一种基于gpu硬件加速的散裂靶可视化辅助系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明是“未来先进核裂变能”-ADS嬗变系统专项下，运用GPU硬件加速对散裂靶模拟进行几何建模、颗粒流模拟运输和高能蒙卡计算及相关计算结果可视化处理的系统方法。
【背景技术】
[0002]当前社会，石化燃料已不能满足现有社会的能源需求，通过人们的不断创新，出现了许多能够缓解石化能源压力的新型能源，核能成为新型能源的杰出代表。然而核能源也导致新的问题:大量核废料处置的世界难题。以我国为例，当核电装机容量达到2030年的8000?10000万千瓦规模时，乏燃料累计积存将达到20000?25000吨，其中MA将达到16?20吨，LLFP将达到24?30吨。因此，尽快开发出核废料有效处理方案，已成为迫在眉睫的课题。
[0003]为了实现核废料的有效处理，研宄者提出了“分离嬗变”技术方案。即先通过分离将MA及LLFP提取出来，然后对其进行嬗变处理。1993年，鲁比亚提出洁净核能源的概念，名为能量放大器。能量放大器是依靠外源中子激起裂变的链式反应。它由一个超强的稳定散裂中子源和一个次临界堆组成。
[0004]ADS (Accelerator Driven Sub-critical System)是加速器驱动次临界洁净核能系统。它利用加速器加速的高能质子与重靶核发生散列反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应以便得到能量和多余的中子增殖核材料和嬗变核废料。在ADS各部分中，散裂靶元件设计至关重要。颗粒靶的设计难点包括:散裂靶钨球颗粒是流动的，形成一个“球流”过程，质子束流与钨球接触的界面形状复杂，随空间和时间因素而发生变化；球在空间中的堆积具有随机性、局部堆积密度随空间位置不同变化比较大，从而导致均匀化计算(主要计算平均堆积率)不准确，不能满足实际设计要求，因此使用全填充模式(根据实际钨球在靶空间中的真实分布情况来模拟)来模拟计算散裂靶颗粒球。
[0005]建立全填充模式几何模型来模拟实际的靶运行状态能够大大提高对散列靶研宄设计的效率，从而设计出更为安全、高效、实用的散裂靶。在模拟过程中主要有三个科学问题需要解决:1、颗粒靶几何建模(依据实际物理运行结果计算得到的几何信息来建模)，要能达到可视查看、输运模拟运行两类需求(MCNP几何描述、半代数几何描述)。2、输运模拟(质子、中子在颗粒靶几何模型中的输运模拟)，需要解决输运过程中的几何追踪算法(边界检测、位置判断、运动方向、下一个碰撞点的确定)3、显示可视化输运模拟的结果。
[0006]国外研宄进展:之前对于MCNP几何建模，首先构造实体几何模型，然后用文进行本建模，文本建模方式采取纯人工方式，费时费力，容易出错。现在使用CAD建模，首先生成模型，然后通过转换算法将其转换成MCNP输入文件INP file，但是对大规模颗粒存在很多缺陷和不足，建模困难，转换算法设计困难。美国Los Alamos国家实验室建立有VisualEditor, moritz两套针对不同需求的建模体系，但对中国禁售；
[0007]国内研宄进展:中科院等离子体研宄所吴宜灿教授领导的团队:MCAM，可以实现多种商用软件CAD模型与MCNP模型之间的相互转换，提供了模型建立、预处理、属性分析等基本功能和计算结果可视化及基于医学映像建模接口等扩展功能。缺陷是虽然比较通用，但是不能适用于大规模颗粒靶建模中国工程物理研宄院、西南科技大学，主要基于UG商用软件进行二次开发，实现从CAD到MCNP模型的转换，仍在研宄阶段。
[0008]因此开发散裂靶可视化辅助系统，对提高国内加速器驱动次临界洁净核能系统研宄工作的进展有很重要的意义。
【发明内容】
[0009]本发明是“ADS嬗变系统”专项下对散裂靶模拟进行几何建模、基于GPU硬件加速的颗粒流模拟运输和高能蒙卡计算及相关计算结果可视化处理的系统方法，对颗粒流模拟运输的计算结果和高能蒙卡的计算结果进行可视化处理，使用户能够对自己感兴趣的计算结果通过可视化模块进行渲染显示，以表征各类计算量的分布，从而减轻用户在分析数据本身时做的很多与分析数据本身无关的繁琐工作，以节省大量时间。计算结果的可视化与其他两个计算应用集成起来可以达到协同工作的目的，各自都发挥最大的特长，以形成真正有效的颗粒靶模拟软件集成与可视化系统方法。包括:
[0010]I) 一套基于OpenCascade的MCNP辅助建模软件，改变了以往MCNP输入文件的手工文本输入方式，可以以图形的方式建立模型，通过STEP中性文件转换，快速生成MCNP输入文件，大幅节省时间，也降低了 MCNP输入文件的出错率。该模块不仅实现了模型创建、模型布尔运算、模型处理、模型可视化、数据交换等基本功能，还实现了模型的缩放，物理材料的添加等尚级功能。
[0011]2)基于GPU硬件加速运算的颗粒流输运模拟计算及结果可视化系统。该系统基于DEM (Decrement Element Method)方法编写，并用GPU的高性能运算能力来加速模拟计算，用来模拟球体颗粒在各种容器中的运动并输出相关的物理量。其实现的主要功能包括:a、在圆桶、方桶、各种漏斗等容器空间中生成、也可以读入已经生成好的不同半径、不同材料的球体颗粒，每个颗粒可以有不同的半径、密度、杨氏模量等参数，颗粒跟颗粒有不同的恢复系数、摩擦系数等参数。b、模拟生成或读入的颗粒在圆桶、方桶、各种漏斗等容器中的运动过程。C、输出颗粒的运动状态，包括坐标、速度、角速度、加速度等。d、输出颗粒的作用力状态，包括颗粒与颗粒之间以及颗粒跟墙之间的作用力。e、输出体系的动能、势能以及总能量。f、输出颗粒流出漏斗的流量。g、统计体系的力链分布。h、输出体力压强分布。
[0012]3)基于GPU硬件加速运算的高能蒙卡计算及结果可视化系统:这也是本发明的最后一个模块。在ADS散裂靶设计过程中，中子的输运过程的模拟是散裂靶设计的核心部分。对中子输运过程的模拟，通常采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法。目前，蒙特卡洛方法的实现以CPU为主，这些方法由于CPU计算能力不足导致计算规模不足，在模拟过程中，极大的限制了计算速度和模拟规模，在可以接受的时间内只能计算很小的空间尺寸和时间尺寸。GPU并行编程为蒙特卡洛方法提供一种方便、直接又经济的解决方案。本发明针对ADS散裂靶中高能质子、中子的输运过程，开发了 GPU版本的中高能原子核散裂反应的模拟程序。GTO版本的中高能原子核散裂反应的模拟程序可以高效的模拟ADS散裂靶中中子、质子等粒子与靶材料中的原子所发生的高能原子核反应过程。对散裂靶的设计与模拟过程，可以起到非常关键的作用。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的整体架构示意图。
[0014]图2为建模软件模块实施的示意图。
[0015]图3为颗粒流输运模拟计算模块的实施示意图。
[0016]图4为高能蒙卡计算模块的实施示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，对本发明专利做以下详细说明:
[0018