金属材料辐照损伤的动力学蒙特卡洛数值模拟程序开发及并行优化

作     者：王栋 

作者单位：大连海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张云泉;于红

授予年度：2020年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：辐照损伤 动力学蒙特卡洛方法 势函数 多元合金 热点函数 并行优化 

摘      要：核电能源的积极发展已经为能源消耗问题带来了有效的解决途径。保证核反应堆正常运行的核材料（钢压力容器-金属材料）使用寿命直接影响了核电厂的服役能力。导致金属材料性能降级的主要原因是其内部粒子在辐照状态下与高能入射粒子发生碰撞（这种微观变化称为辐照损伤）,为正确预测材料内部的结构改变过程,本文将动力学蒙特卡洛方法与我国高性能计算技术相结合,针对金属材料辐照损伤的KMC数值模拟程序进行了相关开发和并行优化,具体工作如下:（1）研究了动力学蒙特卡洛方法的基础理论,根据体系演化规则对该方法进行了分类,并对相关技术支撑平台做了简要介绍（并行计算平台架构和可视化模拟软件）,结合AKMC算法的特点:跃迁概率计算、随机数选取和计算过程等对并行数值模拟程序MISA-KMC的实现方式以及其中涉及的主要技术进行了详细介绍（包括并行区域分解,二次划分子域以及各进程间的同步通信方式等）。（2）对软件进行相关优化和性能分析,引入一种原子势能计算模型（相互作用对势）,减少模拟过程中的能量计算开销,提高计算效率,并在此基础上对程序中的模拟原子种类进行扩展,实现了多元合金的演化,最后利用可视化分析对模拟结果进行了研究。利用程序中原子坐标特性,实现孤立原子识别功能,为程序模拟结果的正确性提供保障。通过局部计时方法分析程序中的热点函数,为适应超级计算机的架构特点提供解决方案。对程序输入文件中的预设参数进行调节,在保证模拟结果正确的情况下使其运算状态达到最优化。将程序移植到“神威·太湖之光进行性能分析,验证优化方法可行性以及并行程序的可扩展性。实现了一种固定同步时间间隔算法,用来解决传统方法在某些情况下产生的数据丢失等问题。（3）基于目前核聚变材料重要性的日益凸显,在程序中新增F-S势函数选择方式和钨-铼二元合金（核聚变材料结构）体系,通过计算部分能量数值,验证了该方法的可行性,将MISA-KMC数值模拟程序在应用领域上进行了扩展。