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数值反应堆堆芯与E级高性能计算的科学内涵

原子能科学技术 2024年

作者：邓力李刚北京应用物理与计算数学研究所中物院高性能数值模拟软件中心

反应堆是一复杂的系统过程，是由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互耦合的装置，这些物理场涉及从微观核反应到宏观能量释放的多尺度作用机理。随着E级（1 000PFLOPS，百亿亿次/每秒）计算机的问世，核能发展的... 详细信息

反应堆是一复杂的系统过程，是由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互耦合的装置，这些物理场涉及从微观核反应到宏观能量释放的多尺度作用机理。随着E级（1 000PFLOPS，百亿亿次/每秒）计算机的问世，核能发展的总趋势正从传统工程驱动模式向以高性能数值模拟为主转变。当前四代堆设计立足小型化和精密化，高分辨率数值模拟对提升核装置性能和降低裕量作用突出。为研究解决当前模拟软件与计算机之间存在的浮点效率低、移植周期长、模式通用难和规模扩展难等问题的办法，突破软件和硬件之间存在的编程墙和性能墙，本文通过解读美国NEAMS、CASL和ECP计划，结合团队近年在数值反应堆和高性能计算关键技术突破方面的经验，提出基于并行中间件的集成共性、发展个性的技术路线，探索一条快速提升我国自主CAE软件整体水平的途径，供业内同行探讨，以在国产超级计算机上实现核装置的精细化建模和多物理、多尺度、多过程耦合计算。

关键词：数值反应堆堆芯集成共性发展个性高分辨率数值模拟 E级计算

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辐射扩散方程的非线性迭代方法

计算物理 2024年第1期41卷 75-86页

作者：安恒斌莫则尧北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京100088

为了提高Newton方法和Picard方法求解辐射扩散方程组的健壮性和收敛速度,介绍应用这两类方法求解辐射扩散方程组的几方面工作,包括迭代初值的选取、迭代过程物理约束的处理、Picard迭代过程与Anderson加速的结合以及针对Anderson加速方... 详细信息

为了提高Newton方法和Picard方法求解辐射扩散方程组的健壮性和收敛速度,介绍应用这两类方法求解辐射扩散方程组的几方面工作,包括迭代初值的选取、迭代过程物理约束的处理、Picard迭代过程与Anderson加速的结合以及针对Anderson加速方法的改进等。通过应用相关的处理和改进策略,两类方法可有效应用于非线性辐射扩散方程的求解。

关键词：辐射扩散非线性迭代 Newton迭代 Picard迭代 Anderson加速

基于NPTS的低能光子/电子耦合输运模拟功能的开发

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计算物理 2024年

作者：穆子承张华阳衷斌傅学东北京应用物理与计算数学研究所中国工程物理研究院研究生院

本文从低能光子/电子输运理论出发，基于ENDF/B-VI.8数据库中的低能光子/电子输运相关数据，从亚壳层角度模拟了光电效应过程，并考虑了原子弛豫物理过程，同时添加了发生原子弛豫亚壳层抽样过程，进一步完善了低能光子输运蒙特卡罗模... 详细信息

本文从低能光子/电子输运理论出发，基于ENDF/B-VI.8数据库中的低能光子/电子输运相关数据，从亚壳层角度模拟了光电效应过程，并考虑了原子弛豫物理过程，同时添加了发生原子弛豫亚壳层抽样过程，进一步完善了低能光子输运蒙特卡罗模拟过程。针对低能电子采用单事件输运模拟方法，添加了激发、弹性散射、电离、轫致辐射四种相互作用过程，将NPTS程序光子/电子耦合输运模拟能量范围下限从1keV拓展至15eV以下。通过与JMCT程序进行典型模型的通量能谱和空间分布谱对比对NPTS程序进行正确性考核，基于3σ原则进行偏差检验。检验结果表明NPTS程序的计算结果与JMCT程序在不确定度范围内一致，验证了NPTS程序低能光子/电子耦合输运模拟功能的正确性。

关键词：光子/电子输运原子弛豫单事件方法蒙特卡罗模拟

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提高多群截面蒙特卡洛计算效率的方法研究

计算物理 2024年

作者：王旸李树北京应用物理与计算数学研究所中国工程物理研究院研究生院

确定论方法求解中子输运方程时，需要用精确的中子通量谱估算多群截面，该通量谱可通过蒙卡中子输运过程获知。已有的使用蒙卡方法计算多群截面与散射矩阵的程序MCNPNG（蒙特卡罗多群截面统计分析软件），在计算材料种类多、几何结构复... 详细信息

确定论方法求解中子输运方程时，需要用精确的中子通量谱估算多群截面，该通量谱可通过蒙卡中子输运过程获知。已有的使用蒙卡方法计算多群截面与散射矩阵的程序MCNPNG（蒙特卡罗多群截面统计分析软件），在计算材料种类多、几何结构复杂的模型时时间开销非常大，不利于工程应用。本文首先分析了其原因，并针对性地开展了优化，有效提升了计算效率；然后开展了多群截面与散射矩阵计算的并行方法研究，研制了相应的程序模块，显著降低了运行时间，且在调用数百CPU的情况下仍能保持85%以上的并行效率。最后，通过对OKTAVIAN基准题的计算分析，验证了多群截面与散射矩阵并行计算方法的正确性和高效性。

关键词：多群截面散射矩阵蒙特卡罗方法并行方法

应用特征驱动的并行数值代数解法器JPSOL

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计算物理 2024年第1期41卷 110-121页

作者：胡少亮徐小文安恒斌徐然范荣红中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

介绍JPSOL(J Parallel Solver Library for Numerical Algebra Problems)的软件架构、矩阵向量数据结构、三类算法库(线性、非线性和特征值)及领域专用解法器,然后通过基本迭代法的测试结果说明其高可扩展并行性,最后通过几类典型实际应... 详细信息

介绍JPSOL(J Parallel Solver Library for Numerical Algebra Problems)的软件架构、矩阵向量数据结构、三类算法库(线性、非线性和特征值)及领域专用解法器,然后通过基本迭代法的测试结果说明其高可扩展并行性,最后通过几类典型实际应用,展示应用效果和健壮性。

关键词：数值模拟并行计算解法器 Krylov子空间方法预条件算法

界面不稳定性诱导的湍流混合问题的RANS统一预测新思路

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空气动力学学报 2024年

作者：谢寒松肖梦娟张又升北京大学应用物理与技术研究中心北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室

准确预测由Rayleigh-Taylor(RT)、Richtmyer-Meshkov(RM)和Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合问题具有重要的科学意义和工程价值。在工程实践中，利用雷诺平均的湍流模型（Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS）模拟上述问题是当前及可见的未来最主流的方法。RANS模型主要包括物理模型和模型系数两方面。然而，在实际工程中，存在各类复杂性问题及其相互耦合，使得采用同一套RANS模型统一预测不同混合问题变得极具挑战，而这又是RANS模型能落地工程应用的前提条件。为解决上述问题，本研究直面工程应用，基于整体论思维观提出了实现RANS渐近理想统一预测的新思路，给出了系统确定湍流混合模型系数的新方法，并将其应用至混合领域内的k-L、k-ε和BHR三类（含亚类）主流的RANS混合模型，均实现了同一套湍流混合模型对不同混合问题的统一预测，证明了所提思路和方法在混合领域的适用性和鲁棒性。本工作为RANS湍流混合模型的工程化应用奠定了坚实的研究基础，其核心思路也可望延拓应用至其他领域的湍流模型上。

关键词：湍流混合统一预测 RANS模型模型系数

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舰船舱室的早期伽马辐射屏蔽特性

强激光与粒子束 2024年第4期36卷 207-214页

作者：柴辰睿郝建红张芳赵强范杰清董志伟薛碧曦华北电力大学电气与电子工程学院北京102206 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

利用蒙特卡罗方法对早期核辐射场景下的舰船舱室屏蔽特性进行研究。使用早期伽马辐射作为辐射源,测定了舰船主体常用的HSLA-80、5456Al及FDCL-3B三种材料的质量衰减系数,并根据舰船的几何结构建立了模拟舱室模型,采用高斯展宽方法对探... 详细信息

利用蒙特卡罗方法对早期核辐射场景下的舰船舱室屏蔽特性进行研究。使用早期伽马辐射作为辐射源,测定了舰船主体常用的HSLA-80、5456Al及FDCL-3B三种材料的质量衰减系数,并根据舰船的几何结构建立了模拟舱室模型,采用高斯展宽方法对探测器的能谱拟合处理,得到了伽马辐射下舱室内部NaI探测器的吸收能谱,并与文献中的实验结果进行了对比,验证了计算模型和计算结果的可靠性。在此基础上,以伽马防护系数为评价指标,考虑放射性同位素(单能点源)和早期伽马辐射(具有能量分布的面源)两种场景,计算分析了模拟舱室伽马辐射屏蔽的空间分布特性,结果表明:模拟舱室对不同放射性同位素的防护系数是不同的,最多可相差6.74倍(Cd-109与Cs-137);舱室不同位置的防护系数不同。舱室前端的伽马辐射剂量较大,而角落的伽马辐射剂量较小,相差35%;防护系数与伽马辐照的入射角度有关。与正入射相比,模拟舱室对斜45°入射的伽马辐射防护系数更高,可提升43%。

关键词：质量衰减系数船舶舱室伽马辐射伽马防护系数

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15 nm Bulk nFinFET器件性能研究及参数优化

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强激光与粒子束 2024年第3期36卷 92-99页

作者：侯天昊范杰清赵强张芳郝建红董志伟华北电力大学电气与电子工程学院北京102206 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

为研究Bulk FinFET工作时基本结构参数、器件温度和栅极材料对其性能的影响,建立了一个15 nm n型Bulk FinFET器件模型,仿真分析了不同栅长、鳍宽、鳍高、沟道掺杂浓度、器件工作温度、栅极材料对器件性能的影响,发现增长栅长、降低鳍宽... 详细信息

为研究Bulk FinFET工作时基本结构参数、器件温度和栅极材料对其性能的影响,建立了一个15 nm n型Bulk FinFET器件模型,仿真分析了不同栅长、鳍宽、鳍高、沟道掺杂浓度、器件工作温度、栅极材料对器件性能的影响,发现增长栅长、降低鳍宽和增加鳍高有助于抑制短沟道效应;1×10^(17)cm^(-3)以下的低沟道掺杂浓度对器件特性影响不大,但高掺杂会使器件失效;器件工作温度的升高会导致器件性能的下降;采用高K介质材料作为栅极器件性能优于传统材料SiO_(2)。

关键词： Bulk FinFET 短沟道效应器件性能参数优化栅极材料

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二维片状相对论电子束到靶规律研究

强激光与粒子束 2024年第4期36卷 227-232页

作者：高磊郝建红张芳赵强范杰清薛碧曦董志伟华北电力大学电气与电子工程学院北京102206 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标,但实际情况中由于受环境的影响,相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差,因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动,影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片... 详细信息

相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标,但实际情况中由于受环境的影响,相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差,因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动,影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束,分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟,通过模拟束团的传输过程,分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律,以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律,为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。

关键词：相对论电子束到靶率注量率回转点拉莫尔进动