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当前国际上的主要核能强国都在开展第三代堆芯物理数值计算方法的研究工作,这些研究的目标都是要替代当前的输运加扩散的堆芯物理计算模式:或在Pin尺度上作“类”输运计算,或是直接作全堆芯非均匀输运计算。随着计算机技术和数值计算方法的不断完善和发展,实施全堆芯三维输运计算变得可能。但是随着堆芯设计和布置越来越复杂,中子输运计算效率和精度都还有广阔的领域值得研究。本文在充分研究二维矩阵特征线方法加速技术的基础上,借鉴2D/1D耦合计算模式,研制了高效的全堆芯三维输运计算程序,具体研究工作如下:首先,将传统特征线方法中的步特征线格式、菱形差分格式和线性源近似应用到矩阵特征线方法中,研究并比较了它们在计算精度和计算效率上的差异,结果显示步特征线格式的矩阵特征线方法在满足计算精度的条件下具有最高的计算效率。制约特征线方法计算范围的因素只有其几何处理模块,因此本文基于CSG理论开发了具备任意形状几何处理能力的几何前处理程序,并采用OpenMP并行机制实现了射线追踪过程的并行化。为了给用户提供判断几何处理与输运计算是否正确的依据,本文基于扫描线填充的像素可视化技术,研制了几何前处理和输运计算结果的可视化程序。二维HTTR问题和C5G7基准题的计算结果表明,本文开发的矩阵MOC程序具有较高的计算精度,达到了国际上其他同类型程序的水平。然后,在满足计算精度的前提下,本文还从多个方面来改善程序的计算效率。(1)针对稀疏线性系统求解器中GMRES(m)算法求解效率低的问题,研究了多种预条件处理技术,这些技术分别是基于经典迭代方法的预条件技术、增广子空间技术和ILU分解预条件技术,明确了Jacobi预条件技术的物理意义。(2)矩阵特征线方法处理大规模堆芯所遇到的困难主要来源于长特征线,因此本文提出了长特征线分解处理技术,该技术不会引入任何近似和假设,在理论上是与传统矩阵特征线方法完全等价的,但是却能显著降低程序对内存的需求并减少计算耗时,同时使得求解时间和内存消耗与问题规模呈理想的线性关系,矩阵特征线方法得以拥有良好计算扩展能力。(3)得益于GPU技术的快速发展,本文基于CUDA编程技术实现了矩阵特征线方法中稀疏线性系统的大规模并行化求解。针对矩阵特征线方法中系数矩阵的特殊性,在合并访存和共享内存的基础上提出了两种并行优化方案。二维HTTR问题和C5G7基准题的计算结果表明,最优的并行方案能达到5倍以上的加速比。最后,在高效的二维矩阵特征线方法求解器的基础上,借鉴2D/1D耦合框架开发了三维非均匀中子输运计算程序,实现了全堆芯三维非均匀输运计算。在该框架下,轴向求解器采用离散纵标方法(Sn),径向和轴向泄漏项均采取各向同性近似。在三维CMFD加速技术的配合下,本文开发的三维中子输运程序具备较高的计算效率。最后采用三维C5G7问题和扩展后的三维C5G7问题对程序进行了数值验证,计算结果表明,本文开发的程序已基本具备实现全堆三维非均匀输运计算的能力。