基于格子Boltzmann方法和本征正交分解降阶的反应堆中子输运-扩散跨尺度自适应高效计算

The purpose of this work is to develop a numerical simulation method for nuclear reactor physics with considering both accuracy and efficiency of calculation. Three key scientific problems of neutron transport and diffusion simulations will be studied deeply and systematically, including the adaptive space-angle refinement for neutron transport calculation, the coupled cross-scale transport-diffusion model for reactor physics calculation, and proper orthogonal decomposition reduced-order modeling for reactor physics process. .Based on the kinetic theory, the neutron physics process will be studied from the Boltzmann equation, then the neutron transport and diffusion processes will be simulated by using lattice Boltzmann method which is closer to physical nature. By considering the structure characteristics of nuclear reactor and the advantages of the lattice Boltzmann method, the lattice Boltzmann framework suitable for complex core structure will be established, and the higher-order adaptive space refinement and space-independent anisortropy adaptive angle refinement will be developed. Besides, the coupled neutron transport-diffusion cross-scale lattice Boltzmann model will be developed. On this foundation, by combining the evolution law of neutron physics process and the lattice Boltzmann equation, the neutron transport-diffusion cross-scale proper orthogonal decomposition reduced-order model will be proposed, so that the fast and accurate simulation of nuclear reactor physics can be achieved.

本项目以发展兼顾精度与效率的反应堆中子物理数值模拟方法为研究目标，拟对堆芯计算相关的三个关键科学问题开展深入系统的研究，包括：中子输运计算的空间-角度自适应离散建模；中子输运-扩散跨尺度自适应建模；堆芯中子物理本征正交分解降阶建模。.基于动理学理论，采用更接近物理本质的格子Boltzmann方法模拟确定性中子输运和扩散过程，结合反应堆堆芯结构特点和格子Boltzmann方法的优势，构建适合堆芯复杂结构的格子Boltzmann数值研究框架，发展高精度空间自适应离散及空间无关各向异性角度自适应离散的中子输运格子Boltzmann模型；发展耦合中子输运和扩散的输运-扩散跨尺度自适应格子Boltzmann模型；在此基础上，结合堆芯中子物理过程演化规律和格子Boltzmann控制方程，发展适于堆芯中子物理计算的中子输运-扩散跨尺度本征正交分解降阶研究方法，实现堆芯中子物理过程的快速准确模拟。

核反应堆内中子输运过程是最重要的物理过程，发展兼顾计算精度和计算效率的数值计算方法是核工程领域的研究热点和难点。.本项目针对中子输运方程、中子扩散方程及SPn输运方程，基于动理学理论，采用更接近物理本质的格子Boltzmann方法（LBM）模拟确定性中子输运和扩散过程，结合反应堆堆芯结构特点和LBM的优势，构建了适合堆芯复杂结构的LBM数值研究框架，发展了高阶精度的LBM模型及算法，在相同网格且不明显增加计算量的前提下，可以有效提高数值计算精度；发展了空间自适应离散LBM模型及算法，可有效适应先进复杂堆芯结构的高效计算；发展了基于二代小波的角度离散格式和数值计算方法，可用于中子输运过程角度各向异性离散和自适应离散，且可以有效减少射线效应；在此基础上，建立了中子输运-扩散-SPn统一LBM模型，发展了耦合中子输运和扩散的跨尺度自适应LBM模型，并实现了堆芯中子输运过程与传热、流动过程的耦合求解；本项目发展了堆芯中子输运-扩散过程的LBM-GPU模型和算法，将LBM方法数值处理简单、易于并行的优势和GPU的并行能力充分结合，开发了中子输运、中子扩散及中子动力学的GPU并行计算方法，加速比达200余倍；本项目针对中子输运过程，提出基于本征正交分解（POD）的中子输运降阶模型和算法，加速比达上千倍，可以有效兼顾计算精度和效率。.本项目按计划完成了全部研究内容，相关研究成果可用于先进反应堆高效开发设计、反应堆多场耦合研究、反应堆运行状态监测等工程实践，有一定的科学意义和工程价值。