核反应动力学高效数值模拟软件集成开发与应用

Numerical softwares for hydrodynamics with nuclear reaction are playing a key role for the research and application in the field of defense technology and foundation science, such as weapon physics, inertial confined fusion(ICF), nuclear reactor physics and astrophysics. However, with the urgent demand of more physics based modeling and high fidelity simulation, it is necessary to develop new generation numerical simulation software. Based on the comprehensive analysis for legacy code, a new nuclear reaction dynamics software will be developed with modern software research and development mode, and it will be implemented based on the parallel support infrastructure, JASMIN (J parallel Adaptive Structured Mesh Applications INfrastructure). There are three main tasks in the project. Firstly, a detailed and comprehensive software infrastructure will be designed for the proposed nuclear reaction dynamics software, and some standards for code design will be given for the implementation of code modules. Secondly, a database of algorithms and code modules will be constructed, and they will be used for the integration of the arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) code for radiation hydrodynamics. Thirdly, high efficiency algorithms and codes will be implemented for neutron transport simulation. With a specific and solid application background, some new methods and thoughts will come into being in the project, and with the guidance of the new software research mode, a new software platform with extensibility and reusability will be constructed with important theory and application value, and it will give a solid support for engineer and science research.

在武器物理、惯性约束聚变、反应堆物理、天体物理等国防科技和前沿科学领域，核反应动力学软件是开展相关研究的一个不可或缺的关键手段。然而，现有软件难以适应新形势下精密化物理建模和高置信度大规模数值模拟的需求，为此本项目计划在深入剖析现有武器物理应用程序的物理模型、计算方法和程序结构的基础上，采用现代软件研发模式，集成创新，结合并行底层支撑框架JASMIN，研制新一代的核反应动力学高效数值模拟软件平台。拟开展的主要工作有：（1）制定程序模块化和标准化规范，设计先进的核反应动力学数值模拟软件体系架构，（2）研制基于ALE方法的辐射流体力学算法库和程序模块库；（3）研制高效中子输运计算方法库和程序库。本项目以工程应用数值模拟需求为牵引，探索工程物理应用软件研发的新思路、新方法，研制具有较好可扩展性、可复用性的核反应动力学数值模拟软件平台，为工程和科学计算提供软件支撑，有重要理论意义和应用价值。

核反应动力学数值模拟是武器物理研究的重要内容，发展新一代的核反应动力学软件对于提高国防科技领域武器物理问题研究能力具有重要意义。核反应动力学高效数值模拟软件研制工作启动以来，课题成员紧密合作，协同攻关，取得了系列研究成果。（1）针对遗产程序重构特点和新程序研制需求，制定了新版程序模块化和标准化规范，设计先进的核反应动力学数值模拟软件体系架构；（2）发展了适用于多介质大变形问题高精度ALE方法和高精度欧拉方法，研制了基于ALE方法的辐射流体力学算法库和程序模块库；（3）提出并实现了基于格式的界面预估校正并行算法，研制了高效中子输运计算方法库和程序库。（4）根据武器物理和反应堆物理数值模拟需求，设计典型验证模型，在数千上万处理器上实现典型核反应动力学问题的高效计算，建立应用软件和构件库的评测标准，对核反应动力学集成软件平台进行全面的测试与验证，并与理论或实验结果进行对比分析，开展了软件的推广应用工作。总之，本项目通过对遗产程序进行深入剖析，重构和集成遗产程序优良算法和程序模块，构建先进数值模拟方法体系，结合并行支撑底层JASMIN框架设计先进的核反应动力学软件体系架构，研制了具有较好可扩展性、可复用性和可维护性的新一代的高效高置信度核反应动力学数值模拟软件平台，探索出了一种基于遗产程序研发新一代工程应用软件的可复用研发模式。项目研制的核反应动力学软件已经应用于武器工程问题的数值模拟，显著提升了数值模拟的空间分辨率和计算精度，为型号设计与改进、库存维护等工程任务提供了重要的数值模拟支撑。课题成员获国家科技进步二等奖2人次，获军队科技进步一等奖5人次。课题组共发表期刊论文20余篇，其中Sci近20篇，获批软件著作权4项。项目负责人获批2018年国家科技创新中青年领军人才计划（公示中）和中物院于敏数理科学奖，项目成员汪玥获2018年中物院双百人才工程支持。