數值反應堆及CVR1.0研究進展

楊 文，胡長軍，劉天才，汪 岸，吳明宇

(1.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413； 2.北京科技大學，北京 100083)

核反應堆工程是一個涉及材料學、核物理學、化學、熱學、力學等多學科的復雜工程。隨著核反應堆工程和技術的不斷創新發展，其對安全性、可靠性、經濟性和可持續性提出了更高的要求，對反應堆設計、建造、運行乃至延壽、退役全生命周期均提出了新的挑戰。近年來隨著計算機、大數據、人工智能技術的不斷發展，特別是以天河、神威超級計算機為代表的高性能計算技術取得國際領先地位，依托先進的超級計算機，采用先進的數學物理計算方法，對核反應堆中子物理、熱工水力、結構力學、燃料性能、材料輻照效應等各物理過程進行三維精細化數值模擬，建立微觀機理、演化和宏觀性能之間的關聯關系，成為國際上一個前沿研究熱點。數值核反應堆就是在這樣的背景下提出的新的研究課題。

反應堆工程技術作為一種通過實現穩定的中子鏈式反應和安全可靠的能量或動力傳輸實現核能和平利用的、復雜的工業系統工程產品，一直面臨著降低成本、提高安全性和減少放射性廢物的艱巨任務。信息技術的發展無疑給反應堆工程技術帶來了更有吸引力的戰略性機遇。數值反應堆(數值堆)是基于多物理耦合計算、大規模并行計算、基于現有反應堆實驗數據的驗證與確認，應用先進的反應堆物理、熱工水力、燃料、結構力學、材料等計算機軟件，對反應堆進行全方位、精細化的數值模擬，使之具有可視及可操作性等，以完成反應堆現實的或超越現實的研究，數值堆是未來核能系統的先進研究平臺。數值堆最核心的內容包括反應堆三維全堆芯pin-by-pin物理模擬、多維度熱工水力模擬、結構力學行為模擬、燃料元件性能分析和多因素耦合作用下燃料/材料堆內行為預測，以及多物理、多尺度耦合模擬、反應堆系統級模擬分析等。

數值堆不同于數字化核電廠或數字化反應堆。數值堆強調的是依托超級計算機這個工具，以數學、物理模型為基礎，用數值計算方法從原理機制、微觀演化到宏觀表象來揭示和預測實際反應堆不同階段/狀態的各種物理過程。數值堆是數字反應堆的核心組成部分，但用數字化技術逼真展示反應堆系統及其工作流程、為管理和培訓提供逼真操作環境等不是數值堆本身的研究內容。

由于反應堆各物理過程(中子物理、熱工水力、結構力學、燃料性能、材料堆內行為等)以及多物理、多尺度、強非線性耦合的復雜性，實現全堆高精細模擬所需的計算資源和存儲資源遠非服務器和小型集群計算系統所能滿足，需要超級計算機的支持。以我國神威、天河、曙光為代表的超級計算機系統，計算能力已居世界領先地位，立足于我國的超算優勢，“十三五”國家重點研發計劃重點專項啟動了數值反應堆原型系統(CVR1.0)開發及示范應用項目，目標是瞄準應用需求，發揮超算優勢，對標歐美典型的數值核反應堆項目(如CASL、NEAMS、CESAR等)，形成自主核心關鍵技術。CVR1.0項目的核心就是建立中國數值堆原型系統，開發面向E級超算的反應堆模擬軟件，實現4代快堆等示范應用。CVR1.0項目研究團隊由國內反應堆工程、超算、軟件工程等領域的10家優勢單位組成。項目以總體架構與建模、并行算法設計、軟件開發與并行優化、模擬驗證與示范應用為主線開展研究。項目實施近2年來，項目團隊完成了數值堆總體架構設計，建立了數值堆總體設計規范、軟件接口規范、軟件設計規范，完成了中子物理、熱工水力、結構力學、燃料元件性能分析和材料性能預測5大核心模擬軟件的數學物理建模和部分軟件開發，與美國典型的數值堆研發項目相比，在熱工水力模擬、材料多尺度模擬和中子物理模擬的核心關鍵技術上取得了一些亮點成果。

本文擬對國內外典型數值堆研發的進展進行綜述，展示本研究小組近期擬開發的數值堆核心軟件組成體系，并分析主要物理過程模擬對超級計算機存儲、計算資源的巨大需求。描述CVR1.0涉及的關鍵技術體系以及項目目前的研究進展。

1 國內外相關進展

近年來，以歐美為代表的國際核能先進國家高度重視基于先進算法/建模和超級計算等的數值堆的研究開發，針對其3代、4代等反應堆的應用，陸續開發了多種先進的數值堆模擬軟件系統。其中有些已有初步實際工程應用。

1.1 歐洲國家

歐洲國家近10余年來主要致力于聯合開發其核反應堆模擬平臺NURESIM，該平臺是一套用于模擬輕水堆正常運行和設計基準事故的軟件，由核反應堆安全模擬歐洲聯盟(NURESAFE European Consortium)開發[1]。該聯盟旨在通過2005年開始的3個連續項目NURESIM、NURISP和NURESAFE，使NURESIM平臺成為多尺度和多物理場模擬領域的參考軟件。基于開源模擬平臺SALOME[2]，NURESIM項目(2005—2008年)建成了一個多物理集成環境的原型系統，它具備包括堆芯物理模擬、熱工水力模擬和敏感性及不確定性分析(S&U)在內的一系列模擬能力。隨后，該聯盟啟動了核反應堆集成模擬項目NURISP(2009—2011年)，旨在改進和擴展平臺的仿真功能，以在空間和時間上實現更高的精度[3]。該項目為NURESIM平臺增加了燃料熱力學代碼。第3個項目NURESAFE(2013—2015年)開展了6個子項目，以擴大NURESIM平臺的使用范圍，滿足歐洲核工業的需求[4]。到目前為止，NURESIM仿真平臺在2代堆、3代堆上開展并完成了大量測試，期望未來能擴展到4代堆的模擬。除NURESIM平臺外，還有大量的模擬工具集成到SALOME中，特別是由法國電力能源公司(EDF Energy)構建的Code_Aster和Code_Saturne[5]。在材料高性能模擬計算方面，歐盟基于多尺度模擬技術開發了壓力容器(RPV)鋼輻照脆化模擬系列軟件RPV-1、RPV-2等。RPV-1由7個程序包和2個數據庫組成，主要用于模擬壓水堆和沸水堆RPV鋼的輻照效應，能獲得RPV鋼輻照過程中顯微結構演化以及屈服強度的變化。

1.2 美國

2010年，美國能源部(DOE)建立了輕水反應堆先進仿真聯盟(CASL)[6]，旨在進一步提高現有反應堆的安全性和經濟性。持續多年的CASL項目開發了一個用于反應堆多物理模擬的集成環境——反應堆應用虛擬環境(VERA)[7]。VERA集成了大量現有的計算代碼和開源框架用于輕水堆的建模和仿真，而其核心部分VERA-CS專門設計用于堆芯計算。VERA的一個重要耦合框架是MOOSE[8]，它使得VERA能充分利用許多基于多物理面向對象模擬環境(MOOSE)開發的有限元模擬軟件，如燃料性能分析軟件BISON[9]。此外，另一個基于Trilinos框架[10]而設計的多物理耦合工具為PIKE。這些耦合工具和框架使VERA能運用各種策略解決多物理問題，如Picard迭代和JFNK[11]。最近，VERA已被用于模擬AP1000壓水堆[12]和Watts Bar Nuclear Unit 2(WBN2)的啟動[13]，證明了其強大的堆芯計算和多物理場模擬的能力。

核能先進建模與仿真(NEAMS)項目是美國能源部的另一項與CASL基本同期進行的數值堆項目，其核心產品稱為NEAMS ToolKit。NEAMS計劃的首要目標是為各種反應堆系統提供從單個芯塊到整個工廠的模擬和預測能力[14]，目前主要以鈉冷快堆(SFR)為應用目標。2009年以來，NEAMS計劃提出了3條模塊化產品線來實現其目標：燃料產品線(FPL)、反應堆產品線(RPL)和集成產品線(IPL)。FPL和RPL旨在開發單獨的物理組件；而IPL則側重于計算能力的集成，為用戶提供能輔助完成高保真模擬的通用平臺[15]。在3條產品線的推動下，許多模擬工具被整合到NEAMS ToolKit中，其中就包括燃料性能分析軟件BISON和MARMOT、堆芯模擬軟件SHARP[16]。SHARP中集成的3個主要模擬軟件是中子物理軟件PROTEUS、熱工水力軟件Nek5000和結構力學軟件Diablo，每個軟件都是基于美國最先進的超級計算機開發并優化的。

隨著數值堆的研發進展，美國能源部將過往項目中的優秀軟件全部集成起來形成NEAMS Workbench，為核能行業研究人員提供了統一的用戶界面。MOOSE、BISON、Dakota、Argonne Reactor Codes(ARC)和SCALE等框架和軟件集均已集成到NEAMS Workbench Beta 1.0版本中，VERA和NEAMS ToolKit中其他工具的集成也正在進行中。近兩年來，美國能源部核能辦公室(DOE-NE)大力推動核能加速創新門戶(GAIN)，用以促進創新核能技術的商業化[17]。其核心思想是集成數值反應堆程序，為核能創新服務。

隨著超級計算技術的發展，面向未來的E級超算時代，由美國阿貢實驗室牽頭，聯合橡樹嶺國家實驗室、IBM等組成先進反應堆E級高性能模擬中心(CESAR)。該中心將研究重心放在堆芯模擬最關鍵的3個部分：中子輸運確定論方法、中子輸運隨機方法和熱工水力計算流體力學方法[18]。CESAR的技術路線是從幾個性能頗優的P級模擬軟件開始，研究其在E級計算機上的擴展性及多物理耦合等問題。中子輸運確定論方法采用UNIC軟件，中子輸運蒙特卡羅方法采用OpenMC軟件，熱工水力計算流體力學方法采用Nek5000軟件。

針對RPV鋼輻照脆化，美國目前正在開展RPV鋼輻照脆化多尺度模擬軟件Grizzly的開發。

1.3 國內

近些年，國內核能領域也逐漸開始重視數值堆相關研究開發，并取得了不同程度的進展。中國原子能科學研究院在多年反應堆燃料/材料模擬計算和軟件開發基礎上，聯合北京科技大學、中國科學院計算機網絡信息中心等單位，研制了數值堆關鍵材料性能優化高性能數值模擬核心軟件Crystal MD與Crystal KMC。其中Crystal MD基于神威·太湖之光超級計算機實現了體系規模達4×1012個原子的級聯碰撞模擬[19]。2016年，中國原子能科學研究院在國際原子能機構、國家原子能機構等的見證下發布了數字微堆系統，實現了快堆運維一體化平臺的研發與工程應用。2017年，在科技部“十三五”國家重點研發計劃“數值反應堆原型系統開發及示范應用”項目支持下，開展了CVR1.0的開發。

中國核動力研究設計院針對數字化反應堆，包括數值堆，開展了大量研究開發工作，并于2015年發布了中國首套自主化核電軟件一體化平臺NESTOR[20]，2018年已初步完成其數字化反應堆綜合研發平臺VEACTOR的開發，且部分成果已應用于實際工程設計中。

北京應用物理與計算數學研究所針對反應堆全堆芯模擬開發了用于模擬粒子輸運的軟件系統JPTS。JPTS由4個主要計算部件JNuDa、JSNT、JMCT、JBURN和1個數據庫NuDa組成[21]。2017年，Deng等[22]利用蒙特卡羅代碼JMCT在天河2號計算機上成功模擬了多達150萬個燃耗區域的BEAVRS基準例題。JMCT依托該研究所建立的超級計算應用研究中心已成為超算在核科學領域重要的研究力量。目前，北京應用物理與計算數學研究所聯合上海核工程設計研究院等單位，正在積極開展針對我國3代壓水堆核電站的數值堆研發工作。

另外，哈爾濱工程大學、西安交通大學，以及國內核能領域其他一些研究院所也在積極開展數字化反應堆或數值堆相關研發，并取得了一定成果。

2 數值堆核心軟件體系與超算需求分析

2.1 核心模擬軟件體系

正在開展和近期擬開展的中國數值堆CVR核心軟件體系如圖1所示，主要包括中子物理(輻射屏蔽)、熱工水力、結構力學、燃料性能、燃料/材料堆內行為(輻照損傷、材料腐蝕與水化學等)5大領域，以及多物理耦合環境、反應堆系統分析軟件包、E級數值堆驗證與確認(V&V)框架等集成平臺。上述核心軟件體系開發均立足于國產數百P級和下一代E級(天河、神威、曙光)超級計算機的架構特點，旨在充分利用國產超算的優勢解決核反應堆復雜的工程問題，并支持未來核反應堆工程與技術的創新發展。

圖1 中國數值堆CVR核心軟件體系Fig.1 Core software component of CVR

2.2 高精細模擬對超算的需求

數值堆對計算機的計算資源和存儲資源有極大需求。以部件材料在反應堆環境下的輻照損傷行為模擬為例，材料輻照損傷行為包括堆內環境中長期高能中子輻照下，材料微觀組織結構演化和宏觀性能退化(包括原子尺度缺陷的產生、聚集和湮滅)、介觀尺度的微結構演化以及宏觀性能的退化等復雜物理過程，其模擬預測須由一系列多尺度方法耦合起來才能完成，而這其中的每個尺度都需要極大的運算能力來支撐。數值堆材料模擬對超算的計算和存儲需求列于表1。

分子動力學(MD)是一種原子尺度模擬方法，是材料輻照損傷多尺度模擬的重要方法之一，其模擬的精細和逼真度與模擬的原子數量和時間密切相關，擴大MD模擬的空間尺度意味著內存占用量會隨原子數量呈線性增長。如，運用MD模擬1020個原子的運動，可研究材料界面和異質區域[23]。按照現有的Crystal MD軟件估計，可假設每個原子占用100 B(字節)的內存[19]，因此1020個原子將占用107PB的內存。MD與其他方法如動力學蒙特卡羅(KMC)結合使用時所需的存儲量更大。以目前天河2號和神威·太湖之光的單節點內存大小，遠遠無法滿足材料多尺度計算的需求。另一方面，擴大時間尺度意味著增加模擬過程中的迭代次數，會使計算時間大幅增加。為更精確模擬材料中粒子運動引起的材料物性變化，模擬時間步長約為fs或ps量級，模擬1 s至少需要1012步，每一步還需要遍歷模擬域中的所有原子以計算其速度和位置信息。

表1 數值堆材料模擬對超算的計算和存儲需求Table 1 Computing and storage requirements of material simulation performed by virtual reactor

MD與KMC耦合模擬在現有的計算條件下難以延長模擬時間，因此往往用多尺度耦合中的速率理論(RT)進行后續計算。然而，使用RT模擬實際的高輻照劑量，需求解數百萬以上的常微分方程。如nV-mI-jHe三元RT模型中，nV-jHe復合物與間隙團簇mI可能涉及多達1012個常微分方程。在缺陷類型增加時，常微分方程數量可呈指數級增長[24]。

數值堆熱工水力模擬對超算的計算和存儲需求分析列于表2。就熱工水力計算流體力學方法而言，現在工業上常用的雷諾平均模型對計算需求較小，但它只能提供平均運動結果，不能準確反映流場紊動的真實情況。大渦模擬基于湍動能傳輸機制，直接計算大尺度渦的運動，小尺度渦對大尺度渦的影響則通過建立模型體現出來，既可得到較雷諾平均方法更多的諸如大尺度渦結構和性質等的動態信息，又較直接數值模擬節省計算量，是目前國際前沿研究方向。直接數值模擬求解完整的三維N-S方程組是最精細的計算方法，但其要求每個方向上網格節點的數量與雷諾數Re3/4呈比例。Bolotnov[25]估算，使用接近真實的Re，模擬全堆芯的熱工水力現象需要300 Z級計算(每秒1021次浮點運算(1021FLOPS))的超級計算機。

數值堆中子物理模擬對超算的計算和存儲需求列于表3。高精細輸運模擬通常由蒙特卡羅軟件和特征線法軟件完成。蒙特卡羅模擬數百億粒子時，每一代粒子的計算過程涉及大量隨機數的生成和相應的浮點運算。因此，要在短時間內給出具有統計意義的全堆芯高精細模擬結果，需要數十萬甚至百萬核。特征線法模擬時需要存儲精細的截面、通量和特征線數據，計算時使用多群近似和迭代方法求解輸運方程。全堆芯的材料、燃料種類較多，數據量極大，更多數量的能群也會使計算量呈倍數增長。完成快堆全堆芯高精細模擬所需的存儲量可達數千TB，其計算量以現有的超算估計需要數小時甚至數天，難以投入工程設計使用。

不僅材料輻照效應分析、熱工水力、中子物理這3個典型的數值堆模擬系統對計算資源和存儲資源具有巨大的需求，同樣，結構力學模擬計算、燃料性能分析、多物理過程耦合等對超級計算機的需求也很巨大，并且是持續的。這也是世界各國都在搶奪E級超算這一戰略制高點的重要原因之一。

表2 數值堆熱工水力模擬對超算的計算和存儲需求Table 2 Computing and storage requirements of thermal-hydraulic simulation performed by virtual reactor

表3 數值堆中子物理模擬對超算的計算和存儲需求Table 3 Computing and storage requirements of neutronics simulation performed by virtual reactor

3 CVR1.0關鍵技術

CVR1.0共涉及到基于超算的數值堆物理、熱工、力學多尺度精細化耦合先進建模，面向異構架構的數值堆模擬軟件并行優化，多物理、多尺度耦合，多源數據、多模型、多物理裝置結合的高可信度驗證與確認框架4項關鍵技術，具體技術體系分析如圖2所示。

3.1 核反應堆物理、熱工、力學多尺度精細化耦合先進建模技術

核反應堆系統龐雜且運行工況多變，呈現多相態、多因素、病態強耦合特點。傳統核反應堆研究中，物理、熱工、力學分析獨立進行，相互之間的耦合反饋非常有限，計算粗略且效率低，無法處理堆芯等龐雜結構的跨維度多因素強耦合精細計算。要根本上解決以上問題，開發高精細、強耦合、高效運行的數值反應堆，首先要掌握的就是核反應堆物理、熱工、力學多尺度、精細化耦合建模技術。耦合建模最核心的內容是反應堆物理、熱工水力和結構力學的高精細建模技術，以及全堆芯pin-by-pin中子輸運、燃耗、熱工水力和全堆芯流-熱-固耦合計算技術等。同時，耦合建模還要結合三維全堆芯CAD實體建模、一體化網格生成、可視化數據渲染等前后處理技術，充分利用并行技術在精細建模中的優勢。這些關鍵技術也是研制CVR的前提。

圖2 CVR1.0關鍵技術體系Fig.2 Key technology of CVR1.0

3.2 材料輻照損傷多尺度模擬計算技術

CVR最主要的內容和功能之一是精確高效計算預測材料在反應堆環境下的服役性能與壽命。其中最具挑戰的就是長時、高溫、大劑量高能中子輻照環境下材料性能變化的模擬計算。CVR重點關注關鍵RPV鋼輻照脆化和堆內構件潛在輻照腫脹高性能模擬計算技術研究，涉及高能中子轟擊下材料損傷機理、微結構演化行為以及材料宏觀性能的關系等科學問題，也涉及到材料多元勢函數的構建、從微觀到宏觀多尺度模擬計算(模型、算法、多尺度間信息傳遞等)。如前所述，這類問題的模擬需要大規模計算技術的支撐，因此也是目前國際研究的難點和熱點。

3.3 基于E級計算的超大規模并行優化技術

E級計算機是數值反應堆精確高效模擬的重要保障。如何有效利用超級計算機體系結構特點，設計軟件相關數據結構和并行算法來保障E級計算的可擴展性是CVR研究的關鍵。為此，CVR中涉及面向共性算法的輕微負載不均衡情況下的通信調度、通信隱藏問題以及E級超算復雜網絡環境下拓撲感知算法。流-熱-固耦合的并行計算涉及不同模擬組件的數據交換、進程映射、資源調度，因此該項技術要提供面向多物理、多尺度模擬的動態負載均衡策略。此外，針對國產超算的節點內多層異構體系結構，要為CVR設計合理的并行策略，以達到主核與眾核之間、眾核內部的動態負載平衡。

3.4 多源數據、多模型、多物理裝置結合的模擬驗證技術

CVR是相當龐大的科學計算軟件，其數據來源和形式、物理模型、設備種類都極其繁多，因此其模擬結果的可信度需要專門評估。系統化的驗證和確認技術用于保證模擬軟件的計算結果符合數學模型的結果，且能滿足工程人員和研究人員的實際要求[29]。建立CVR的驗證與確認過程模型，并針對不同模擬組件的特點完成數值算法驗證、軟件測試、誤差估計、不確定度分析等典型驗證與確認步驟，是CVR進入示范應用階段的前提。

4 CVR1.0研究進展

CVR1.0項目實施近兩年來，秉承“瞄準應用痛點，發揮超算優勢，領跑核心技術，發展自主軟件”的實施原則，完成了現役反應堆安全穩定運行以及先進堆型研發設計中對先進建模、高性能計算、多物理耦合等技術的需求以及現狀分析，在梳理目前計算能力(100～300P級計算)以及未來3～5年內E級計算能力下迫切需要解決的應用問題基礎上，全面對標美國的三大數值堆技術(CASL、NEAMS、CESAR)，打破課題間的界限，組織了中子物理、熱工水力、材料、燃料、結構力學、多物理耦合、總體和驗證不確定分析(V&V)7個攻關小組，核專業、超算、數學物理、軟件工程人員協同攻關。目前為止，項目在核心關鍵技術研究和自主可控軟件開發兩方面都取得了一定進展，尤其在熱工水力、材料、中子物理方面取得了一些初步成果。

4.1 熱工水力模擬軟件開發

在攻克熱工水力模擬關鍵技術基礎上，開發完成了2套自主可控的熱工水力模擬軟件，即子通道模擬軟件CVR-PASA(兩相子通道熱工水力模擬軟件)和計算流體力學模擬軟件CVR-PACA(單相精細化計算流體力學熱工水力模擬軟件)。CVR-PASA的核心技術適用于多幾何形狀的全堆芯子通道劃分與映射方法，突破了美國同類軟件進程數等于組件數的并行任務劃分限制，軟件的可擴展性和靈活性都優于CASL-CTF。此外，CVR-PASA基于自主的數據庫平臺設計，實用性上也極大地優化了基于文件系統的CTF。CVR-PASA與CASL-CTF的對比列于表4。

表4 CVR-PASA與CASL-CTF軟件的對比Table 4 Comparison between CVR-PASA and CASL-CTF

基于大亞灣1#機組穩態工況，利用CVR-PASA在曙光超級計算機上實現了157組件、每組件264根燃料棒、軸向分層125、網格量5 671 625的全堆芯子通道穩態工況模擬，模擬時間僅6 min 46 s。該算例詳細輸入參數來自文獻[30-32]，計算得到的堆芯溫升為38.2 ℃，與文獻數據吻合較好。

CVR-PACA采用精確大渦模擬模型的高精度譜元方法(最高可達24階精度，常用商用軟件一般不超過5階精度)，能支持超算異構架構(神威、天河、曙光)。目前在神威4096核組上(約135 608核)獲得超85%并行效率。并采用大渦模擬模型模擬壓水堆單棒，進行了初步驗證工作。

CVR-PASA與CVR-PACA有望近期在我國先進核反應堆工程設計建造中的熱工水力高精細模擬方面發揮積極作用。

4.2 材料輻照效應多尺度模擬軟件開發

針對裂變堆中影響服役安全和經濟性的關鍵部件材料輻照損傷問題，研發了自主可控的材料多尺度模擬軟件(MISA)系列，包括微觀上的分子動力學模擬(MISA-MD)、蒙特卡羅模擬(MISA-KMC)，及介觀上的速率理論模擬(MISA-RT)。借助神威超級計算機，分子動力學模擬實現了十萬核、原子數達1012量級的國際最大模擬規模。MISA-MD與傳統的分子動力學模擬軟件LAMMPS相比具有自己的特點(表5)。MISA系列軟件與歐盟開發的分析壓力容器輻照脆化的同類軟件RPV系列相比，也具有自己的特色(表6)。經過進一步的完善與驗證，MISA系列軟件將為反應堆材料在長期高能中子輻照環境下的輻照損傷機理研究、性能預測，以及新型先進反應堆材料的研究開發提供重要支持。

4.3 中子物理模擬進展

瞄準中國示范快堆以及多種類型堆芯的中子物理高精細模擬需求，攻克了多堆型適用的全堆芯統一建模與存儲映射技術、適應大規模并行的FSR標識與射線追蹤技術、面向GPU/CPU混合架構的特征線并行優化技術等關鍵技術，實現了對多種幾何形狀堆芯的統一建模，打破了流行的中子物理模擬程序OpenMOC只能對規則四邊形堆芯組件建模的限制。為正在研制的自主可控三維(3D)億級特征線法全堆芯中子輸運模擬軟件(ANT-MOC)打下堅實基礎。ANT-MOC在模擬規模、類型、精準度等方面有望優于CASL和NEAMS的同類軟件。ANT-MOC與OpenMOC的對比列于表7。

表5 MISA-MD與LAMMPS軟件的對比Table 5 Comparison between MISA-MD and LAMMPS

表6 MISA與歐盟RPV對比Table 6 Comparison between MISA and RPV software from the European Union

表7 ANT-MOC與OpenMOC的對比Table 7 Comparison between ANT-MOC and OpenMOC from MIT

5 總結及展望

數值堆是以超算為核心的信息技術和核反應堆工程技術深度融合的產物，是反應堆數值實驗驗證平臺，已成為國際前沿的熱點研究領域。反應堆多物理狀態、多耦合模式、強非線性的交互作用對數值堆精確建模提出巨大挑戰，而超級計算機系統結構的復雜性也使高效的大規模并行軟件系統設計開發遇到并行優化、正確性驗證、任務調度等一系列技術難題。

利用我國超算優勢，研發中國數值堆原型系統，形成自主核心關鍵技術，是CVR1.0項目的目標和重點。項目實施近兩年來，對標歐美典型的數值堆軟件，在中子物理、熱工水力、材料輻照效應等專業領域掌握了一批關鍵技術，開發了相應的面向E級超算的模擬軟件。

數值堆的研發是一項長期、復雜的系統工程，需跨多領域多專業的高度融合與協同創新，尤其是反應堆燃料和材料的高精細模擬預測。不同類型、不同應用環境的反應堆在原理、結構、燃料、材料、運行工況等方面有很大的差異，其對應的數值堆既有相同特征，也有個性差異。

CVR1.0是基于高性能計算機和先進數值計算方法開發的核反應堆模擬平臺，能實現反應堆物理、熱工水力、燃料組件及材料、結構力學、安全分析等模塊多物理多尺度耦合精細化模擬，可用于反應堆的各種工況模擬、事故分析、安全評價、部件及材料性能預測等研究。CVR1.0將為不同堆型數值堆研發提供基礎和支持。

對項目經費支持單位和技術參研單位北京科技大學、中國科學院計算機網絡信息中心表示衷心感謝。