[发明专利]一种基于GPU硬件加速的散裂靶可视化辅助系统及方法

说明书

技术领域

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

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。

为了实现核废料的有效处理,研究者提出了“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。

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。

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究设计的效率，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。

国外研究进展：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Visual Editor，moritz两套针对不同需求的建模体系，但对中国禁售；

国内研究进展：中科院等离子体研究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究院、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，仍在研究阶段。

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究工作的进展有很重要的意义。

发明内容

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：