本書從反應堆結構材料輻照效應的研究背景和應用需求出發，定量分析了結構材料典型多尺度模擬的計算需求，繫統介紹了利用不錯計算機的算力和存儲優勢，實現輻照效應多尺度、高保真模擬的關鍵技術。在介紹典型不錯計算機繫統特點的基礎上，論述了微觀、介觀高性能計算模擬軟件繫統的設計、實現與應用技術，並分析了材料輻照效應計算的未來發展趨勢。 本書可作為從事高性能計算和核材料領域的科研工作者與工程技術人員的參考資料，也可供高等院校計算機科學與技術及核工程與材料專業的本科生、研究生以及關注高性能計算及核材料發展的各界人士閱讀參考。

前言

第1章 反應堆結構材料輻照效應研究背景及意義

1.1 結構材料輻照效應研究背景

1.2 結構材料輻照效應多尺度計算模擬的需求與挑戰

第2章 結構材料多尺度模擬及計算需求

2.1 多尺度建模與模擬技術

2.1.1 性原理計算

2.1.2 分子動力學方法

2.1.3 動力學蒙特卡羅方法

2.1.4 團簇動力學方法

2.1.5 位錯動力學方法

2.2 結構材料多尺度模擬的計算需求

2.2.1 分子動力學模擬的計算需求

2.2.2 動力學蒙特卡羅模擬的計算需求

2.2.3 團簇動力學模擬的計算需求

第3章 結構材料多尺度計算模擬研究綜述

3.1 歐盟相關研究

3.1.1 RPV繫列研究

3.1.2 F/M鋼繫列研究

3.2 美國相關研究

3.2.1 CASL項目

3.2.2 NEAMS項目

3.2.3 LWRS項目

3.3 中國相關研究

3.3.1 裂變堆材料輻照效應研究

3.3.2 聚變堆材料輻照效應研究

第4章 高性能計算技術基礎

4.1 高性能計算技術概述

4.1.1 高性能計算

4.1.2 並行計算

4.1.3 主流的並行編程模型

4.1.4 不錯計算機的發展

4.2 典型不錯計算機架構

4.2.1 神威E級超算繫統架構及編程方法

4.2.2 曙光E級超算繫統架構及編程方法

4.2.3 天河E級超算繫統架構及編程方法

4.2.4 E級超算的對比

4.3 本章小結

第5章 大規模並行分子動力學模擬及實現

5.1 大規模並行分子動力學模擬技術

5.1.1 分子動力學基本計算流程

5.1.2 分子動力學粒子存儲數據結構

5.1.3 大規模分子動力學模擬軟件簡介

5.1.4 分子動力學中的級聯踫撞模擬

5.2 MISA-MD：大規模並行分子動力學模擬軟件

5.2.1 MISA-MD軟件架構及組成

5.2.2 MISA-MD粒子存儲數據結構

5.2.3 面向超算的MISA-MD程序性能優化

5.2.4 MISA-MD與LAMMP能和性能對比

5.2.5 MISA-MD軟件性能

5.3 本章小結

第6章 大規模並行動力學蒙特卡羅模擬及實現

6.1 大規模並行動力學蒙特卡羅模擬技術

6.1.1 KMC方法

6.1.2 並行KMC算法

6.1.3 SL算法的通信策略

6.1.4 KMC速率計算與事件選擇算法

6.1.5 KMC並行軟件介紹

6.2 MISA-AKMC：大規模並行動力學蒙特卡羅模擬軟件

6.2.1 MISA-AKMC並行KMC框架

6.2.2 MISA-AKMC核心數據結構表示

6.2.3 MISA-AKMC應用

6.3 本章小結

第7章 大規模並行團簇動力學模擬及實現

7.1 團簇動力學的數值解法

7.1.1 分組方法

7.1.2 Fokker-Planck方法

7.1.3 隨機方法

7.1.4 雜化方法

7.2 空間關聯團簇動力學的相關研究

7.3 SUMMER-CD：空間關聯的並行團簇動力學模擬軟件

7.3.1 軟件架構

7.3.2 軟件實現

7.3.3 模擬結果與性能測試

7.4 MISA-SCD：大規模並行隨機團簇動力學模擬軟件

7.4.1 MISA-SCD模型構建

7.4.2 並行算法

7.4.3 軟件實現

7.4.4 正確性驗證

7.4.5 性能分析

7.5 MISA-SCD應用實例

7.5.1 RPV鋼模型合金中富Cu團簇析出模擬：允許的缺陷和反應

7.5.2 電子輻照Fe-1.34at.%Cu中Cu析出模擬

7.5.3 中子輻照Fe-0.3at.%Cu中的Cu析出模擬

7.6 本章小結

第8章 結構材料數值計算大數據智能分析技術

8.1 數值計算大數據

8.2 材料輻照效應計算模擬中的機器學

8.2.1 機器學

8.2.2 材料領域常用機器學及模型

8.2.3 機器學料輻照效應計算領域的應用

8.3 數值計算大數據智能處理技術

8.3.1 數據驅動的建模優化方法

8.3.2 基於數據挖掘分析的科學發現

8.3.3 數值計算大數據智能處理技術難點及挑戰

8.4 材料數值計算大數據的應用實例

8.4.1 基於xgboost算法的Frenkel缺陷對數預測

8.4.2 基於並查集算法的級聯踫撞團簇劃分方法

8.4.3 基於聚類算法的KMC長程演化類環狀原子簇發現

8.4.4 基於神經網絡的勢函數模型AIPM

8.5 本章小結

第9章 結構材料多尺度耦合模臺PRIME

9.1 PRIM臺概述

9.2 PRIM臺實現

9.2.1 PRIM臺框架

9.2.2 PRIM臺數據庫實現

9.2.3 模擬大數據存儲體繫

9.2.4能流程及開發實現

9.2.5 多軟件間耦合模擬實現

9.3 PRIM臺應用實例

9.3.1 SCD和DD耦合的Fe-Cu合金熱老化模擬

9.3.2 RPV鋼輻照硬化和脆化預測

9.3.3臺數據轉換為IAEA級聯數據庫格式

9.4 本章小結

第10章 材料輻照效應計算的未來發展趨勢

參考文獻

第1章反應堆結構材料輻照效應研究背景及意義1.1結構材料輻照效應研究背景核能作為一種清潔、和經濟的新型能源，是解決能源危機與環境問題的有效途徑。反應堆結構材料作為整個反應堆的骨架，其性能好壞是反應堆能否運行的重要因素。1986年切爾諾貝利核事故及2011年日本福島核事故，與反應堆外殼及其他部件的失效有著密不可分的聯繫，釀成了巨大的社會悲劇，引起了社會對反應堆性的強烈關注。反應堆結構材料主含堆芯結構材料、燃料(棒殼材料以及反應堆壓力容器、驅動機構材料等，其服役環境往往比較復雜，除高溫、高壓外，高能粒子對結構材料的輻照損傷是造成材料失效的主要原因之一。因此，結構材料的輻照損傷是反應堆工程和材料科學領域的研究。所謂材料輻照損傷，是指射線粒子(中子、質子、重離子、電子等)與材料原子發生相互作用括踫撞過程、缺陷形成過程和微觀結構演化過程而引起的材料物理、組織成分、結構和性能上的變化，從而對反應堆的產生威脅。輻照條件的復雜性使得通過實驗來行核反應堆結構材料的設計和驗證還存在很大的困難。年來，依托高性能計算技術(high-performance computing，HPC)，實現高保真、高精細的數值模擬成了研究反應堆結構材料輻照損傷的一條不可或缺的途徑。多尺度模擬結合高性能技術，輔以必要的實驗驗證，成為結構材料輻照損傷研究的主要手段。目前，歐美發達國家均開展了材料輻照損傷模擬相關研究，資金投入達數。歐盟啟動了多個材料輻照損傷模擬相關的研究項目括反應堆壓力容器(reactor pressure vessel，RPV)繫列項目[1，2]、“線2020——原子能共同體”計劃等；美國也先後啟動了CASL(consortium for advanced simulation of light water reactors)、NEAMS(nuclear energy advanced modeling and simulation)、LWRs計劃(light water reactor sustainability program)、ExMatEx(extending the reach of molecular)等項目。目前，CASL的部分成果已用於美國AP1000堆芯結構的模擬計算一步的NEAMS則開發了面向對像多物理耦合集臺MOOSE(multiscale object-oriented simulation environment)，並在此基礎上，從燃料產品線和反應堆產品線開展物理-熱工-結構-材料-燃料的高精細多物理耦合模擬研究。我國在反應堆結構材料輻照損傷模擬的研究方面緊跟國際熱點，開展了一繫列相關項目。國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題“核反應堆關鍵材料性能優化高性能數值模擬軟件研發”提出面向我國核能的發展，針對我國現役核電站的結構材料成分組織設計、性能優化及性等挑戰性難題，研制面向反應堆關鍵部件材料的性能設計及優化模擬軟件；借助高性能計算，在反應堆關鍵結構部件的性能退化機理、壽命預測以及材料性能優化技術等方案取得突破，是在P級(peta-scale，1PFLOPS=1015FLOPS，每秒千萬億次浮點運算)計算機上實現了壓水堆關鍵材料微觀結構演化的原子的微觀尺度模擬[3]，達到了國內、國際的。國家研發計劃項目“數值反應堆原型繫統開發及示範應用”在863項目的基礎上一步規劃了我國反應堆結構材料輻照損傷高性能計算的研究路線：以E級(exa-scale，1EFLOPS=1018FLOPS，每秒百億億次浮點運算)計算機為依托，建立多尺度模擬框架體繫，明確各尺度模塊計算模型與算法及相互間的耦合規則和接口規範；研究面向E級計算的可擴展並行算法與優化技術；開發了一繫列反應堆結構材料模擬軟件MISA-MD[4]、MISA-AKMC、MISA-SCD[5]及它們之間多尺度耦合應臺MISA(multi-scale simulation of materials)；開展模擬驗證及置信度分析的方研究，開展軟件繫統驗證和典型示範應用。幾年人工智能和大數據技術的飛速發展，為材料輻照效應的研究注入了新的血液，科研人員開始使用兩行模型、參數訓練、可視化方面的工作，並帶來了值得深入的成果。反應堆結構材料輻照損傷模擬軟件的研發，橫跨反應堆工程、高性能計算、軟件工程及人工智能等多個學科，如何發揮各學科優勢，融合多種技術的特點，突破反應堆結構材料輻照損傷高性能計算的多個關鍵技術，建立生產實用的材料模擬軟件，依然任重道遠。1.2結構材料輻照效應多尺度計算模擬的需求與挑戰核反應堆中結構材料的輻照效應是從輻照誘導微觀損傷產生到材料(部分)宏觀性能失效的典型多尺度過程，時間上跨越中子-原子踫撞到數十年的反應堆壽命(40～60年)，超過21個數量級；空間上跨越原子核到結構部件(>10m)，超過15個數量級[6]。材料領域的研究者們在各個時空尺度上，建立了不同的模型和方法，組成材料輻照損傷的多尺度建模與模擬技術，成為國際上廣泛應用的材料輻照損傷研究方法，以預測由輻照誘導的所有缺陷的產生、遷移、演化及其對材料性能的影響。計算機以及並行計算技術的發展，極大地提升了研究者們開展材料模擬計算的能力，使得開展材料高精細模擬計算成為可能。但由於反應堆工況下的材料性能降級復雜，模擬計算的復雜度極高，且輻照在材料中形成的納米/微觀結構的混合體需要用許多變量來描述，這對計算機的內存提出了更高的要求。多尺度模擬是計算密集型的，而大規模並行計算可以通過並行運行不同空間區域的模擬，來克服長尺度的約束。從計算觀點來看，理解、約束和控制1mol物質(約原子或分子，至少9自由度/原子或分子)在1秒內的演化行為，是大的挑戰，需要E級超算的計算能力。以材料輻照損傷大規模經典分子動力學(molecular dynamics，MD)模擬計算為例，見表1.1，在輻照缺陷產生及演化的各階段，其計算量急劇增加。其他輻照損傷模擬方法的計算復雜度也對計算機提出了需求，如動力學蒙特卡羅(kinetic Monte Carlo，KMC)方法的計算復雜度為，其中N為粒子數；團簇動力學(cluster dynamics，CD)的計算復雜度為，其中為非線性方程的個數，模擬微米尺度的材料演化時，達到。目前，輻照損傷實驗表征技術(如三維原子探針、高分辨率透射電鏡等)已經可以觀測缺陷的原子尺度特征，但實驗不能獲得納米級穩定缺陷的動態演化過程及其對材料性能降級的影響。大規模原子尺度模擬有望動態地分析輻照缺陷的產生以及演化過程，而目前的輻照損傷原子尺度模擬方法由於時空尺度的局限性，不足以獲得直接與實驗結果對比的工程應用參數，已有的模擬軟件和算法尚不能滿足工程應用需求。基於高性能計算機開發針對材料輻照效應的高性能多尺度模擬軟件有一步深入理解材料的輻照損傷機理，為材料優化與設計研發奠定基礎。隨著核能繫統性、經濟性和可靠性的提高，核反應堆的運行溫度和中子通量都上升到了新的，如圖1.1所示，對其核心結構材料(壓力容器、快堆主容器、聚變堆壁材料等)提出了更加嚴苛的要求。反應堆的核心是一個能量密度很高的熱源，處在那裡的材料面臨著高溫、高壓、高輻照的作用[7]。材料暴露在這樣的環境中，會導致明顯的微觀結構演化、性能變化和性能退化，從而限制現有反應堆的長期運行，制約裂變聚變反應堆的設計。研發更加耐輻照的新材料成為現役反應堆延壽、核能繫統發展的關鍵問題之一，也成為材料科學領域的一大挑戰性問題。圖1.1Ⅱ～Ⅲ代反應堆及反應堆的運行溫度和輻照劑量[8]目前，缺陷產生的短時過程(即級聯踫撞過程，約ps、nm尺度)已經能夠通過性原理[9，10]、MD[3，11-15]等原子層次的模擬技術獲得大量初始損傷信息。然而，初始缺陷的聚集、輸運、湮滅以及與已有微結構(位錯、晶界等)的相互作用等長尺度的演化過程，往往超出了原子層次所能模擬的範圍，需要采用粗粒化的方行處理。KMC方法[13，16-18]是一種經典的粗粒化研究方法，通過跟蹤每個缺陷在材料內的隨機擴散過程來模擬缺陷的演化，已被廣泛引用於缺陷形核[19]、退火[20]、溶質析出[21，22]等微結構演化過程的模擬計算中。然而，KMC的計算成本限制了可以模擬的繫統尺和損傷劑量，所能模擬的損傷劑量一般不超過1dpa[23](discement per atom，每原子位移)，因此不能模擬真實微觀結構的整體演化。基均場速率理論發展而來CD方法[24]簡化了底層的物理模型，克服了KMC的模擬限制，具有計算速度快、計算效率高且無時空尺度限制等有點，已被廣泛應用於各種輻照損傷過程的研究中，例如惰性氣體行為和空洞長大[25-27]、位錯環形核長大[28-30]、輻照誘導溶質析出[22，31，32]等。然而，CD模擬面臨兩大難題：一方面，由於每個團簇類型都要用一個速率方程描述，方程量隨著模擬缺陷種類(雜質素、裂變氣體等)的增加而指數增加[23]，例如，要描述直徑達50nm的空洞的演化，大約需要108個方程[24]；另一方面，缺陷演化的微分方程繫統通常是剛性的，即對於某些反應的反應速率很大，而對其他的則可能很小，使得模擬計算的復雜度極大地增加。這些問題都為開展高精細的多尺度模擬帶來了挑戰。多尺度模擬是國際上廣泛應用的材料輻照損傷模擬手段，其關鍵在於各尺度之間的耦合與消息通信。各尺度所采用物理模型的性以及消息通信的正確性是決定多尺度模擬性和合理性的關鍵因素。為盡可能地預測材料輻照性能，科學家們致力於擴展各尺度的模擬範圍，減少各尺度之間消息的傳遞，理解材料微觀結構原子層次演化規律。高精細的多尺度計算模擬意味著盡可能多含各種缺陷類型，以及缺陷間的多種相互作用，這就意味著需要盡可能地建立全面的物理模型並延長各模擬方法的時空尺度，這給計算機的存儲能力和計算能力都帶來相當大的挑戰。計算機具備極高的浮點運算速度、大容量內存，其並行處理能力稱為多尺度計算模擬的支撐。目前國內外現有的超算，如神威、天河、Summit(頂點)、Fugaku(富嶽)等世界排名的機器，運算速度均在P級以上，各國競相推出的更高性能的E級超算，使得更加精細的多尺度模擬成為可能，為結構材料的高精細多尺度模擬帶來了新的機遇，這對理解材料微觀結構的演化規律、預測宏觀性能變化，新材料設計以及反應堆延壽具有重要意義。第2章結構材料多尺度模擬及計算需求2.1多尺度建模與模擬技術材料的輻照效應是一個復雜的過程，涉及缺陷的產生、擴散、反應、累積等長時間的動力學過程。高能粒子(如離子、中子等)入射到材料中會撞擊晶格原子，造成晶格原子離位形成點缺陷(如自間隙原子和空位)和小團簇等局部損傷，這一過程稱為“級聯踫撞”過程。這一階括*初的粒子彈道過程，隨後的熱峰過程以及非熱和熱擴散復合的弛豫過程，整個階段的持續時間在皮秒量級[7]，空間上跨越幾十至幾百納米[33]。級聯踫撞過程之後，大部分缺陷會在高溫下復合湮滅，剩下的少許缺陷形成初級輻照損傷。接著，這些缺陷在服役溫度、應力等作用下，經過長時擴散、累積等動力學演化過程，形成缺陷團簇、析出物、空洞、位錯環等微觀結構，它們與材料內位錯、晶界等發生作用，在服役環境的作用下*終會引起材料宏觀性能變化(如脆化、腫脹、腐蝕等)[34]，這一過程則發生在微秒到數年的時間尺度和納米到米的空間尺度上[23]。由此可見，輻照誘導材料輻照損傷的過程是一個微觀(級聯踫撞)→介觀(缺陷演化)→宏觀(熱、力學性能)的多尺度過程，如圖2.1所示，相關的過程跨越了很長的時空尺度。在各個時空尺度上，材料領域的研究者們建立了不同的模型和方法，組成了材料輻……