Разработка методик и программ для решения уравнения переноса излучения на основе параллельных вычислений

Человечество все больше и больше потребляет энергии, которая требуется для развития различных отраслей производства и комфортной жизни. В современном мире доля ядерной энергетики неуклонно возрастает. Это объясняется различными причинами. Ресурсы углеводородов не безграничны, а запасов ядерного топлива на данный момент достаточно, чтобы обеспечить необходимые темпы развития производства энергии. Планами государства предусматривается построение несколько десятков энергоблоков атомных электростанций типа ВВЭР различной мощности. Кроме того, возможность устанавливать локально ядерные энергетические установки (ЯЭУ) небольшой мощности в труднодоступных, удаленных от основных транспортных магистралей местах способных достаточно долгое время работать на одной топливной загрузке делает эти установки незаменимыми в производстве энергии.

Развитие такой отрасли как ядерная энергетика, требует применения самых современных технологий, которые позволят успешно развивать эту отрасль и решать поставленные перед ней задачи.

Техническое сопровождение существующих ЯЭУ в атомной энергетике и создание новых установок является одной из приоритетных инженерных задач, которые включает решение следующих проблем: расчет эксплуатационных характеристик активных зон, решение задач защиты ЯЭУ от нейтронного и гамма излучения, неизбежно сопровождающее работу этих установок. Кроме того, не всегда возможно, или требует значительных финансовых вложений, проведение большого количества прямых экспериментов, моделирующих работу ЯЭУ.

Поэтому создание совершенных расчетных моделей для математического моделирования сложных физических процессов — главная задача, решение которой позволит получить значительный экономический эффект. Доступные на данный момент мощные вычислительные машины при моделировании этих процессов будут эффективны только в том случае, если методы расчета позволят применять все преимущества этой техники.

Огромные ресурсы в сочетании с высокой производительностью позволяют переходить к моделированию процессов переноса излучения на новом, высокоточном уровне, совершенствуя существующие математические модели и создавая новые. Возможность практически точно, с мелким шагом геометрической детализации, описывать сложную геометрию решаемых задач, применять более детальное разбиение энергетической области при многогрупповых расчетах, поднимает качество таких расчетных моделей до нового высокоточного уровня.

Значительные размеры ЯЭУ требуют больших пространственных сеток для адекватного описания уравнения переноса Больцмана в конечно-разностном представлении. Поэтому для решения полномасштабных задач защиты уже не хватает ресурсов обычных персональных ЭВМ. Мощные вычислительные машины, состоящие из нескольких тысяч процессоров и способные работать параллельно — это суперкомпьютеры, которые позволяют разрешить эти задачи на высокоточном уровне.

Основная цель диссертационной работы — создание вычислительного инструмента, использующего современную архитектуру вычислительных комплексов, способного применять все доступные ресурсы этих комплексов, позволяющего решать уравнение переноса излучения в больших реакторных системах.

Для достижения поставленной цели автор решил следующие задачи: разработана методика и созданы программы для решения уравнения переноса излучения на многопроцессорных компьютерах с использованием параллельных вычислений, программы способны использовать все доступные ресурсы вычислительной системы, без ограничения на число используемых процессоровпроведено тестирование и исследование эффективности предложенной методики.

Актуальность работы определяется необходимостьюсоздания вычислительного инструмента, использующего современную, архитектуру вычислительных комплексов для решения задач переноса излучения в больших реакторных системах, когда мощности' персонального компьютера не достаточно для получения достоверного результата.

Научная новизна результатов работы с остоит. в следующем:

— создан новыйвычислительный: инструмент (программы ИЛСКУ и ЬиСКУ С), использующий г современную — архитектуру вычислительных комплексов, позволяющийрешать уравнение переноса излученияв больших реакторных системах и применять все: доступные: вычислительные ресурсы суперкомпьютера (без:ограничений на, число процессоров)-,.

— программы обладают хорошей эффективностью, что позволяет использовать детальные математические моделипри, решении^ задачизареальныевремена" расчета.

Достоверность полученныхрезультатов подтверждена? выполненными' верификационными расчетами", на основании? которых: делается вывод о возможности? использования разработанных программ, в реальных расчетах при обосновании ядерной безопасности в ЯЭУ.

Практическая-ценность полученных результатов-определяется:

— расширением расчетных возможностей современного вычислительного инструмента при решении уравнения переноса в больших реакторных системах;

— разработкой. оригинальной методикирешения уравнения переноса излучения, адаптированной к высокопроизводительным параллельным вычислениям;

— созданием программ ЬиСКУ и ЬиСКУС;

— созданием нового вычислительного. инструмента позволяющего вшолной:-мере-использовать все: доступные ресурсы суперкомпьютера без ограничения на число процессоров, применять мелкие пространственные сетки для описания сложных по геометрии задач, повышая точность расчетной модели, использовать X-Y-Z геометрию как универсальную;

— наличием опыта решения реальных задач с использованием от 1000 — 3500 процессоров с эффективностью от 9 до 45%.

— наличием возможности адаптации программ для гибридных вычислительных систем.

Реализация результатов. Проведена верификация вычислительного инструмента на реальных задачах с использованием от 1000 до 3500 процессоров, эффективность от 45 до 9%. Созданные программы успешно применяются для расчета защиты от излучения вЯЭУ.

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 4 конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи в журнале «Вопросы атомной науки и техники». На защиту выносятся.

1. Оригинальная методика решения многогрупповых задач переноса излучения с применением алгоритмов параллельных вычислений.

2. Результаты исследования эффективности алгоритмов параллельных вычислений.

3. Итерационные схемы решения многогрупповых задач для параллельных алгоритмов.

4. Результаты верификационных исследования разработанных алгоритмов и программ.

5. Программы LUCKY и LUCKYC для супер-ЭВМ, предназначенные для решения задач переноса излучения в больших и геометрически сложных системах в многогрупповом приближении.

Первая глава посвящена суперкомпьютерам и параллельным процессам на суперкомпьютерах.

Во второй главе представлен обзор трехмерных расчетных программ MCNP, TORT, КАТРИН, РАДУГА-5 и TITAN применяемых для вычисления решения уравнения переноса при решении задач защиты и критических задач в ЯЭУ.

Третья глава посвящена основным положениям методики параллельных вычислений и способам оптимизации получения решения.

В четвертой главе проводиться обзор особенностей программ LUCKY и LUCKYC.

В пятой главе представлены результаты расчетов по программе LUCKY, сравнение с другими программами и экспериментальными данными. Результаты представлены в приложениях А, Б, В, Г, Д диссертации.

Заключение

.

Сделаем основные выводы по результатам данной работы.

1. Создан новый вычислительный инструмент, использующий современную архитектуру вычислительных комплексов, позволяющий решать уравнение переноса излучения в больших реакторных системах.

2. Разработана оригинальная методика для решения уравнения переноса излучения на основе параллельных вычислений.

3. Созданы программы LUCKY и LUCKYC (язык программирования ФОРТРАН 90) в которых реализована предложенная методика.

4. Применение предложенной методики позволяет проводить параллельные расчеты с эффективностью равной от 9 до 45% (за счет организации эффективного итерационного процесса для ячеек) на суперкомпьютерах с распределенной памятью, применяющих MPI стандарт на большом числе процессоров (от 1000 до 3500). Потери времени на обмен составляют не более 10—50% от времени расчета на задачах с использованием большого числа процессоров, так как число подобластей участвующих в обмене данными в итерационном процессе на отдельном вычислительном модуле не превышает 6.

5. Даны рекомендации (стратегия разбиения расчетной области на подобласти) по организации вычислительных параллельных процессов с применением разработанных программ.

6. Созданный вычислительный инструмент позволяет в полной мере использовать все доступные ресурсы суперкомпьютера без ограничения на число процессоров, применять мелкие пространственные сетки для описания сложных по геометрии задач, повышая точность расчетной модели, использовать X-Y-Z геометрию как универсальную.

7. Проведены расчеты по программе LUCKY ряда тестовых и модельных задач, реальной композиции реактора ВВЭР-1000 Балаково, для которой проведено сравнение полученных результатов с результатами бенчмарк эксперимента на внешней поверхности корпуса реактора. Просчитаны эксперименты, которые проводились на исследовательском реакторе ИР-50, дано сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

8. Результаты сравнения дают основание для применения программы LUCKY при решении задач защиты от нейтронного и гамма излучения в ЯЭУ.

9. Имеются хорошие перспективы увеличения производительности программ при использовании гибридных вычислительных систем.