數字化反應堆耦合架構研究綜述

張喜林 王嘯宇 彭 倩 鄒子強 王嘉賡

（1.核反應堆系統設計技術重點實驗室中國核動力研究設計院，四川 成都 610041；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

0 引言

反應堆設計分析涉及中子物理和熱工水力等多個專業。傳統反應堆設計優化是由各專業單獨開展的。傳統方式存在以下不足：

（1）影響設計效率：雖然各專業均是單獨完成設計計算，但整體上很多問題的解決仍然需要迭代。由于對其他專業缺乏充分了解，基于人員溝通的迭代過程可能會引起不必要的反復迭代和設計周期的延長。

（2）影響設計經濟性：雖然最終完成的反應堆設計可以達到既定的設計目標，但是由于各專業都采用了保守設計，導致反應堆設計整體累積的保守余量過大，雖然極大保證了安全，但需要以過度經濟成本作為代價。

（3）在某些現象問題的分析能力上存在不足：受制于計算能力，目前各專業程序通常模型簡化程度較高；對某些反應堆關鍵現象尚未充分認識，或者相關模型尚未發展成熟；多物理耦合效應的現象難以通過現有單獨專業程序工具進行分析。這些都不利于挖掘設計余量和提升反應堆性能。

因此，開發高精度專業程序、拓展專業程序能力和開展多專業耦合是改善設計效率和設計經濟性的必經之路。這也是數字化反應堆的重要研究內容。

本文首先介紹數字化反應堆統一耦合架構的典型特點，之后對國內外耦合架構進行詳細論述和對比，并嘗試給出數字化反應堆耦合架構相關的研發建議。

1 統一耦合架構的典型特點

數字化反應堆中的多專業耦合計算平臺通常包含：（1）前處理模塊，具備CAD 建模、網格劃分、輸入卡生成等功能；（2）物理求解模塊，涵蓋熱工水力和粒子輸運等專業：（3）統一耦合架構，提供方法工具支持實現耦合；（4）后處理模塊，具備數據可視化和報告生成等功能。

統一耦合架構方案由耦合調度模型和數據傳遞模型組成。耦合調度模型用于定義程序的耦合調度方式。數據傳遞模型用于實現程序間不同類型數據的映射傳遞。

2 國內外統一耦合架構

國際上統一耦合架構有程序耦合和平臺融合兩種方式。程序耦合，是指被耦合的程序可能基于不同的編程語言、軟件設計理念和時空離散方案開發的，需開發額外的程序耦合接口來支持統一接口理念和統一數據傳遞模型。平臺融合，是指所有的物理應用都是基于統一的軟件開發架構（包括數據結構、輸入格式和可選用的時空離散方案等），經用戶設置具體方案后由基礎開發架構自動實現程序間耦合控制和數據通信。

2.1 美國

2.1.1 VERA（CASL）

為改善輕水堆技術，美國創建了輕水堆先進仿真聯盟（CASL）。為了耦合不同專業求解器，CASL 搭建了反應堆建模仿真環境VERA。VERA 內集成了中子物理、熱工水力、燃料棒性能分析和化學—力學—幾何效應分析等諸多專業程序。為耦合歷史遺留程序，VERA 早先基于LIME 開展耦合。之后，LIME 被重新設計為PIKE 并被整合到Trilinos 庫里。為實現求解器間數據傳遞，CASL 開發了開源通用數據傳遞工具包DataTransferKit。

VERA 典型的耦合開發實例是VERA 堆芯模擬器VERA-CS（中子物理程序MPACT+子通道程序CTF+化學分析程序MAMBA）和Tiamat（VERA-CS+燃料行為分析程序Bison）。

2.1.2 SHARP&MOOSE（NEAMS）

與CASL 項目不同，美國數值反應堆項目NEAMS是圍繞先進反應堆和核燃料循環系統。在NEAMS 項目中，美國阿貢國家實驗室和愛德荷實驗室分別研發了用于耦合已有程序的SHARP 架構和按統一架構開發程序并進行耦合的MOOSE 架構。

在SHARP 架構中，CouPE 用于耦合物理求解器，MOAB 庫提供通用網格/場數據格式，MBCoupler 實現非匹配網格間的數據映射。SHARP 已融合中子輸運程序PROTEUS、譜元法CFD 程序Nek5000，正在融合結構力學程序Diablo。SHARP 架構支持顯式耦合和Picard 迭代算法。SHARP 架構中的典型耦合實例是PROTEUS 和Nek5000 的耦合。

基于LibMesh 和PetsC 等基本庫，開源多物理面向對象耦合開發環境MOOSE 提供可拓展的編程架構，方便外部程序按照有限元方法離散求解和JFNK耦合迭代方法實現多物理耦合。LibMesh 庫提供統一的網格數據格式。基于MOOSE 架構開發的程序有：燃料行為分析程序BISON、燃料微觀結構演化分析程序MARMOT、系統程序Relap-7（內嵌子通道模型）、中子輸運程序RattleSNake 和CRUD 微結構模擬器MAMBABDM。經封裝集成到MOOSE 中的程序包括：蒙特卡洛程序Okapi（對應OpenMC），CFD 程序Giraffe（對應Nek5000）。

目前，美國NRC 與NEAMS 項目組也在計劃合作搭建非水堆綜合性分析軟件包BlueCRAB。將系統程序TRACE 等NRC 所擁有程序封裝集成到MOOSE 架構中，并與MOOSE 架構內與其他程序耦合。

2.2 歐洲

2.2.1 OpenFOAM

國際上開展了一系列基于開源有限體積法CFD程序OpenFOAM 的反應堆多物理耦合求解器開發工作，包括：

（1）瑞士PSI 牽頭完成GeN-Foam 求解器的開發。GeN-Foam 耦合了單相熱工水力、熱力學、多群中子物理、亞尺度有限差分燃料傳熱和1.5 維燃料棒行為等計算模型。GeN-Foam 采用半隱式Picard 迭代耦合方案。程序間數據映射是基于OpenFOAM 提供的網格單元體積加權算法。

（2）瑞典查爾莫斯理工大學開展了熱工水力模型（buoyantSimpleRadiationFoam）和多群中子擴散模型的耦合。

（3）意大利米蘭理工大學開發了熔鹽堆中子物理-熱工水力耦合求解器，用于熔鹽堆無保護單泵失效事故分析。熱工水力求解器采用OpenFOAM 自帶求解器；中子物理求解器采用單群和多群中子擴散模型以及離散縱標中子輸運模型。求解器采用6 步4 階ESDIRK 算法，采用Picard 迭代。

2.2.2 Supervisor 方案

歐盟先后啟動了NURESIM 計劃、NURISP 計劃和NURESAFE 計劃，來搭建歐洲多物理耦合模擬參考平臺NURESIM。

NURESIM 平臺的基礎是Salome（開源，數值模擬前處理/后處理/物理程序集成耦合）和URANIE（開源，不確定性分析）兩個平臺。Salome 平臺采用MED 庫（支持傳統網格和場數據）來統一不同求解器的輸入輸出并支持程序間數據映射，而耦合接口理念采用通用程序耦合接口理念ICoCo。基于上述理念，歐盟完成的工作包括：

（1）西班牙UPM 完成COBAYA4 和COBRA-TF 的耦合，采用顯式耦合方案。

（2）英國Wood 公司完成蒙卡程序MONK 和子通道程序SUBCHANFLOW 的耦合。

（3）德國KIT 完成Serpent2-SUBCHANFLOW-TR ANSURANUS 的核熱力多物理耦合，采用半隱式耦合方案。

（4）德國KIT 完成系統程序TRACE 和CFD 程序TrioCFD 的耦合，并提出動態隱式附加源項方法（DIAS）。

（5）法國CEA 開發了MATHYS 多尺度熱工水力程序（系統程序CATHARE+子通道程序TrioMC+Trio-CFD），并將Supervisor 程序固化，耦合采用不動點迭代方案。

2.3 中國

2.3.1 JASMIN&JAUMIN&JCOGIN

面向高性能科學與工程計算，中國工程物理研究院自主研發了一套高性能科學與工程計算中間件。編程框架中間件可以支持結構網格（JASMIN）、非結構網格（JAUMIN）和實體組合幾何（JCOGIN）3 類數值模擬應用程序的快速開發。典型的開發實例是基于JAUMIN 框架的確定論中子輸運軟件JSNT-U、基于JCOGIN 框架的三維蒙特卡羅粒子輸運軟件JMCT。

目前只有JASMIN 框架提供聯邦計算功能來支持多物理耦合程序并行計算和并行程序間的程序通信，不同框架程序間的耦合和數據映射技術尚未明確提出。

2.3.2 CVR

中國數值反應堆原型系統CVR1.0是由中國科技部負責的“高性能計算”重點專項支持，項目周期為4 年（2017—2021 年）。面向E 級計算，CVR1.0 致力于搭建數值反應堆整體架構，提供多尺度多物理耦合所需工具，提供程序前后處理驗證確認所需的工具和技術。目前，CVR1.0 目前取得了以下進展：

（1）開發了子通道程序CVR-PASA、CFD 程序CVRPACA。

（2）開發了粒子模擬程序（分子動力學MISA-MD、蒙特卡羅MISA-KMC 和介觀速率理論MISA-RT）。

（3）解決掌握了多堆型精細建模所需的全堆芯統一建模與數據存儲映射技術、大規模并行環境下射線追蹤技術、適用于CPU/GPU 混合架構的特征線并行優化技術，為特征線全堆芯中子物理程序ANT-MOC奠定技術基礎。

2.4 部分針對商業程序的架構

2.4.1 MPCCI

MPCCI是由德國Fraunhofer SCAI 開發的商業多物理耦合工具。目前，主流工業程序都提供接口支持MPCCI 耦合。

為支持MPCCI，每個程序需具備以下3 個層次：求解器程序代碼層（code layer）、MPCCI 接口代碼層（MPCCI layer）和并行MPI 層（MPI layer）。MpCCI 的調度程序是MpCCI CouplingEnvironment，提供耦合管理器，支持全局顯式耦合方法和隱式迭代耦合方法等耦合方法。MPCCI 支持不同線程上非匹配網格數據的相互映射，支持節點對節點（PP）、單元對單元（EE）和節點對單元（PE）。

2.4.2 preCICE

開源耦合庫preCICE由德國慕尼黑工業大學和德國斯圖加特大學聯合開發，是E 級計算科學軟件開發工具包xSDK 的一部分。

各程序提供的適配接口（adapter），通過鏈接pre-CICE 庫，具備以下功能：跨平臺使用，其Adapter 接口開發對程序代碼修改很小；支持TCP/IP 和MPI 兩種通信方式；支持最近鄰插值、基于徑向基函數的Black-box 映射等數據映射方法；耦合迭代算法方面，支持靜態、動態亞松弛方法、Anderson 加速、廣義Broyden 加速技術；支持時間插值。

3 結語

“程序耦合”統一耦合架構包括歐盟的Supervisor方案（核心是統一接口理念ICoCo+統一數據傳遞模型MED）、美國的SHARP 架構、德國的MPCCI 工具和preCICE 庫以及法國的OpenPALM 庫。“平臺融合”統一耦合架構包括美國的MOOSE 架構、歐洲的OpenFOAM、中國的J 系列中間件（JASMIN/JAUMIN/JCOGIN）等。

自下而上統一耦合架構可以以“黑匣子”方式來將已有專業程序耦合在一起。而自上而下統一耦合架構則需要將專業程序按照其要求的方式來重新開發。自下而上架構的代碼開發量較少，可以較快地完成近期目標。目前有將專業程序都基于自上而下統一耦合架構開發的趨勢，從而更好地利用現代軟件工程、數值算法和高性能計算技術。然而，目前自上而下統一耦合架構方案眾多，一時難分伯仲。長期來看，仍是自下而上和自上而下架構共存的情況。融合不同框架是數字堆發展必須要解決的問題。

耦合接口方案和數據傳遞模型是耦合架構中的兩個主要內容。耦合接口方案強調其通用性，致力于可以實現算符分離、Picard 迭代、JFNK 等耦合迭代算法及其松弛加速技術。數據傳遞模型則要能夠支持不同類型的物理程序計算數據（傳統網格、無網格、組合幾何等）在程序間可以有效傳遞，確保數據傳遞的連續性、守恒性和可適用大規模并行能力。各項目的耦合接口和數據傳遞方案各有所長，融合不同技術路線對于提升數字化反應堆性能和靈活性具有重要意義。