【摘要】：針對(duì)矩形幾何的堆芯設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一批精度高、功能齊全的輸運(yùn)計(jì)算程序,而針對(duì)六角形幾何堆芯的高精度輸運(yùn)計(jì)算程序發(fā)展相對(duì)滯后。本論文開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)六角形幾何堆芯的高精度全堆輸運(yùn)計(jì)算程序。由于六角形堆芯幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,本文采用了特征線輸運(yùn)方法作為輸運(yùn)計(jì)算程序的理論模型。特征線輸運(yùn)方法雖然具有幾何處理能力強(qiáng)的特點(diǎn),但是計(jì)算速度慢,無(wú)法滿足工程應(yīng)用的需求。為了提高特征線輸運(yùn)方法的計(jì)算速度,本文結(jié)合六角形堆芯的幾何特性提出了“柵元重組”的粗網(wǎng)有限差分(CMFD)加速手段。為進(jìn)一步提高計(jì)算速度,本文將GPU并行計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到所開(kāi)發(fā)的特征線輸運(yùn)程序中并提出CMFD與GPU并行計(jì)算混合的加速模式,顯著提高特征線輸運(yùn)計(jì)算速度。在提高精度方面,準(zhǔn)確的多群截面是所有分群輸運(yùn)模型的計(jì)算基礎(chǔ),而共振核在共振能區(qū)多群有效截面的計(jì)算(共振計(jì)算)一直是堆物理計(jì)算領(lǐng)域的難題,針對(duì)傳統(tǒng)共振計(jì)算方法計(jì)算精度不高、處理組件非柵格效應(yīng)能力差的缺點(diǎn),本論文提出了改進(jìn)的Stamm’ler方法和簡(jiǎn)化的共振干涉因子,在保證較好計(jì)算精度的同時(shí),還使共振計(jì)算流程更加簡(jiǎn)潔。首先,基于計(jì)算精度、幾何處理能力以及并行計(jì)算可能性上的考慮,本文選用了特征線輸運(yùn)計(jì)算方法(Method of Characteristics),并開(kāi)發(fā)了一套基于六角形幾何的全堆特征線輸運(yùn)計(jì)算程序。在程序中,使用了模塊化特征線(Modular Ray Tracing)的幾何處理方法。模塊化特征線方法既保證了組件內(nèi)幾何處理的任意性,同時(shí)又通過(guò)避免計(jì)算和保存重復(fù)結(jié)構(gòu)的組件內(nèi)特征線幾何信息而降低對(duì)計(jì)算與存儲(chǔ)資源的占用,為將特征線方法應(yīng)用到大型反應(yīng)堆的堆芯物理計(jì)算上提供了便利。本程序在特征線的追蹤過(guò)程中使用了線性源近似,線性源近似已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中被證明在慢化劑密度劇烈變化情況下具有更高的計(jì)算精度。為了驗(yàn)證本程序開(kāi)發(fā)的可靠性以及計(jì)算精度,本文提出了一個(gè)六角形幾何小堆基準(zhǔn)問(wèn)題,并給出了參考解。通過(guò)與一系列參考問(wèn)題的比較,所開(kāi)發(fā)的輸運(yùn)程序在基準(zhǔn)問(wèn)題驗(yàn)證中,最大棒功率誤差約1%,本征值誤差3pcm以內(nèi)。輸運(yùn)方法計(jì)算量很大,計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)。本文通過(guò)引入粗網(wǎng)有限差分(Coarse Mesh Finite Difference,CMFD)方法,從而在算法上實(shí)現(xiàn)對(duì)特征線輸運(yùn)方法的加速。CMFD方法作為一種有效的源加速手段,已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各類輸運(yùn)計(jì)算程序。但是,在六角形組件的邊界上往往存在非規(guī)則的多邊形柵元,這就導(dǎo)致全堆CMFD網(wǎng)格的中子平衡方程組難以采用求解三對(duì)角方程組的簡(jiǎn)單解法通過(guò)對(duì)各方向的逐行掃描來(lái)求解。為了維持三對(duì)角方程組的簡(jiǎn)單求解形式,本文采用了非規(guī)則結(jié)構(gòu)的CMFD中子平衡方程,并通過(guò)合并非六角形柵元的方法重新組合網(wǎng)格。通過(guò)以上改進(jìn)的CMFD加速方法加速效果在10-15倍左右。其次,為了進(jìn)一步提高輸運(yùn)程序的運(yùn)行速度使之達(dá)到工程實(shí)用的實(shí)際需求,本論文還研究了基于硬件的加速手段,即利用電腦的圖形處理單元(Graphics Processing Unit,GPU)的強(qiáng)大并行計(jì)算能力進(jìn)行中子輸運(yùn)計(jì)算。在具體實(shí)踐過(guò)程中,本文使用了NVIDIA公司開(kāi)發(fā)的并行計(jì)算程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)CUDA,并且在實(shí)際應(yīng)用中獲得了滿意的加速效果。同時(shí),本文將CMFD方法的算法加速和GPU并行計(jì)算的硬件加速手段結(jié)合使用,最終在小堆問(wèn)題上獲得了高達(dá)數(shù)百倍的計(jì)算效率提升。最后,本論文采用Stamm’ler方法與改進(jìn)中子流方法相結(jié)合的方式進(jìn)行共振計(jì)算,并對(duì)Dancoff因子的具體應(yīng)用方法進(jìn)行了改進(jìn)�；跓o(wú)限柵格模型推導(dǎo)的Stamm’ler公式可以顯式的表達(dá)為Dancoff因子的函數(shù),而中子流方法正好可以通過(guò)簡(jiǎn)單的手段對(duì)非柵格效應(yīng)強(qiáng)的燃料組件計(jì)算燃料棒Dancoff因子。通過(guò)二者的結(jié)合避免了Stamm’ler方法中的碰撞幾率計(jì)算,又獲得了具有非柵格效應(yīng)的Dancoff因子。為了更精確地考慮共振核之間的共振干涉效應(yīng),本文提出了一種簡(jiǎn)單、易行的共振干涉因子制作方法,共振干涉修正因子可以表示成核密度比例和本底截面的函數(shù)。本文建立了主要共振核U-238與其它主要鈾、钚同位素之間的相互共振干涉因子表。通過(guò)一系列的基準(zhǔn)問(wèn)題的計(jì)算驗(yàn)證表明,本論文提出的共振截面處理方法的本征值誤差在100pcm左右,主要共振核有效截面誤差2%以內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL351.1
【圖文】：

圖 1-1 常規(guī)六角形組件Fig. 1-1 Regular hexagonal assembly利用計(jì)算機(jī)硬件資源也是提高輸運(yùn)計(jì)算程序速度的一大途徑。近年(GPU)的不斷發(fā)展，針對(duì) GPU 并行計(jì)算的研究獲得了重大突破。

圖 1-2 TESLA 系列計(jì)算卡Fig.1-2 TESLA Graphics Processing Card 生產(chǎn)之初的目的是輔助 CPU 完成圖像處理工作。隨著圖像顯示領(lǐng)域的，GPU 已經(jīng)從由若干專用固定功能單元組成的專用并行處理器，發(fā)展

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本文編號(hào)：2738262