一種基于gpu硬件加速的散裂靶可視化輔助系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是“未來(lái)先進(jìn)核裂變能”-ADS嬗變系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)下，運(yùn)用GPU硬件加速對(duì)散裂靶模擬進(jìn)行幾何建模、顆粒流模擬運(yùn)輸和高能蒙卡計(jì)算及相關(guān)計(jì)算結(jié)果可視化處理的系統(tǒng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前社會(huì)，石化燃料已不能滿足現(xiàn)有社會(huì)的能源需求，通過(guò)人們的不斷創(chuàng)新，出現(xiàn)了許多能夠緩解石化能源壓力的新型能源，核能成為新型能源的杰出代表。然而核能源也導(dǎo)致新的問(wèn)題:大量核廢料處置的世界難題。以我國(guó)為例，當(dāng)核電裝機(jī)容量達(dá)到2030年的8000?10000萬(wàn)千瓦規(guī)模時(shí)，乏燃料累計(jì)積存將達(dá)到20000?25000噸，其中MA將達(dá)到16?20噸，LLFP將達(dá)到24?30噸。因此，盡快開(kāi)發(fā)出核廢料有效處理方案，已成為迫在眉睫的課題。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)核廢料的有效處理，研宄者提出了“分離嬗變”技術(shù)方案。即先通過(guò)分離將MA及LLFP提取出來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行嬗變處理。1993年，魯比亞提出潔凈核能源的概念，名為能量放大器。能量放大器是依靠外源中子激起裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它由一個(gè)超強(qiáng)的穩(wěn)定散裂中子源和一個(gè)次臨界堆組成。
[0004]ADS (Accelerator Driven Sub-critical System)是加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)。它利用加速器加速的高能質(zhì)子與重靶核發(fā)生散列反應(yīng)，一個(gè)質(zhì)子引起的散裂反應(yīng)可產(chǎn)生幾十個(gè)中子，用散裂產(chǎn)生的中子作為中子源來(lái)驅(qū)動(dòng)次臨界包層系統(tǒng)，使次臨界包層系統(tǒng)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以便得到能量和多余的中子增殖核材料和嬗變核廢料。在ADS各部分中，散裂靶元件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。顆粒靶的設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括:散裂靶鎢球顆粒是流動(dòng)的，形成一個(gè)“球流”過(guò)程，質(zhì)子束流與鎢球接觸的界面形狀復(fù)雜，隨空間和時(shí)間因素而發(fā)生變化；球在空間中的堆積具有隨機(jī)性、局部堆積密度隨空間位置不同變化比較大，從而導(dǎo)致均勻化計(jì)算(主要計(jì)算平均堆積率)不準(zhǔn)確，不能滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求，因此使用全填充模式(根據(jù)實(shí)際鎢球在靶空間中的真實(shí)分布情況來(lái)模擬)來(lái)模擬計(jì)算散裂靶顆粒球。
[0005]建立全填充模式幾何模型來(lái)模擬實(shí)際的靶運(yùn)行狀態(tài)能夠大大提高對(duì)散列靶研宄設(shè)計(jì)的效率，從而設(shè)計(jì)出更為安全、高效、實(shí)用的散裂靶。在模擬過(guò)程中主要有三個(gè)科學(xué)問(wèn)題需要解決:1、顆粒靶幾何建模(依據(jù)實(shí)際物理運(yùn)行結(jié)果計(jì)算得到的幾何信息來(lái)建模)，要能達(dá)到可視查看、輸運(yùn)模擬運(yùn)行兩類(lèi)需求(MCNP幾何描述、半代數(shù)幾何描述)。2、輸運(yùn)模擬(質(zhì)子、中子在顆粒靶幾何模型中的輸運(yùn)模擬)，需要解決輸運(yùn)過(guò)程中的幾何追蹤算法(邊界檢測(cè)、位置判斷、運(yùn)動(dòng)方向、下一個(gè)碰撞點(diǎn)的確定)3、顯示可視化輸運(yùn)模擬的結(jié)果。
[0006]國(guó)外研宄進(jìn)展:之前對(duì)于MCNP幾何建模，首先構(gòu)造實(shí)體幾何模型，然后用文進(jìn)行本建模，文本建模方式采取純?nèi)斯し绞?，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)。現(xiàn)在使用CAD建模，首先生成模型，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換算法將其轉(zhuǎn)換成MCNP輸入文件INP file，但是對(duì)大規(guī)模顆粒存在很多缺陷和不足，建模困難，轉(zhuǎn)換算法設(shè)計(jì)困難。美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立有VisualEditor, moritz兩套針對(duì)不同需求的建模體系，但對(duì)中國(guó)禁售；
[0007]國(guó)內(nèi)研宄進(jìn)展:中科院等離子體研宄所吳宜燦教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì):MCAM，可以實(shí)現(xiàn)多種商用軟件CAD模型與MCNP模型之間的相互轉(zhuǎn)換，提供了模型建立、預(yù)處理、屬性分析等基本功能和計(jì)算結(jié)果可視化及基于醫(yī)學(xué)映像建模接口等擴(kuò)展功能。缺陷是雖然比較通用，但是不能適用于大規(guī)模顆粒靶建模中國(guó)工程物理研宄院、西南科技大學(xué)，主要基于UG商用軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)從CAD到MCNP模型的轉(zhuǎn)換，仍在研宄階段。
[0008]因此開(kāi)發(fā)散裂靶可視化輔助系統(tǒng)，對(duì)提高國(guó)內(nèi)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)研宄工作的進(jìn)展有很重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是“ADS嬗變系統(tǒng)”專(zhuān)項(xiàng)下對(duì)散裂靶模擬進(jìn)行幾何建模、基于GPU硬件加速的顆粒流模擬運(yùn)輸和高能蒙卡計(jì)算及相關(guān)計(jì)算結(jié)果可視化處理的系統(tǒng)方法，對(duì)顆粒流模擬運(yùn)輸?shù)挠?jì)算結(jié)果和高能蒙卡的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，使用戶能夠?qū)ψ约焊信d趣的計(jì)算結(jié)果通過(guò)可視化模塊進(jìn)行渲染顯示，以表征各類(lèi)計(jì)算量的分布，從而減輕用戶在分析數(shù)據(jù)本身時(shí)做的很多與分析數(shù)據(jù)本身無(wú)關(guān)的繁瑣工作，以節(jié)省大量時(shí)間。計(jì)算結(jié)果的可視化與其他兩個(gè)計(jì)算應(yīng)用集成起來(lái)可以達(dá)到協(xié)同工作的目的，各自都發(fā)揮最大的特長(zhǎng)，以形成真正有效的顆粒靶模擬軟件集成與可視化系統(tǒng)方法。包括:
[0010]I) 一套基于OpenCascade的MCNP輔助建模軟件，改變了以往MCNP輸入文件的手工文本輸入方式，可以以圖形的方式建立模型，通過(guò)STEP中性文件轉(zhuǎn)換，快速生成MCNP輸入文件，大幅節(jié)省時(shí)間，也降低了 MCNP輸入文件的出錯(cuò)率。該模塊不僅實(shí)現(xiàn)了模型創(chuàng)建、模型布爾運(yùn)算、模型處理、模型可視化、數(shù)據(jù)交換等基本功能，還實(shí)現(xiàn)了模型的縮放，物理材料的添加等尚級(jí)功能。
[0011]2)基于GPU硬件加速運(yùn)算的顆粒流輸運(yùn)模擬計(jì)算及結(jié)果可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DEM (Decrement Element Method)方法編寫(xiě)，并用GPU的高性能運(yùn)算能力來(lái)加速模擬計(jì)算，用來(lái)模擬球體顆粒在各種容器中的運(yùn)動(dòng)并輸出相關(guān)的物理量。其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括:a、在圓桶、方桶、各種漏斗等容器空間中生成、也可以讀入已經(jīng)生成好的不同半徑、不同材料的球體顆粒，每個(gè)顆?？梢杂胁煌陌霃?、密度、楊氏模量等參數(shù)，顆粒跟顆粒有不同的恢復(fù)系數(shù)、摩擦系數(shù)等參數(shù)。b、模擬生成或讀入的顆粒在圓桶、方桶、各種漏斗等容器中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。C、輸出顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括坐標(biāo)、速度、角速度、加速度等。d、輸出顆粒的作用力狀態(tài)，包括顆粒與顆粒之間以及顆粒跟墻之間的作用力。e、輸出體系的動(dòng)能、勢(shì)能以及總能量。f、輸出顆粒流出漏斗的流量。g、統(tǒng)計(jì)體系的力鏈分布。h、輸出體力壓強(qiáng)分布。
[0012]3)基于GPU硬件加速運(yùn)算的高能蒙卡計(jì)算及結(jié)果可視化系統(tǒng):這也是本發(fā)明的最后一個(gè)模塊。在ADS散裂靶設(shè)計(jì)過(guò)程中，中子的輸運(yùn)過(guò)程的模擬是散裂靶設(shè)計(jì)的核心部分。對(duì)中子輸運(yùn)過(guò)程的模擬，通常采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法。目前，蒙特卡洛方法的實(shí)現(xiàn)以CPU為主，這些方法由于CPU計(jì)算能力不足導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模不足，在模擬過(guò)程中，極大的限制了計(jì)算速度和模擬規(guī)模，在可以接受的時(shí)間內(nèi)只能計(jì)算很小的空間尺寸和時(shí)間尺寸。GPU并行編程為蒙特卡洛方法提供一種方便、直接又經(jīng)濟(jì)的解決方案。本發(fā)明針對(duì)ADS散裂靶中高能質(zhì)子、中子的輸運(yùn)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了 GPU版本的中高能原子核散裂反應(yīng)的模擬程序。GTO版本的中高能原子核散裂反應(yīng)的模擬程序可以高效的模擬ADS散裂靶中中子、質(zhì)子等粒子與靶材料中的原子所發(fā)生的高能原子核反應(yīng)過(guò)程。對(duì)散裂靶的設(shè)計(jì)與模擬過(guò)程，可以起到非常關(guān)鍵的作用。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的整體架構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為建模軟件模塊實(shí)施的示意圖。
[0015]圖3為顆粒流輸運(yùn)模擬計(jì)算模塊的實(shí)施示意圖。
[0016]圖4為高能蒙卡計(jì)算模塊的實(shí)施示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利做以下詳細(xì)說(shuō)明:
[0018