反应堆结构材料辐照效应高能计算

前言

第1章 反应堆结构材料辐照效应研究背景及意义

 1.1 结构材料辐照效应研究背景

 1.2 结构材料辐照效应多尺度计算模拟的需求与挑战

第2章 结构材料多尺度模拟及计算需求

 2.1 多尺度建模与模拟技术

 2.1.1 性原理计算

 2.1.2 分子动力学方法

 2.1.3 动力学蒙特卡罗方法

 2.1.4 团簇动力学方法

 2.1.5 位错动力学方法

 2.2 结构材料多尺度模拟的计算需求

 2.2.1 分子动力学模拟的计算需求

 2.2.2 动力学蒙特卡罗模拟的计算需求

 2.2.3 团簇动力学模拟的计算需求

第3章 结构材料多尺度计算模拟研究综述

 3.1 欧盟相关研究

 3.1.1 RPV系列研究

 3.1.2 F/M钢系列研究

 3.2 美国相关研究

 3.2.1 CASL项目

 3.2.2 NEAMS项目

 3.2.3 LWRS项目

 3.3 中国相关研究

 3.3.1 裂变堆材料辐照效应研究

 3.3.2 聚变堆材料辐照效应研究

第4章 高性能计算技术基础

 4.1 高性能计算技术概述

 4.1.1 高性能计算

 4.1.2 并行计算

 4.1.3 主流的并行编程模型

 4.1.4 不错计算机的发展

 4.2 典型不错计算机架构

 4.2.1 神威E级超算系统架构及编程方法

 4.2.2 曙光E级超算系统架构及编程方法

 4.2.3 天河E级超算系统架构及编程方法

 4.2.4 国产E级超算的对比

 4.3 本章小结

第5章 大规模并行分子动力学模拟及实现

 5.1 大规模并行分子动力学模拟技术

 5.1.1 分子动力学基本计算流程

 5.1.2 分子动力学粒子存储数据结构

 5.1.3 大规模分子动力学模拟软件简介

 5.1.4 分子动力学中的级联碰撞模拟

 5.2 MISA-MD：大规模并行分子动力学模拟软件

 5.2.1 MISA-MD软件架构及组成

 5.2.2 MISA-MD粒子存储数据结构

 5.2.3 面向国产超算的MISA-MD程序性能优化

 5.2.4 MISA-MD与LAMMPS的功能和性能对比

 5.2.5 MISA-MD软件性能

 5.3 本章小结

第6章 大规模并行动力学蒙特卡罗模拟及实现

 6.1 大规模并行动力学蒙特卡罗模拟技术

 6.1.1 KMC方法

 6.1.2 并行KMC算法

 6.1.3 SL算法的通信策略

 6.1.4 KMC速率计算与事件选择算法

 6.1.5 KMC并行软件介绍

 6.2 MISA-AKMC：大规模并行动力学蒙特卡罗模拟软件

 6.2.1 MISA-AKMC并行KMC框架

 6.2.2 MISA-AKMC核心数据结构表示

 6.2.3 MISA-AKMC应用

 6.3 本章小结

第7章 大规模并行团簇动力学模拟及实现

 7.1 团簇动力学的数值解法

 7.1.1 分组方法

 7.1.2 Fokker-Planck方法

 7.1.3 随机方法

 7.1.4 杂化方法

 7.2 空间关联团簇动力学的相关研究

 7.3 SUMMER-CD：空间关联的并行团簇动力学模拟软件

 7.3.1 软件架构

 7.3.2 软件实现

 7.3.3 模拟结果与性能测试

 7.4 MISA-SCD：大规模并行随机团簇动力学模拟软件

 7.4.1 MISA-SCD模型构建

 7.4.2 并行算法

 7.4.3 软件实现

 7.4.4 正确性验证

 7.4.5 性能分析

 7.5 MISA-SCD应用实例

 7.5.1 RPV钢模型合金中富Cu团簇析出模拟：允许的缺陷和反应

 7.5.2 电子辐照Fe-1.34at.%Cu中Cu析出模拟

 7.5.3 中子辐照Fe-0.3at.%Cu中的Cu析出模拟

 7.6 本章小结

第8章 结构材料数值计算大数据智能分析技术

 8.1 数值计算大数据

 8.2 材料辐照效应计算模拟中的机器学习技术

 8.2.1 机器学习原理

 8.2.2 材料领域常用机器学习算法及模型

 8.2.3 机器学习在材料辐照效应计算领域的应用

 8.3 数值计算大数据智能处理技术

 8.3.1 数据驱动的建模优化方法

 8.3.2 基于数据挖掘分析的科学发现

 8.3.3 数值计算大数据智能处理技术难点及挑战

 8.4 材料数值计算大数据的应用实例

 8.4.1 基于xgboost算法的Frenkel缺陷对数预测

 8.4.2 基于并查集算法的级联碰撞团簇划分方法

 8.4.3 基于聚类算法的KMC长程演化类环状原子簇发现

 8.4.4 基于神经网络的势函数模型AIPM

 8.5 本章小结

第9章 结构材料多尺度耦合模拟平台PRIME

 9.1 PRIME平台概述

 9.2 PRIME平台实现

 9.2.1 PRIME平台框架

 9.2.2 PRIME平台数据库实现

 9.2.3 模拟大数据存储体系

 9.2.4 平台功能流程及开发实现

 9.2.5 多软件间耦合模拟实现

 9.3 PRIME平台应用实例

 9.3.1 SCD和DD耦合的Fe-Cu合金热老化模拟

 9.3.2 RPV钢辐照硬化和脆化预测

 9.3.3 平台数据转换为IAEA级联数据库格式

 9.4 本章小结

第10章 材料辐照效应计算的未来发展趋势

参考文献

第1章反应堆结构材料辐照效应研究背景及意义　　1.1结构材料辐照效应研究背景　　核能作为一种清洁、安全和经济的新型能源，是解决能源危机与环境问题的有效途径。反应堆结构材料作为整个反应堆的骨架，其性能好坏是反应堆能否安全运行的重要因素。1986年切尔诺贝利核事故及2011年日本福岛核事故，与反应堆外壳及其他部件的失效有着密不可分的联系，酿成了巨大的社会悲剧，引起了社会对反应堆安全性的强烈关注。反应堆结构材料主要包含堆芯结构材料、燃料(棒)包壳材料以及反应堆压力容器、驱动机构材料等，其服役环境往往比较复杂，除高温、高压外，高能粒子对结构材料的辐照损伤是造成材料失效的主要原因之一。因此，结构材料的辐照损伤是反应堆工程和材料科学领域的研究重点。所谓材料辐照损伤，是指射线粒子(中子、质子、重离子、电子等)与材料原子发生相互作用，包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程，进而引起的材料物理、组织成分、结构和性能上的变化，从而对反应堆的安全产生威胁。辐照条件的复杂性使得完全通过实验来安全高效地进行核反应堆结构材料的设计和验证还存在很大的困难。　　近年来，依托高性能计算技术(high-performance computing，HPC)，实现高保真、高精细的数值模拟成了研究反应堆结构材料辐照损伤的一条不可或缺的途径。多尺度模拟结合高性能技术，辅以必要的实验验证，成为结构材料辐照损伤研究的主要手段。目前，欧美发达国家均开展了材料辐照损伤模拟相关研究，资金投入达数十亿美元。欧盟启动了多个材料辐照损伤模拟相关的研究项目，包括反应堆压力容器(reactor pressure vessel，RPV)系列项目[1，2]、“地平线2020——原子能共同体”计划等；美国也先后启动了CASL(consortium for advanced simulation of light water reactors)、NEAMS(nuclear energy advanced modeling and simulation)、LWRs计划(light water reactor sustainability program)、ExMatEx(extending the reach of molecular)等项目。目前，CASL的部分成果已用于美国AP1000堆芯结构的模拟计算，进一步的NEAMS则开发了面向对象多物理耦合集成平台MOOSE(multiscale object-oriented simulation environment)，并在此基础上，从燃料产品线和反应堆产品线开展物理-热工-结构-材料-燃料的高精细多物理耦合模拟研究。　　我国在反应堆结构材料辐照损伤模拟的研究方面紧跟国际热点，开展了一系列相关项目。国家高技术研究发展计划(863计划)课题“核反应堆关键材料性能优化高性能数值模拟软件研发”提出面向我国核能的安全高效发展，针对我国现役核电站的结构材料成分组织设计、性能优化及安全性等挑战性难题，研制面向反应堆关键部件材料的性能设计及优化模拟软件；借助高性能计算，在反应堆关键结构部件的性能退化机理、寿命预测以及材料性能优化技术等方案取得突破，特别是在P级(peta-scale，1PFLOPS=1015FLOPS，每秒千万亿次浮点运算)计算机上实现了压水堆关键材料微观结构演化的原子的微观尺度模拟[3]，达到了国内领先、国际先进的水平。国家重点研发计划项目“数值反应堆原型系统开发及示范应用”在863项目的基础上，进一步规划了我国反应堆结构材料辐照损伤高性能计算的研究路线：以E级(exa-scale，1EFLOPS=1018FLOPS，每秒百亿亿次浮点运算)超级计算机为依托，建立多尺度模拟框架体系，明确各尺度模块计算模型与算法及相互间的耦合规则和接口规范；研究面向E级计算的可扩展并行算法与优化技术；开发了一系列反应堆结构材料模拟软件MISA-MD[4]、MISA-AKMC、MISA-SCD[5]及它们之间多尺度耦合应用平台MISA(multi-scale simulation of materials)；开展模拟验证及置信度分析的方法和技术研究，开展软件系统验证和典型示范应用。　　近几年人工智能和大数据技术的飞速发展，为材料辐照效应的研究注入了新的血液，科研人员开始使用两者进行模型改进、参数训练、可视化方面的工作，并带来了值得深入的成果。反应堆结构材料辐照损伤模拟软件的研发，横跨反应堆工程、高性能计算、软件工程及人工智能等多个学科，如何发挥各学科优势，融合多种技术的特点，突破反应堆结构材料辐照损伤高性能计算的多个关键技术，建立生产实用的材料模拟软件，依然任重道远。　　1.2结构材料辐照效应多尺度计算模拟的需求与挑战　　核反应堆中结构材料的辐照效应是从辐照诱导微观损伤产生到材料(部分)宏观性能失效的典型多尺度过程，时间上跨越中子-原子碰撞到数十年的反应堆寿命(40～60年)，超过21个数量级；空间上跨越原子核到结构部件(>10m)，超过15个数量级[6]。材料领域的研究者们在各个时空尺度上，建立了不同的模型和方法，组成材料辐照损伤的多尺度建模与模拟技术，成为国际上广泛应用的材料辐照损伤研究方法，以预测由辐照诱导的所有缺陷的产生、迁移、演化及其对材料性能的影响。超级计算机以及并行计算技术的发展，极大地提升了研究者们开展材料模拟计算的能力，使得开展材料高精细模拟计算成为可能。但由于反应堆工况下的材料性能降级非常复杂，模拟计算的复杂度极高，且辐照在材料中形成的纳米/微观结构的混合体需要用许多变量来描述，这对超级计算机的内存提出了更高的要求。多尺度模拟是计算密集型的，而大规模并行计算可以通过并行运行不同空间区域的模拟，来克服长尺度的约束。从计算观点来看，理解、约束和控制1mol物质(约原子或分子，至少9自由度/原子或分子)在1秒内的演化行为，是非常大的挑战，需要E级超算的计算能力。以材料辐照损伤大规模经典分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟计算为例，见表1.1，在辐照缺陷产生及演化的各阶段，其计算量急剧增加。其他辐照损伤模拟方法的计算复杂度也对超级计算机提出了需求，如动力学蒙特卡罗(kinetic Monte Carlo，KMC)方法的计算复杂度为，其中N为粒子数；团簇动力学(cluster dynamics，CD)的计算复杂度为，其中为非线性方程的个数，模拟微米尺度的材料演化时，达到。目前，辐照损伤实验表征技术(如三维原子探针、高分辨率透射电镜等)已经可以观测缺陷的原子尺度特征，但实验不能获得纳米级稳定缺陷的动态演化过程及其对材料性能降级的影响。大规模原子尺度模拟有望动态地分析辐照缺陷的产生以及演化过程，而目前的辐照损伤原子尺度模拟方法由于时空尺度的局限性，不足以获得直接与实验结果对比的工程应用参数，已有的模拟软件和算法尚不能满足工程应用需求。基于高性能计算机开发针对材料辐照效应的高性能多尺度模拟软件有望进一步深入理解材料的辐照损伤机理，为材料优化与设计研发奠定基础。　　随着核能系统安全性、经济性和可靠性的提高，核反应堆的运行温度和中子通量都上升到了新的水平，如图1.1所示，对其核心结构材