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論文

Tree cutting approach for domain partitioning on forest-of-octrees-based block-structured static adaptive mesh refinement with lattice Boltzmann method

長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸

Parallel Computing, 108, p.102851_1 - 102851_12, 2021/12

GPUスーパコンピュータに対して格子ボルツマン法(LBM: lattice Botltzmann method)およびforest-of-octreesに基づくブロック構造型の局所細分化格子(LMR; local mesh refinement)を用いた空力解析コードを実装し、その性能を評価した。性能評価の結果、従来の空間充填曲線(SFC; space-filling curve)に基づく領域分割アルゴリズムでは、本空力解析において袖領域通信のコストが過大となることがわかった。領域分割の改善手法として本稿では挿し木法を提案し、領域分割の局所性とトポロジーを改善し、従来のSFCに基づく手法に比べて通信コストを1/3$$sim$$1/4に削減した。強スケーリング測定では、最大で1.82倍の高速化を示し、128GPUで2207MLUPS(mega-lattice update per second)の性能を達成した。弱スケーリング測定では、8$$sim$$128GPUで93.4%の並列化効率を示し、最大規模の128GPU計算では44.73億格子点を用いて9620MLUPSの性能を達成した。

論文

A Numerical investigation on the heat transfer and turbulence production characteristics induced by a swirl spacer in a single-tube geometry under single-phase flow condition

安部 諭; 岡垣 百合亜; 佐藤 聡; 柴本 泰照

Annals of Nuclear Energy, 159, p.108321_1 - 108321_12, 2021/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Nuclear Science & Technology)

Heat transfer in the rod bundle is augmented by the mixing vanes on the spacer grid. We conducted a computational fluid dynamics (CFD) simulation with three isotropic turbulence models - standard $$kappa$$-epsilon, realizable $$kappa$$-epsilon, and SST $$kappa$$-omega models - to investigate the relationship between heat transfer and turbulence behaviors downstream a simulant spacer (with four vanes) in a single tube under single-phase flow conditions. Quantitatively, the predicted heat transfer coefficient (HTC), secondary flow intensity, and turbulence intensity with the SST $$kappa$$-omega model displayed a better agreement (than the other isotropic models) with the correlation based on previous studies. Furthermore, the turbulence production was localized in the near-spacer region (z/D $$<$$ 10, where D is the inner diameter), which corresponds with the HTC argumentation region. These results indicate that examining the turbulence production when discussing the HTC augmentation downstream the spacer is essential.

論文

Evaluation of risk dilution effects in dynamic probabilistic risk assessment of nuclear power plants

久保 光太郎; 田中 洋一

Proceedings of 31st European Safety and Reliability Conference (ESREL 2021) (Internet), p.810 - 817, 2021/09

確率論的リスク評価(PRA)は原子力発電所のリスクを効果的に評価する手法であり、様々な機関で利用されている。動的PRAは、時間に依存した故障確率や人間信頼性に係る仮定や工学的判断を減らすことにより、より現実的な評価を行えるため注目を集めている。しかしながら、すべての仮定や工学的判断を取り除くことは困難であり、それらの解析結果に対する影響は把握される必要がある。本研究では、不確実さに係る仮定で生じる「リスク希釈効果」に注目した。この効果によって、全交流電源喪失事象において、条件付炉心損傷確率に約10%から20%の相対変化が生じた。このリスク希釈効果は、規制等の重要な意思決定において動的PRAを用いる場合、十分検討される必要がある。

論文

Practical tests of neutron transmission imaging with a superconducting kinetic-inductance sensor

Vu, TheDang; 宍戸 寛明*; 相澤 一也; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 奥 隆之; 曽山 和彦; 宮嶋 茂之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1006, p.165411_1 - 165411_8, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.03(Instruments & Instrumentation)

We found that the sizes of the Gd islands determined from the transmission image correlated strongly with those determined from the SEM image. We demonstrated the CB-KID could be used to identify (1) tiny voids in a thermally sprayed continuous Gd$$_2$$O$$_3$$ film in and (2) various mosaic morphologies and different eutectic microstructures in Wood's metal samples. The fact that the CB-KID system could be used to identify features of samples with a wide distribution of sizes and thicknesses is promising for real application of the device for imaging samples of interest to material scientists. Operating the CB-KID at higher temperatures appreciably improved the efficiency for simultaneously identifying the X and Y positions of hotspots. We also compared the detection efficiency with the PHITS simulations. We now plan to improve the detection efficiency by increasing the thickness of the $$^{10}$$B neutron conversion layer

論文

Self-learning hybrid Monte Carlo method for isothermal-isobaric ensemble; Application to liquid silica

小林 恵太; 永井 佑紀; 板倉 充洋; 志賀 基之

Journal of Chemical Physics, 155(3), p.034106_1 - 034106_9, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Chemistry, Physical)

自己学習ハイブリッドモンテカルロ法は機械学習力場を利用することにより、第一原理計算の高速化を可能にする手法である。今回、自己学習ハイブリッドモンテカルロ法をNPTアンサンブルに適用し、液体シリカの解析を行った。本論文では自己学習ハイブリッドモンテカルロ法を用いることにより、厳密に第一原理計算の精度を保ちながら、高速に液体シリカの配置空間のサンプリングが可能であることを示した。また、液体シリカの構造因子の計算を行い実験データとの比較を行ったところ、両者はよい一致を見せた。

論文

Investigation of Cu diffusivity in Fe by a combination of atom probe experiments and kinetic Monte Carlo simulation

Zhao, C.*; 鈴土 知明; 外山 健*; 西谷 滋人*; 井上 耕治*; 永井 康介*

Materials Transactions, 62(7), p.929 - 934, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe中のCuの拡散係数をこれまで測定されていなかった低い温度領域で測定することに成功した。拡散係数を測定する一般的な方法である拡散カップルは高温でしか適用できないため、本研究ではアトムプローブとCu析出の反応速度論を用いた。推定された拡散係数は、以前の研究で得られたものよりも信頼性が高いことが分かった。よって、アトムプローブによる推定がより高い精度をもたらしたと考えられる。さらに、この方法によって推定された拡散係数は、温度の低下に伴い多少オーバーエスティメイトされる傾向があることが、キネティックモンテカルロシミュレーションで明らかになった。

論文

Inclination of self-interstitial dumbbells in molybdenum and tungsten; A First-principles study

鈴土 知明; 都留 智仁

AIP Advances (Internet), 11(6), p.065012_1 - 065012_7, 2021/06

本研究では、第一原理計算手法を利用して、モリブデン(Mo)とタングステン(W)の自己格子間原子(SIA)を他のBCC遷移金属と比較して解析した。特に、{110}平面上で$$<$$111$$>$$から$$<$$110$$>$$に向かって方向が傾いているダンベルに注目した。このような傾きは、グループ5のBCC金属(つまり、バナジウム,ニオブ,タンタル)でも$$alpha$$鉄では不安定になる。我々の第一原理シミュレーションでは、傾斜したダンベルがMoで$$<$$111$$>$$ダンベルよりもエネルギー的に安定であったが、Wの場合は$$<$$111$$>$$ダンベルがより安定になった。ただし、せん断や膨張などのひずみがある場合には、Wでも傾斜ダンベルがより安定になる可能性が示された。傾斜ダンベルは一般に$$<$$111$$>$$ダンベルよりも大きな移動障壁を持っているため、格子ひずみがこれらの金属のSIAの移動障壁に大きく影響を与える可能性があることを示唆された。

論文

Neoclassical transport simulations with an improved model collision operator

松岡 清吉*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 28(6), p.064501_1 - 064501_5, 2021/06

 被引用回数:0

線形ランダウ衝突演算子から得られる摩擦係数と流束の関係式を再現可能な洲鎌らの改良型モデル衝突演算子を大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションコードGT5Dに新たに実装し、トカマクにおける単一イオン種プラズマの衝突性輸送シミュレーションを幅広い衝突度領域において実施した。摩擦係数と流束の関係式において高い精度が要求される高衝突度領域において、改良型演算子が理論的な衝突性熱拡散係数を正確に再現することを検証した。さらに、改良型演算子によって全ての衝突度領域において衝突性熱拡散係数と磁力線方向流れの係数をより高い精度で得ることにより、線形ランダウ衝突演算子によって記述される衝突過程が正しく保持されていることを実証した。

論文

Real-time tracer dispersion simulations in Oklahoma City using the locally mesh-refined lattice Boltzmann method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

Boundary-Layer Meteorology, 179(2), p.187 - 208, 2021/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:89.67(Meteorology & Atmospheric Sciences)

汚染物質の拡散解析手法CityLBMは、GPUスーパーコンピュータ上において、適合細分化格子(AMR)法を適用する事で、数kmの解析領域の実時間解析が可能である。本論文では、CityLBMの検証としてオクラホマ市で実施された野外拡散実験(JU2003)に対する解析を実施した。計算条件として、Weather Research and Forecasting(WRF)モデルを用いた風況条件および、建物と植生を考慮した地表面データをCityLBMに与えることで、JU2003の実験条件を再現した。さらにアンサンブル計算の実施により、乱流の不確実性を軽減した。汚染物質の時間平均濃度および最大値を実験測定値と比較した結果、アンサンブル計算により解析精度を向上すると共に、2m解像度・4km四方の解析では、24個の計測値に対して70%の高い割合でFactor2を満たす事を確認した。

論文

木構造に基づく細分化格子LBMにおける領域分割法の改善

長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 26, 6 Pages, 2021/05

Forest-of-octreesに基づく局所格子細分化法(LMR)を導入した格子ボルツマン法(LBM)に基づく空力解析コードに対し、挿し木法による領域分割の改善手法を提案した。従来の空間充填曲線に基づく領域分割法は、適合格子細分化法(AMR)やLMRで広く用いられているものの、GPUスパコン向けに実装された本空力解析コードにおいては袖領域通信が増大し計算のボトルネックとなるうることが確認された。本研究で提案する挿し木法は、粗い等間隔格子状の領域分割と細かい空間充填曲線に基づく分割のハイブリッドによる手法である。挿し木法により、領域分割の局所性と幾何形状が改善しており、通信量が従来の空間充填曲線に基づく手法に比べて3分の1に削減された。8GPU並列による性能検証では、コード全体で1.23倍の高速化が確認された。また、強スケーリングにおいてさらに性能の改善が見られ、128GPUの強スケーリングにおいては、従来手法に比べて1.82倍の高速化を示し、2207MLUPS (mega-lattice update per second)の計算性能を達成した。

論文

ブロック型適合細分化格子でのPoisson解法の混合精度演算による高速化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 26, 3 Pages, 2021/05

本研究では、二相流体解析コードJUPITER-AMRに対して、圧力ポアソン方程式に対する混合精度前処理手法を開発した。マルチグリッド前処理手法として、3段のVサイクルの幾何学的MG法およびキャッシュを再利用したSOR(CR-SOR)法を適用した。原子力工学問題での性能測定として、バンドル体系に対する多相流体解析を実施した。計算速度として、単精度演算を適用する事で、倍精度演算の75%へと削減すると共に、強スケーリング性能においては、32台から96台のGPUを利用する事で1.88倍を実現した。

論文

Computational study of solute effects in tungsten under irradiation

鈴土 知明

Materials Science Forum, 1024, p.87 - 94, 2021/03

タングステン(W)は、中性子イールドが高いため、核破砕中性子源の固体ターゲットに適しており、Wの照射効果の予測は重要である。特に、溶質元素の影響は複雑であり、まだその影響は明確に理解されていない。本論文では、第一原理計算とキネティックモンテカルロ計算を使用して溶質効果について議論する。Wの核変換生成物であるレニウム(Re)とオスミウム(Os)は、照射欠陥の安定性と移動性を大きく変える可能性がある。我々の結果によって、これらの溶質元素の影響が未解決の微細構造変化メカニズムを説明していることが示唆された。

論文

水中シルトフェンスの変形・移動を可能とする3次元モデリング; 流体・シルトフェンス連成計算の実現

山田 進; 町田 昌彦; 田中 みのり*; 関 克己*; 有川 太郎*

日本応用数理学会論文誌, 31(1), p.20 - 43, 2021/03

原子力規制庁の受託研究に基づき開発した水路等に設置したたわみのあるシルトフェンスを流れ場に合わせて変形させるアルゴリズムを報告する。さらに、このアルゴリズムを用いて、水路内の流れ場とシルトフェンスの連成シミュレーションを実施しその変形を評価するとともに、実際の水路実験の結果との比較を行い、提案したアルゴリズムの妥当性を報告する。

報告書

令和元年度大型計算機システム利用による研究成果報告集

高性能計算技術利用推進室

JAEA-Review 2020-021, 215 Pages, 2021/02

JAEA-Review-2020-021.pdf:13.11MB

日本原子力研究開発機構では、原子力の総合的研究開発機関として原子力に係わるさまざまな分野の研究開発を行っており、これらの研究開発の多くにおいて計算科学技術が活用されている。計算科学技術活用の高まりは著しく、日本原子力研究開発機構における計算科学技術を活用した研究開発の成果は、全体の約2割を占めている。大型計算機システムはこの計算科学技術を支える重要なインフラとなっている。大型計算機システムは、優先課題として位置付けられた福島復興(環境の回復・原子炉施設の廃止措置)に向けた研究開発や、高速炉サイクル技術に関する研究開発、原子力の安全性向上のための研究、原子力基礎基盤研究等といった主要事業に利用された。本報告は、令和元年度における大型計算機システムを利用した研究開発の成果を中心に、それを支える利用支援,利用実績,システムの概要等をまとめたものである。

論文

Machine learning potentials for tobermorite minerals

小林 恵太; 中村 博樹; 山口 瑛子; 板倉 充洋; 町田 昌彦; 奥村 雅彦

Computational Materials Science, 188, p.110173_1 - 110173_14, 2021/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

セメント水和物(セメントペースト)は建築材はもとより、放射性セシウムの閉じ込め材料として利用される。本論文はセメント水和物の代表的なモデル物質であるトバモライトの機械学習力場の構築を行ったものである。トバモライトに対し第一原理計算を実施し、様々な原子配置とそのポテンシャルデータを大量に生成し、ニューラルネットを用いた機械学習力場の学習を行った。構築した機械学習力場はトバモライトの弾性係数,振動状態密度をほぼ第一原理と同等の精度で計算可能であることを確かめた。また、機械学習分子動力学法を実行し、トバモライト細孔における水,イオンの輸送特性の解析を行った。

論文

Density functional theory study of solute cluster growth processes in Mg-Y-Zn LPSO alloys

板倉 充洋; 山口 正剛; 江草 大佑*; 阿部 英司*

Acta Materialia, 203, p.116491_1 - 116491_9, 2021/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:73.72(Materials Science, Multidisciplinary)

シンクロ型長周期積層(LPSO)合金において溶質原子クラスタはキンク変形やキンク強化といった特異な塑性に中心的役割を果たす。強化機構を解明にはその原子構造を決定することが必須であるが、クラスタに含まれる格子間原子に関して不明な点が残っていた。本研究では第一原理計算によりクラスタが形成される過程を詳細に調べ、その成長過程で中心付近にある原子が自発的に格子間原子となり、同時に空孔が形成されることを示した。これにより実験で不明であった格子間原子の種類と割合が決定された。更に自発的な空孔形成はこれまで金属材料では知られていない現象であり、これによってLPSO構造の形成が加速されていることを初めて示した。

論文

Calculations for ambient dose equivalent rates in nine forests in eastern Japan from $$^{134}$$Cs and $$^{137}$$Cs radioactivity measurements

Malins, A.; 今村 直広*; 新里 忠史; 高橋 純子*; Kim, M.; 佐久間 一幸; 篠宮 佳樹*; 三浦 覚*; 町田 昌彦

Journal of Environmental Radioactivity, 226, p.106456_1 - 106456_12, 2021/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Environmental Sciences)

Understanding the relationship between the distribution of radioactive $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in forests and ambient dose equivalent rates ($textit{.{H}}$*(10)) in the air is important for researching forests in eastern Japan affected by the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant (FDNPP) accident. This study used a large number of measurements from forest samples, including $$^{134}$$Cs and $textsuperscript{137}$Cs radioactivity concentrations, densities and moisture contents, to perform Monte Carlo radiation transport simulations for $textit{.{H}}$*(10) between 2011 and 2017. Calculated $textit{.{H}}$*(10) at 0.1 and 1 m above the ground had mean residual errors of 19% and 16%, respectively, from measurements taken with handheld NaI(Tl) scintillator survey meters. Setting aside the contributions from natural background radiation, $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in the organic layer and the top 5 cm of forest soil generally made the largest contributions to calculated $textit{.{H}}$*(10). The contributions from $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in the forest canopy were calculated to be largest in the first two years following the accident. Uncertainties were evaluated in the simulation results due to the measurement uncertainties in the model inputs by assuming Gaussian measurement errors. The mean uncertainty (relative standard deviation) of the simulated $textit{.{H}}$*(10) at 1 m height was 11%. The main contributors to the total uncertainty in the simulation results were the accuracies to which the $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs radioactivities of the organic layer and top 5 cm of soil, and the vertical distribution of $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs within the 5 cm soil layers, were known. Radioactive cesium located in the top 5 cm of soil was the main contributor to $textit{.{H}}$*(10) at 1 m by 2016 or 2017 in the calculation results for all sites.

論文

Sparse modeling of large-scale quantum impurity models with low symmetries

品岡 寛*; 永井 佑紀

Physical Review B, 103(4), p.045120_1 - 045120_8, 2021/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

核燃料物質であるウラン化合物や高温超伝導体である銅酸化物高温超伝導体などの強相関電子系における物性を評価するための方法の一つとして、問題を大規模量子不純物問題という有限量子多体系の問題に焼き直す手法が有力である。もし大規模量子不純物問題に問題を変換することができれば、通常の計算機ではなく量子コンピュータで問題を解くことも可能となるため、近年盛んに研究がなされている。しかしながら、問題を解く以前の問題として、大規模量子不純物問題に変換する手法の多くが数値的に不安定であった。本論文では、機械学習関連手法の一つであるスパースモデリングを用いることで、保持すべき情報量をしっかりと保持し数値的に安定に大規模量子不純物問題に変換する方法を開発したことを報告する。この手法の開発により、核燃料物質をはじめとする強相関電子系のシミュレーションに、スーパーコンピュータだけでなく量子コンピュータを使うことが可能となる。これらの結果は、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発に資する成果である。

論文

GPU acceleration of multigrid preconditioned conjugate gradient solver on block-structured Cartesian grid

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 山下 晋; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

Proceedings of International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2021) (Internet), p.120 - 128, 2021/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01

本研究では、二相流体解析コードJUPITERに対して、マルチグリッド前処理付き共役勾配(MG-CG)法を開発した。MG法は、3段のVサイクルMG法に基づいて構築し、各段に対して、RB-SOR法およびGPUのキャッシュを再利用したCR-SORを開発・適用した。性能測定として、バンドル体系に対する気液二相流体解析を行った。RB-SOR法およびCR-SOR法を適用したMG-CG法では、MG法を適用しないPCG法と比較して、収束までの反復回数を15%と9%以下に削減するとともに、3.1倍, 5.9倍の計算速度が達成された。以上の結果から、本研究で開発したMG-CG法は、GPUを用いたスーパーコンピュータ上にて、効率的に大規模な二相流体解析が可能であることが示された。

論文

Homogeneity of neutron transmission imaging over a large sensitive area with a four-channel superconducting detector

Vu, TheDang; 宍戸 寛明*; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 奥 隆之; 曽山 和彦; 相澤 一也; et al.

Superconductor Science and Technology, 34(1), p.015010_1 - 015010_10, 2021/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:74.69(Physics, Applied)

We demonstrated that a four-readout superconducting neutron imaging system shows good spatial heterogeneity and linearity using the delay-line method. We examined the precise pattern of a $$^{10}$$B-dot-array absorber and found the X-direction pitch (Px) = 250.7 um with a scatter of (Hx)= 5.4 um and the Y-direction pitch (Py)= 249.1 um with a scatter of (Hy)= 3.4 um while the $$^{10}$$B dot array was fully extended toward the X direction across the detector sensitive area. We consider that this demonstrates detection with good spatial homogeneity and conclude. The transmission-imaging system is suitable for use at pulsed neutron facilities. We also reported a clear transmission image of tiny screws and nuts, and ladybug (insect). We recognize that further efforts to improve the detection efficiency are necessary to make using the detector more practical.

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