一種基于gpu硬件加速的散裂靶可視化輔助系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明是“未來先進核裂變能”-ADS嬗變系統專項下，運用GPU硬件加速對散裂靶模擬進行幾何建模、顆粒流模擬運輸和高能蒙卡計算及相關計算結果可視化處理的系統方法。
【背景技術】
[0002]當前社會，石化燃料已不能滿足現有社會的能源需求，通過人們的不斷創新，出現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。然而核能源也導致新的問題:大量核廢料處置的世界難題。以我國為例，當核電裝機容量達到2030年的8000?10000萬千瓦規模時，乏燃料累計積存將達到20000?25000噸，其中MA將達到16?20噸，LLFP將達到24?30噸。因此，盡快開發出核廢料有效處理方案，已成為迫在眉睫的課題。
[0003]為了實現核廢料的有效處理，研宄者提出了“分離嬗變”技術方案。即先通過分離將MA及LLFP提取出來，然后對其進行嬗變處理。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式反應。它由一個超強的穩定散裂中子源和一個次臨界堆組成。
[0004]ADS (Accelerator Driven Sub-critical System)是加速器驅動次臨界潔凈核能系統。它利用加速器加速的高能質子與重靶核發生散列反應，一個質子引起的散裂反應可產生幾十個中子，用散裂產生的中子作為中子源來驅動次臨界包層系統，使次臨界包層系統維持鏈式反應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，散裂靶元件設計至關重要。顆粒靶的設計難點包括:散裂靶鎢球顆粒是流動的，形成一個“球流”過程，質子束流與鎢球接觸的界面形狀復雜，隨空間和時間因素而發生變化；球在空間中的堆積具有隨機性、局部堆積密度隨空間位置不同變化比較大，從而導致均勻化計算(主要計算平均堆積率)不準確，不能滿足實際設計要求，因此使用全填充模式(根據實際鎢球在靶空間中的真實分布情況來模擬)來模擬計算散裂靶顆粒球。
[0005]建立全填充模式幾何模型來模擬實際的靶運行狀態能夠大大提高對散列靶研宄設計的效率，從而設計出更為安全、高效、實用的散裂靶。在模擬過程中主要有三個科學問題需要解決:1、顆粒靶幾何建模(依據實際物理運行結果計算得到的幾何信息來建模)，要能達到可視查看、輸運模擬運行兩類需求(MCNP幾何描述、半代數幾何描述)。2、輸運模擬(質子、中子在顆粒靶幾何模型中的輸運模擬)，需要解決輸運過程中的幾何追蹤算法(邊界檢測、位置判斷、運動方向、下一個碰撞點的確定)3、顯示可視化輸運模擬的結果。
[0006]國外研宄進展:之前對于MCNP幾何建模，首先構造實體幾何模型，然后用文進行本建模，文本建模方式采取純人工方式，費時費力，容易出錯。現在使用CAD建模，首先生成模型，然后通過轉換算法將其轉換成MCNP輸入文件INP file，但是對大規模顆粒存在很多缺陷和不足，建模困難，轉換算法設計困難。美國Los Alamos國家實驗室建立有VisualEditor, moritz兩套針對不同需求的建模體系，但對中國禁售；
[0007]國內研宄進展:中科院等離子體研宄所吳宜燦教授領導的團隊:MCAM，可以實現多種商用軟件CAD模型與MCNP模型之間的相互轉換，提供了模型建立、預處理、屬性分析等基本功能和計算結果可視化及基于醫學映像建模接口等擴展功能。缺陷是雖然比較通用，但是不能適用于大規模顆粒靶建模中國工程物理研宄院、西南科技大學，主要基于UG商用軟件進行二次開發，實現從CAD到MCNP模型的轉換，仍在研宄階段。
[0008]因此開發散裂靶可視化輔助系統，對提高國內加速器驅動次臨界潔凈核能系統研宄工作的進展有很重要的意義。
【發明內容】
[0009]本發明是“ADS嬗變系統”專項下對散裂靶模擬進行幾何建模、基于GPU硬件加速的顆粒流模擬運輸和高能蒙卡計算及相關計算結果可視化處理的系統方法，對顆粒流模擬運輸的計算結果和高能蒙卡的計算結果進行可視化處理，使用戶能夠對自己感興趣的計算結果通過可視化模塊進行渲染顯示，以表征各類計算量的分布，從而減輕用戶在分析數據本身時做的很多與分析數據本身無關的繁瑣工作，以節省大量時間。計算結果的可視化與其他兩個計算應用集成起來可以達到協同工作的目的，各自都發揮最大的特長，以形成真正有效的顆粒靶模擬軟件集成與可視化系統方法。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STEP中性文件轉換，快速生成MCNP輸入文件，大幅節省時間，也降低了 MCNP輸入文件的出錯率。該模塊不僅實現了模型創建、模型布爾運算、模型處理、模型可視化、數據交換等基本功能，還實現了模型的縮放，物理材料的添加等尚級功能。
[0011]2)基于GPU硬件加速運算的顆粒流輸運模擬計算及結果可視化系統。該系統基于DEM (Decrement Element Method)方法編寫，并用GPU的高性能運算能力來加速模擬計算，用來模擬球體顆粒在各種容器中的運動并輸出相關的物理量。其實現的主要功能包括:a、在圓桶、方桶、各種漏斗等容器空間中生成、也可以讀入已經生成好的不同半徑、不同材料的球體顆粒，每個顆粒可以有不同的半徑、密度、楊氏模量等參數，顆粒跟顆粒有不同的恢復系數、摩擦系數等參數。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動過程。C、輸出顆粒的運動狀態，包括坐標、速度、角速度、加速度等。d、輸出顆粒的作用力狀態，包括顆粒與顆粒之間以及顆粒跟墻之間的作用力。e、輸出體系的動能、勢能以及總能量。f、輸出顆粒流出漏斗的流量。g、統計體系的力鏈分布。h、輸出體力壓強分布。
[0012]3)基于GPU硬件加速運算的高能蒙卡計算及結果可視化系統:這也是本發明的最后一個模塊。在ADS散裂靶設計過程中，中子的輸運過程的模擬是散裂靶設計的核心部分。對中子輸運過程的模擬，通常采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法。目前，蒙特卡洛方法的實現以CPU為主，這些方法由于CPU計算能力不足導致計算規模不足，在模擬過程中，極大的限制了計算速度和模擬規模，在可以接受的時間內只能計算很小的空間尺寸和時間尺寸。GPU并行編程為蒙特卡洛方法提供一種方便、直接又經濟的解決方案。本發明針對ADS散裂靶中高能質子、中子的輸運過程，開發了 GPU版本的中高能原子核散裂反應的模擬程序。GTO版本的中高能原子核散裂反應的模擬程序可以高效的模擬ADS散裂靶中中子、質子等粒子與靶材料中的原子所發生的高能原子核反應過程。對散裂靶的設計與模擬過程，可以起到非常關鍵的作用。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的整體架構示意圖。
[0014]圖2為建模軟件模塊實施的示意圖。
[0015]圖3為顆粒流輸運模擬計算模塊的實施示意圖。
[0016]圖4為高能蒙卡計算模塊的實施示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖，對本發明專利做以下詳細說明:
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