由北京科技大学计通学院智能超算融合应用技术教育部工程研究中心胡长军教授团队完成的“十三五”科技部重点研发计划成果“数值反应堆(CVR1.0: China Virtual Reactor )系统”,作为“高新技术”领域优秀成果入选国家“十三五”科技创新成就展,并于“高新技术”展区亮相。本次展览以“创新驱动发展、迈向科技强国”为主题,由科技部、发展改革委、财政部、军委装备发展部、军委科技委、北京市人民政府主办,包括重大专项、高新技术、基础研究等十一个展区,于10月21日在北京展览馆展出。
CVR1.0是国家“高性能计算”重点专项“数值反应堆原型系统开发及示范应用”项目(2017年7月至2021年6月)的核心成果。项目由中国原子能科学研究院牵头,联合北京科技大学等10家单位共同承办完成。北京科技大学承担的“数值反应堆软件研发”是项目的关键核心内容,研发团队2019年9月获科技部高技术研究发展中心“执行优秀团队”奖,2021年7月顺利通过了绩效评价验收,成果优秀并获93.78分的高分评价。
秉承“瞄准应用痛点,发挥超算优势,聚焦核心技术,发展自主软件”的原则,研究成果依托典型国产超级计算机,突破了“反应堆物理、热工、力学多尺度、精细化耦合计算”、“材料辐照脆化和辐照肿胀多尺度模拟”、“基于E级计算机的超大规模并行优化”、“多源数据、多模型、多物理装置结合的模拟验证”等四项关键核心技术,完成了反应堆物理、热工水力、结构力学、核燃料与材料五个核心专业自主产权、模拟精度和规模国际领先的E级超算高性能软件开发,建成了我国首个基于E级超算的数值核反应堆原型系统CVR1.0,并在反应堆压力容器辐照脆化预测及快堆重大工程堆芯计算分析方面取得了典型示范应用。CVR1.0系统申请国内外发明专利48项、软件著作权13项、发表论文44篇、企业标准规范3项、注册商标11项,核心技术达到国际并跑、局部领跑水平。展览的四项成果如下:
1、数值反应堆整体及核心技术
图1 数值反应堆整体图示
表1 《数值反应堆原型系统开发及示范应用》专利成果汇总
专业 | 专利名称 | 发明类型 | 专利号 | 法律状态 |
物理 | 一种三维中子输运特征线法的负载均衡并行方法 | 发明 | 201910721093.X | 已授权 |
一种快堆六角形堆芯中子输运计算的射线生成与追踪方法 | 发明 | 202010461303.9 | 实审 | |
热工 | 一种快中子反应堆全堆子通道几何建模方法及系统 | 发明 | 201911310579.0 | 已授权 |
一种全堆芯热工水力子通道模拟方法 | 发明 | 201911312909.X | 已授权 | |
材料 | 核反应堆包壳材料辐照肿胀的集成学习预测方法 | 发明 | 201810628508.4 | 已授权 |
大数据、人工智能、超算协同的材料性能预测方法 | 发明 | 201810629623.3 | 已授权 | |
面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法及系统 | 发明 | 201911275994.7 | 已授权 | |
燃料 | 核燃料棒性能分析方法 | 发明 | 201810622867.9 | 已授权 |
一种反应堆燃料元件性能并行化处理方法 | 发明 | 201911276957.8 | 实审 | |
耦合 | 一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统及方法 | 发明 | 201810629063.1 | 已授权 |
V&V | 一种动态浮点误差分析中精度特定计算的检测和转换方法 | 发明 | 201911275775.9 | 实审 |
专业 | 软件名称 | 设计人 | 主要研发单位 |
物理 | 直接三维特征线法中子输运模拟软件ANT-MOC Advanced Neutron Transport Code System- Method of Characteristics | 北科大:汪岸、王根、方雅、胡长军 原子能院:单浩栋、胡赟、徐李、张庚、杨睿、徐林杰、杨文 | 北科大/原子能院 |
热工 | 单相精细化计算流体力学热工水力模拟软件:CVR-PACA China Virtual Reactor-Parallel Computational Fluid Dynamics Analysis Software | 北科大:周志峰、胡长军、董玲玉、王先梦、卢旭 原子能院:赵民富、李伟卿 | 北科大/原子能院 |
并行热工水力子通道分析软件:CVR-PASA Chinese Virtual Reactor–Parallel Thermal Hydraulics Subchannel Analysis Software | 北科大: 胡长军,任帅 原子能院:贺新福、滕明航 | 北科大/原子能院 | |
材料 | 分子动力学模拟软件:MISA-MD Multiscale Simulation of Materials – Molecular Dynamics | 北科大:胡长军、储根深、陈丹丹、白鹤、任帅 原子能院:曹晗 | 北科大/原子能院 |
原子动力学蒙特卡洛模拟软件:MISA-AKMC Multiscale Simulation of Materials – Atomic Kinetic Monte Carlo | 北科大:胡长军、储根深、何远杰、陈丹丹、任帅、白鹤 | 北科大/原子能院 | |
随机团簇动力学模拟软件:MISA-SCD Multiscale Simulation of Materials – Stochastic Cluster Dynamics | 北科大:胡长军、陈丹丹、储根深、任帅、白鹤 原子能院:贺新福 | 北科大/原子能院 | |
级联缺陷统计分析软件:MISA-SACD Multiscale Simulation of Materials – Statistical Analysis program for Cascaded Defects | 北科大:胡长军、杨衍康、任帅、储根深、陈丹丹、白鹤 | 北科大 | |
力学 | 反应堆结构力学模拟高保真分析软件:HARSA High-fidelity analysis software for Reactor Structural Mechanic Simulation | 北科大:邢龙岳、蒋章程、岑鑫、胡长军 原子能院:高岳、高付海、杨文 | 北科大/网络中心/原子能院 |
北科大:胡长军、邢龙岳、蒋章程、王昭顺 | |||
燃料 | 先进多物理燃料性能分析软件:ATHENA Advanced Multiphysics Code for Nuclear Fuel Analysis | 北科大:胡长军、杨衍康 原子能院:韩智杰、明春、杨文 | 北科大/原子能院 |
V&V | 数值模拟软件测试框架:NuSTA NUmeric Simulation Testing and Analysis | 北科大:胡长军、何啸、王星伟、时加、王昭顺 | 北科大 |
国际基准算例及国际原子能机构中国实验快堆计算基准例题计算对比:
三维特征线中子输运模拟软件ANT-MOC国际基准算例测试及ANT-RMC针对CEFR的全堆计算
图 2 C5G7 Unrodded基准算例测试,对比美国MC软件,关键参数keff的相对误差仅为0.14%
图 3 Takeda基准算例测试,对比美国MC软件,关键参数keff的相对误差不超过0.06%,控制棒价值的相对误差不超过1.10%
图4 国际原子能机构标准例题——中国实验快堆全堆芯ANT-RMC软件pin-by-pin高精细建模
表 3 ANT-RMC对于中国实验快堆基准算例的测试(与国际上同类程序相比,ANT-RMC最接近实验值) | |||
单位 | 计算程序 | 数据库 | 反应性/pcm |
IAEA | OpenMC | ENDF/B-VII.0 | 154 |
GRS | Serpent | ENDF/B-VII.1 | 259 |
IGCAR | OpenMC | ENDF/B-VII.1 | -250 |
JAEA | MVP-II | JENDL-4.0 | 174 |
KAERI | McCARD 1.0 | ENDF/B-VII.1 | 228 |
UNIST | MCS 0.1.2 | ENDF/B-VII.1 | 430 |
RATEN-M | MCNPX | ENDF/B-VII.0 | 256 |
CIAE(中国团队) | ANT-RMC | ENDF/B-VII.1 | 82 |
实验值(参考解) | 0 |
2、核结构材料辐照损伤计算模拟
图 5 核结构材料辐照损伤分动力学模拟软件MISA-MD模拟规模的国际对比
图 6 核结构材料辐照损伤分动力学模拟软件MISA-MD的科学发现
3、压水堆全堆芯Pin-by-Pin热工流体计算