核能作為低碳能源的重要構成部分，正在為人類文明可持續發展做出重要貢獻。核反應堆工程技術的創新，是核能安全、經濟、高效發展的保障。近年來，核反應堆跨尺度多物理耦合高精細數值模擬技術——數值核反應堆技術，得到越來越多的關注，有望成為核反應堆工程技術創新發展的重要支撐。
數值核反應堆(以下簡稱數值堆)是在超級計算機(以下簡稱超算)上實現的核反應堆各種物理過程及其耦合高保真數值模擬、預測的軟體系統，是實際反應堆“外在”和“內在”的映象，是反應堆設計、建安、執行、退役、全週期從微觀機理到宏觀現象的研究平臺；廣泛應用於設計驗證與最佳化、執行預演、事故演化、部件材料效能預測等方面。依託超算建立數值堆是當前國內外研究的前沿熱點。
數值堆的研究橫跨反應堆工程、高效能計算、軟體工程、計算數學等多個學科。在國家重點專項和中國核工業集團有限公司的支援下，中國原子能科學研究院、北京科技大學、中國科學院計算機網路資訊中心等國內十餘家單位、多學科骨幹組成研究團隊，依託典型的國產神威、曙光、天河超算，研發了數值堆原型系統CVR1.0(China Virtual Reactor 1.0)，在數值堆相關領域進行了十餘年的研究，內容涉及反應堆主要物理過程，如中子物理、熱工流體、結構力學、燃料效能、材料輻照效應及多物理耦合的大規模、高保真數值模擬及其驗證與確認。
中國數值堆CVR1.0
CVR1.0 的設計思想是瞄準應用需求，發揮超算優勢，對標歐美典型的數值堆專案，如CASL、NEAMS、CESAR 等，形成自主關鍵核心技術。核心工作包括：開發面向E 級超算的核反應堆主要物理過程及其耦合的高保真模擬軟體，利用核反應堆執行及實驗資料進行驗證與確認，最終實現快堆等四代核反應堆堆型的示範應用。具有緊耦合性、高效能、高可信度和很好的適用性等特點。
CVR1.0 開發及示範應用技術路線示意圖
“數值核反應堆技術與應用”叢書就是這些研究成果的總結。《數值核反應堆技術》（胡長軍，楊文著. 北京：科學出版社，2021.10）是“數值核反應堆技術與應用”叢書的第一本，旨在全面反映CVR1.0 的設計實現思路和關鍵核心技術。
“數值核反應堆技術與應用”叢書
《數值核反應堆技術》內容儘量反映高效能計算技術與核反應堆技術緊密交叉的最新成果，並和歐美同類研究對標；儘量論述數值堆軟體系統在典型國產超算上的實現技術，特別是面向E 級超算的大規模並行模擬技術。全書共10 章。
- 第1、2 章在介紹數值堆研究背景的基礎上，詳細介紹了美國、歐盟及我國數值堆的最新研究進展；
- 第3 章從定性、定量兩個方面分析基於不同計算模型實現高保真數值模擬對超算儲存、計算資源的需求，從而指出超算的不可或缺性；
- 第4 章是對與數值堆密切相關的典型國產超算體系結構和高效能計算技術的介紹，是數值堆技術的基礎；
- 第5～9 章是CVR1.0 的關鍵技術，包括建模、並行最佳化、多物理耦合、驗證與確認等，提出數值堆模擬大資料的定義，並分析其特點；
- 第10 章是CVR1.0 的軟體實現和應用算例，是對關鍵技術的驗證。
CVR1.0 熱工流體模擬系統的實現與應用
CVR 1.0 針對快堆、水堆熱工流體的模擬需求，完成了2 套自主可控的熱工流體模擬軟體，即子通道模擬軟體CVR-PASA(水堆兩相三態子通道熱工流體模擬軟體)和計算流體力學模擬軟體CVR-PACA(單相精細化計算流體力學熱工流體模擬軟體)。CVR-PASA 的核心技術“適用於多幾何形狀的全堆芯子通道劃分與對映方法”突破了美國同類軟體程序數等於元件數的並行任務劃分限制，軟體的可擴充套件性和靈活性得到改善。
表 CVR-PASA 與CASL-CTF 軟體的對比
希望本書的出版，可為充分利用我國超算技術的領先優勢，解決反應堆領域的應用問題提供有益的指導或參考。本書的出版得到國家重點研發計劃“高效能計算”重點專項“數值反應堆原型系統開發及示範應用”專案(2017YFB0202300)的資助。
本文摘編自《數值核反應堆技術》（胡長軍，楊文著. 北京：科學出版社，2021.10）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。
(數值核反應堆技術與應用叢書)
ISBN 978-7-03-067597-2
責任編輯：範運年
本書介紹了我國自主研發的數值核反應堆原型系統CVR1.0 的核心技術，包括數學物理建模、大規模並行演算法與最佳化、軟體實現及驗證等。本書內容充分反映了高效能計算與核反應堆技術緊密交叉的最新成果，並和歐美同類研究對標，具有前沿性。本書既可以供高效能計算和核科學技術領域的工程技術人員參考，也可作為超級計算機應用領域和核反應堆工程領域研究生的教材。
（本文編輯：劉四旦）
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