發(fā)布時間：2020-07-02 13:49

【摘要】：針對矩形幾何的堆芯設(shè)計,國內(nèi)外已經(jīng)有一批精度高、功能齊全的輸運計算程序,而針對六角形幾何堆芯的高精度輸運計算程序發(fā)展相對滯后。本論文開發(fā)了一款針對六角形幾何堆芯的高精度全堆輸運計算程序。由于六角形堆芯幾何結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,本文采用了特征線輸運方法作為輸運計算程序的理論模型。特征線輸運方法雖然具有幾何處理能力強的特點,但是計算速度慢,無法滿足工程應(yīng)用的需求。為了提高特征線輸運方法的計算速度,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。為進一步提高計算速度,本文將GPU并行計算技術(shù)應(yīng)用到所開發(fā)的特征線輸運程序中并提出CMFD與GPU并行計算混合的加速模式,顯著提高特征線輸運計算速度。在提高精度方面,準確的多群截面是所有分群輸運模型的計算基礎(chǔ),而共振核在共振能區(qū)多群有效截面的計算(共振計算)一直是堆物理計算領(lǐng)域的難題,針對傳統(tǒng)共振計算方法計算精度不高、處理組件非柵格效應(yīng)能力差的缺點,本論文提出了改進的Stamm’ler方法和簡化的共振干涉因子,在保證較好計算精度的同時,還使共振計算流程更加簡潔。首先,基于計算精度、幾何處理能力以及并行計算可能性上的考慮,本文選用了特征線輸運計算方法(Method of Characteristics),并開發(fā)了一套基于六角形幾何的全堆特征線輸運計算程序。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,同時又通過避免計算和保存重復(fù)結(jié)構(gòu)的組件內(nèi)特征線幾何信息而降低對計算與存儲資源的占用,為將特征線方法應(yīng)用到大型反應(yīng)堆的堆芯物理計算上提供了便利。本程序在特征線的追蹤過程中使用了線性源近似,線性源近似已經(jīng)在實際應(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算精度。為了驗證本程序開發(fā)的可靠性以及計算精度,本文提出了一個六角形幾何小堆基準問題,并給出了參考解。通過與一系列參考問題的比較,所開發(fā)的輸運程序在基準問題驗證中,最大棒功率誤差約1%,本征值誤差3pcm以內(nèi)。輸運方法計算量很大,計算時間很長。本文通過引入粗網(wǎng)有限差分(Coarse Mesh Finite Difference,CMFD)方法,從而在算法上實現(xiàn)對特征線輸運方法的加速。CMFD方法作為一種有效的源加速手段,已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各類輸運計算程序。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角方程組的簡單解法通過對各方向的逐行掃描來求解。為了維持三對角方程組的簡單求解形式,本文采用了非規(guī)則結(jié)構(gòu)的CMFD中子平衡方程,并通過合并非六角形柵元的方法重新組合網(wǎng)格。通過以上改進的CMFD加速方法加速效果在10-15倍左右。其次,為了進一步提高輸運程序的運行速度使之達到工程實用的實際需求,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)的強大并行計算能力進行中子輸運計算。在具體實踐過程中,本文使用了NVIDIA公司開發(fā)的并行計算程序開發(fā)平臺CUDA,并且在實際應(yīng)用中獲得了滿意的加速效果。同時,本文將CMFD方法的算法加速和GPU并行計算的硬件加速手段結(jié)合使用,最終在小堆問題上獲得了高達數(shù)百倍的計算效率提升。最后,本論文采用Stamm’ler方法與改進中子流方法相結(jié)合的方式進行共振計算,并對Dancoff因子的具體應(yīng)用方法進行了改進�；跓o限柵格模型推導(dǎo)的Stamm’ler公式可以顯式的表達為Dancoff因子的函數(shù),而中子流方法正好可以通過簡單的手段對非柵格效應(yīng)強的燃料組件計算燃料棒Dancoff因子。通過二者的結(jié)合避免了Stamm’ler方法中的碰撞幾率計算,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。通過一系列的基準問題的計算驗證表明,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL351.1
【圖文】：

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

圖 1-2 TESLA 系列計算卡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：2738262