运、多物理耦合计算和大尺度核辐射效应模拟等问题,目前MCNP程序允许在非结构化的网格下跟踪粒子,它是作为一个网格空间嵌入在传统的构造实体几何之中,非结构网格几何采用有限元程序ABAQUS创建,使用MCNP的径迹长度估计器计算非结构网格单元内的输运结果,并在非结构网格上执行单元对单元的跟踪,结果可以输出到ABAQUS或者Paraview进行可视化和其他物理分析。本文分析了两种典型的基准实验:Ueki固定源和Godiva临界源问题,模拟结果表明,UM几何的运行时间和与CSG几何的计算偏差与输入网格单元的数量、单元的阶数成正比,同样阶数的四面体比六面体结果误差更小,本文的非结构网格计算结果与传统的构造实体几何结构结果具有很好的一致性。

蒙特卡罗粒子输运程序JMCT研制

介绍了具有自主知识产权的蒙特卡罗(MC)粒子输运程序JMCT的初步研制成果。JMCT基于三维组合几何支撑软件框架JCOGIN,采用模块化,分成多层管理结构,可处理多群碰撞和连续能量碰撞,可进行粒子并行和区域分解并行两种并行方法,并具有良好的可扩展性和高速通信技术,同时配有可视化建模前处理软件。介绍了JMCT采用的多群物质碰撞机制,展示了程序模拟计算测试模型的结果,与MCNP程序计算结果一致。JMCT串行计算速度相比MCNP提高了约3倍;在20 480个处理器核上模拟2×109样本,并行效率可达70%。

MCNP-4C多粒子输运蒙特卡罗程序的MPI并行化

三维连续截面多粒子输运蒙特卡罗程序MCNP-4C-经过MPI并行改造,实现了MPI 并行化．采用分段随机数发生器,并行取得了与串行完全一致的结果,500个处理器的计算速度较串行提高了460倍,并行效率达到92％,可计算包括临界在内的多粒子输运问题．

JMCT3.0蒙特卡罗质子及低能光子/电子输运功能开发及检验

高分辨率通用型三维多粒子输运蒙特卡罗软件JMCT能够模拟任意复杂几何系统的中子/光子/电子/质子/分子/光辐射/大气输运问题,支持数十万核的多级并行,已广泛用于辐射屏蔽、反应堆临界安全分析、核探测及核医学等领域。JMCT已升级到3.0版本,相比2.0版本,3.0版本新增了13项功能,改进发展了8种算法,通过对低层JCOGIN框架的优化,计算效率提高30%~600%。新功能主要用于图像诊断、闪光照相、光辐射及大气输运的模拟。JMCT3.0开发了质子、低能光子/电子及分子模拟功能,通过基准检验,验证了算法的正确有效性。

三维多群P_5中子输运蒙特卡罗程序MCMG及检验

本工作介绍了自主开发研制的三维多群P5中子输运蒙特卡罗程序MCMG及从ENDF/B-Ⅶ库制作的47群P5中子截面库G47B7P5N。MCMG程序发展了针对物质的碰撞机制,适合ANISN格式和非标准ANISN格式的多群中子截面。程序计算了6个临界基准模型和2个外源问题,模拟取得了与实验和连续截面MCNP程序一致的结果,计算速度较MCNP程序提高3倍以上。

组合几何蒙特卡罗粒子输运支撑软件框架JCOGIN介绍

介绍了JCOGIN支撑软件框架层次式、模块化的体系结构及其核心数据结构。这些使得JCO-GIN软件框架能够支撑大规模复杂几何的蒙特卡罗(MC)粒子输运并行计算。同时介绍了在JCOGIN支撑软件框架下研发的JMCT程序,并进行了性能测试,在2万处理器核上模拟20亿粒子,并行效率达到70%。

三维多群中子输运蒙特卡罗程序MCMG-Ⅱ基准检验

三维多群P3中子输运蒙特卡罗程序MCMG通过版本更新和功能扩充，能够配备各种多群微观、宏观截面库，截面输入文件进一步简化，版本从Ⅰ发展到Ⅱ，参数更新到ENDF／B-Ⅶ库。程序发展了针对物质的碰撞机制，具有并行计算功能。对于12个临界基准问题和1个外源问题，MCMG-Ⅱ计算取得了与实验和连续截面MCNP-5程序一致的结果，计算速度较MCNP-5提高了3～6倍。

粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述

蒙特卡罗(MC)方法发展已有60多年历史,广泛应用于核科学及相关领域.MC方法超强的几何处理能力,使用精密的连续点截面参数,能够模拟各种复杂几何系统内的中子、光子、电子、α粒子、质子及其耦合输运问题.随着计算机的快速发展,通过大规模并行计算,MC方法及程序已成为模拟各种粒子输运问题的首选工具.

蒙特卡罗中子输运程序的MPI/OpenMP混合并行研究

消息传递/共享内存混合并行方法具有适应分布共享式集群计算机的发展趋势、有助于解决蒙特卡罗计算内存问题、改善并行性能等优势。本文基于一维中子蒙特卡罗输运程序,实现MPI/OpenMP混合并行,研究影响混合并行性能的因素,提出针对共享内存访问竞争、锁竞争、伪共享等问题的解决方法。测试结果表明,混合并行程序和纯粹MPI并行程序有相近的加速效果,同时大量节省了程序的内存使用,对于实现中子蒙特卡罗输运程序的大规模并行有重要意义。

蒙特卡罗粒子输运软件JMCT抽样工具库设计

为通用型蒙特卡罗粒子输运程序JMCT设计了抽样工具库,通过两种技术途径提供各分布的抽样。一是针对各种常见分布提供特定抽样子程序;二是提供一个通用型的抽样子程序,可以实现任意离散分布和任意一维有限区间上连续分布的自动抽样。在设计任意一维有限区间上连续分布的自动抽样工具时利用了部分开源代码,利用其功能提供给用户最大的方便性。对抽样工具库的检验表明,其可以正确、方便地实现各种输运模拟中常见分布的抽样。

蒙特卡罗粒子输运问题的全局降方差方法

精确获得中子通量的时间-空间-能量精细分布对于一类非定常粒子输运蒙特卡罗模拟至关重要.以零方差理论为基础,采取化整为零的策略,把蒙特卡罗方法与离散纵标方法相耦合,用近似重要函数指导蒙特卡罗模拟,给出一种实现蒙特卡罗全局降方差的计算方案.数值算例表明,该计算方案获得了全局降方差的效果.

非定常粒子输运蒙特卡罗散射源分层抽样方法(英文)

定常粒子输运蒙特卡罗并行计算是成功的,因为粒子游动是独立的,可以把模拟的粒子数等分到每个处理器去.然而,对非定常问题,由于每个时间步涉及散射源和几何网格的通讯,它严重的制约了并行规模,导致并行不可扩展.研究了两种算法,采用自适应分配处理器,提高了加速比和处理器的利用率;采用蒙特卡罗分层抽样大大降低了处理器之间散射源的通讯量,并行可扩展性显著改善,取得了理想的加速比.

基于CAD邻居列表和包围盒的蒙特卡罗粒子输运几何跟踪加速方法研究

几何跟踪主要进行蒙特卡罗粒子输运计算中粒子位置和径迹长度的计算，它是蒙特卡罗粒子输运计算的关键技术之一。由于聚变堆几何结构极其复杂，使得几何跟踪在整个蒙特卡罗粒子输运计算中占据30％~80％的计算时间，因此几何跟踪方法的效率是决定聚变堆蒙特卡罗粒子输运计算效率的重要因素之一。本文提出了基于CAD的邻居列表和包围盒加速方法，并基于 FDS 团队自主研发的超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统 SuperMC进行实现。利用聚变堆 FDS-Ⅱ和 ITER模型对本文方法进行了数值验证，测试结果表明本文方法不影响计算结果，并能使程序计算效率提高50％~60％，证明了本文方法的正确性和有效性。

基于计数辅助树的蒙特卡罗粒子输运计算大规模计数方法

传统的蒙特卡罗粒子输运计算程序在粒子每一步模拟结束后,通过遍历所有计数器来判断当前粒子所在栅元是否需要进行计数,该过程耗时随计数器数量的增加近似线性增长,当计数器数量较大时,计数耗时远高于输运耗时。本文发展了一种基于计数辅助树的大规模计数加速方法,建立了与几何栅元一一对应的树形结构,并在节点中存储了相应栅元的计数信息,通过当前粒子所在栅元的几何信息从树中快速读出对应的计数器。为了验证该方法的有效性,基于Hoogenboom全堆基准例题测量了不同计数器数量下的计算耗时。测试结果显示本文方法能有效地提高大规模计数问题的计算效率。

直接使用CAD几何的蒙特卡罗粒子输运方法研究

传统的蒙特卡罗程序通常使用构造实体几何(CSG)的方法进行几何建模。然而对于某些复杂的高阶曲面使用CSG进行精确建模非常困难且会耗费大量的时间。为解决这一问题,国际上提出了一种直接使用CAD几何建模的蒙特卡罗(DAGMC)方法来进行粒子输运计算。本文基于反应堆蒙特卡罗程序RMC,开发了使用CAD几何的DAG-RMC程序,并将DAG-RMC应用于方块组合体、燃料棒和犹他州茶壶3种模型的计算分析。结果表明:DAG-RMC的计算结果与传统CSG建模方法及OpenMC程序的结果符合良好,验证了DAG-RMC在粒子输运及临界计算中的正确性。

面向天河2A系统的基于蒙特卡罗方法的粒子输运异构协同计算

粒子输运模拟在核科学领域、医疗放射治疗领域中占有重要的地位。基于MC方法设计和开发了面向天河2A系统的粒子输运异构协同算法;基于天河2A系统的异构通信模式BCL和ACL,提出了一种CPU与加速器Matrix2000之间的简单高效的对称通信模式;在Matrix2000加速器端,通过OpenMP指令开发程序的线程级并行;优化了原MC程序串行数据收集通信模式,提出了新的二叉树通信模式,极大地减少了通信时间。实现的基于CPU/Matrix2000异构协同计算的并行程序,在天河2A系统上进行测试,大规模测试可以扩展到45万核,相对5万核并行效率保持在22.54%。

超级蒙特卡罗计算软件SuperMC2.0中子输运计算校验

超级蒙特卡罗计算软件SuperMC2.0是FDS团队开发的以蒙特卡罗方法为主的辐射输运计算软件。本文采用系列临界安全实验例题、中子积分泄漏率实验例题以及IAEA-ADS例题等对其中子输运计算功能进行了测试校验,并将SuperMC2.0计算结果与MCNP计算结果及实验值进行了比较。结果显示,SuperMC2.0与MCNP计算结果及实验值吻合良好,初步证明SuperMC2.0中子输运计算的正确性。

电子在材料中输运的蒙特卡罗模拟

介绍了电子输运问题的蒙特卡罗方法的基本原理和步骤。电子输运过程的模拟采用了“浓缩历史”蒙特卡罗方法 ,电子随机游动步长根据能量步划分 ,在每个电子游动步内 ,电子的能量损失为非辐射 (碰撞 )能量损失和辐射 (韧致辐射 )能量损失之和 ,其中非辐射能量损失通过对Landau公式的随机抽样得到 ,辐射能量损失以及韧致辐射光子的产生通过利用Bethe Heitler的随机抽样处理 ,在每个电子游动步结束时电子的出射角的抽样利用Gouddsmit Saunderson多重散射公式 ,电子 -电子的散射利用Moller截面公式进行抽样。

高能离子在材料中输运的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法对高能离子在材料中的输运进行了计算机模拟研究 ,入射高能离子与靶材料的作用近似为核散射和电子作用两个独立的部分 ,核散射能量损失采用经典两体碰撞近似 ,通过对碰撞参数的随机抽样得到散射角 ,电子能量损失高能时采用Bethe-Bloch公式 ,低能时采用Lindhard -Scharff公式 ,中能时采用插值公式。最后对高能铁离子入射于铝、硅材料的输运进行了模拟计算 ,给出了模拟结果并进行了分析。