Разработка методик и программ для решения уравнения переноса излучения на основе параллельных вычислений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Моряков, Алексей Владимирович

• Моряков, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Моряков, Алексей Владимирович

Введение

Глава 1. Суперкомпьютеры, параллельные процессы на суперкомпьютерах

1.1 Эффективность параллельного процесса

Глава 2. Обзор трехмерных программ, применяемых для расчета ядерных энергетических установок

2.1 Метод дискретных ординат

2.2 Метод Монте-Карло

2.3 Современные трехмерные программы расчета защиты ядерных энергетических установок

2.3.1 Программа TORT

2.3.2 Программа КАТРИН

2.3.3 Программа MCNP

2.3.4 Программа РАДУГА

2.3.5 Программа TITAN

Глава 3. Методика для решения уравнения переноса излучения на основе параллельных вычислений

3.1 Цель и задачи, для решения которых создавались программы LUCKY и LUCKYC

3.2 Метод решения

3.3 Основные положения методики параллельных вычислений

3.3.1 Балансные соотношения для решений в элементарной ячейке

3.3.2 Итерационная параллельная схема

3.4 Геометрический модуль и средства контроля расчетной модели

3.4.1 Основные понятия

3.4.2 Геометрические блоки

3.4.3 Построение структур и новых геометрических тел прототипов

3.4.4 Описание элементарных доступных пользователю тел прототипов

3.4.5 Контроль геометрии через программу AUTOCAD

3.4.6 Методы ускорения сходимости итерационного процесса

3.4.7 Зависимость эффективности от различных параметров расчетной модели

Глава 4. Обзор по программам LUCKY и LUCKYC

4.1 Применяемые ядерные данные и формат данных

4.2 Методические рекомендации по применению программ

LUCKY и LUCKYC

4.3 Компьютеры, на которых работают программы

4.4 Решаемые задачи

4.5 Ограничения решаемых задач

4.6 Типичное время расчета

4.7 Особенности программ

4.8 Вспомогательные программы

4.9 Статус программ. Операционная система. Требования к оборудованию

4.10 Проблема двойной точности

4.11 Перспективы развития программ LUCKY и LUCKYC

Глава 5. Результаты расчетов по программе LUCKY

Сравнение с другими программами и экспериментальными данными

5.1 Расчет модельной задачи-макета для типичной композиции реактора ВВЭР

5.1.1 Анализ результатов

5.2 Расчет быстрых потоков нейтронов на корпус реактора атомной станции Балаково

5.2.1 Анализ результатов

5.3 Расчет тестовой задачи с воздушными полостями 80 5.3.1 Анализ результатов

5.4 Расчеты и сравнение с экспериментальными данными на реакторе

5.4.1 Экспериментальная установка и макеты защиты

5.4.2 Методика расчетов, исходные данные и расчетные модели

5.4.3 Базовый эксперимент с водой

5.4.4 Базовый эксперимент с железом

5.4.5 Эксперимент с макетом радиационной защиты

5.4.6 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных 89 5.5 Оценка эффективности параллельных вычислений решенных задач с использованием большого числа процессоров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 процессоров; проведено тестирование и исследование эффективности предложенной методики.

Актуальность работы определяется необходимостью; создания 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 новый; вычислительный: инструмент (программы ИЛСКУ и ЬиСКУ С), использующий г современную - архитектуру вычислительных комплексов, позволяющий; решать уравнение переноса излучения- в больших реакторных системах и применять все: доступные: вычислительные ресурсы суперкомпьютера (без:ограничений на,число процессоров);,

- программы обладают хорошей эффективностью, что позволяет использовать детальные математические модели; при, решении^ задачи- за; реальные; времена» расчета.

Достоверность полученных- результатов 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 диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Моряков, Алексей Владимирович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Моряков, Алексей Владимирович, 2011 год

1. Zabrodin A.V., Levin V.K., Korneev V.Y. The Massively Parallel Computer System MBC-100. Parallel Computing Technologies. / Third Int. Conf., PaCT-95, St.Petersburg, September 1995 Proc.

2. Забродин A.B. Параллельные вычислительные технологии. Состояние, перспективы. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша, № 71, 1999 ( http: //www.parallel.ru 10.10.2008 ).

3. Баранов A.B., Лацис А.О. , Сажин C.B., Храмцов М.Ю. Руководство пользователя системы МВС-1000/М www.jscc.ru (дата обращения: 10.10.2008). ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. Отдел ИВСиЛС, сектор эксплуатации МВС.

4. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. СПб: БХВ-Петербург, 2002.

5. Горелик A.M. Программирование на современном ФОРТРАНЕ. М: Финансы и Статистика, 2006.

6. PVF Parallel Fortran for Scientists and Engineers. The Portland Group Simicroelectronics Two Centerpointe Drive Lake Oswey, OR 87035 Copyright 2010, Simicroelectronics Inc, USA, 2010.

7. Visual FortranCompiler Professional Edition 11.1, Copyright Intel Corporation, USA, 2010.

8. Лебедев В.И., Марчук Г.И. Численные методы в теории переноса нейтронов. М: Атомиздат, 1971.

9. Смелов В.В. Лекции по теории переноса нейтронов. М: Атомиздат, 1978.

10. Фейнберг С.М., Шихов С.Б., Троянский В.Б. Теория ядерных реакторов, т.1, М: Атомиздат, 1978

11. Белл Д., Глесстон С. Теория ядерных реакторов. М: Атомиздат, 1971

12. Doors 3.2: One,Two and Three-Dimensional Discrete Ordinates Neutron/Photon Transport Code System. RSIC Code Package, CCC-650.

13. Booth Т.Е., Brown F.B., Bull J.S. et al. MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Ver. 5, ORNL, LA-UR-03-1987, 2003.

14. Красковский Д.Г., Виноградов A.B. AutoCAD 2000 для всех. М.: КомпьютерПресс, 1999.

15. Engle W.W. A User Manual for ANISN. Union Carbide Corporation, K-1693, 1967

16. Волощенко A. M., Крючков В. П. КАТРИН-2.0 программа для решения уравнения переноса нейтронов и фотонов методом дискретных ординат в трехмерной геометрии. Инструкция для пользователя. Отчет ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, инв. № 7-27-2004, М: 2004.

17. Басс Л.П., Николаева О.В. РАДУГА-5 программа решения уравнения переноса в 2 - и 3 - мерных геометриях. / Сб. докл. сем. "Нейтроника-99: Алгоритмы и программы для нейтронно-физических расчетов ядерных ректоров", Обнинск, 26-28 окт, 1999, с. 145-150

18. Ce Yi "TITAN: А 3-D Deterministic Radiation Transport Code; TITAN User Manual Version 1.19,"Univ. Of Florida (2009).

19. Моряков A.B. Использование параллельных технологий для решения многогруппового уравнения переноса методом дискретных ординат. //ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2002, вып. 4 , с. 3-14.

20. Моряков A.B. Программа LUCKY. Решение уравнения переноса нейтронов и гамма излучения с использованием параллельных технологий. //ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2010, вып. 4., с. 18-29

21. Моряков А.В. Алгоритм получения угловых потоков в ячейке для многопроцессорных программ LUCKY и LUCKYC // ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2011, вып. 1, с. 3-7

22. Moriakov A.V. In Venus-2 MOX fuelled Reactor Dosimetry Calculations. / Final Report, Nuclear Science NEA/NSC/DOC (2005)22

23. NVIDIA CUD A, ver 3.0, Reference Manual NVIDIA Corporation. Santa Clara, USA, 2010.

24. Grafer 8. User Guide 2D and 3D Grahing Software for Scientists, Engineers, & Business Professionals. Golden Software Inc 809 14th Street, Golden, Colorado 80401-1866, USA. Copyright Golden Software Inc 2009.

25. Surfer 9. Contouring and 3D Surface Mapping for Scientists and Engineers Copyright Golden Software Inc. 2009.

26. Лизоркин М.П. , Курченкова Г.И. , Лебедев В.И. Аннотация программы ПЕРМАК -У. //ВАНТ. Сер.: Физика и техника ядерных реакторов, 1988, вып. 4.

27. Стахнов A. Linux. СПб: БХВ-Петербург, 2009

28. White J.E. et al. BUGLE-96: Coupled 47 Neutron, 20 Gamma-Ray Group Cross Section Library Derived from ENDF/B-VI for LWR Shielding and Pressure Vessel Dosimetry Application, RSIC Data Library Collection, DLC-185, March 1996.

29. Keisuke Kobayashi, Naoki Sugimura, Yasunobu Nagaya.

30. D Radiation Transport Benchmark Problems and Results for Simple Geometries with Void Regions. Nuclear Science Committee, Nuclear Energy Agency Organisation for Economic co-operation and Development. November 2000

31. Гермогенова Т.А. и др. Новые материалы в банке тестовых задач радиационной защиты. / В сб. тезисов докладов 7-ой Российской научной конференции "Защита от ионизирующих излучений ЯЭУ". Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, 22-24 сентября 1998.