Введение к работе
Актуальность темы. Среди объектов использования атомной энергии особое место занимают исследовательские реакторы (ИР), основное назначение которых - облучение различных материалов и накопление радионуклидов, используемых в реакторостроении, промышленности и медицине. На основных этапах эксплуатации этих реакторов, связанных с обоснованием и проведением перегрузок топлива, предпусковых экспериментов, кампаний с облучением экспериментальных устройств, модернизации активной зоны, решают множество задач, которые и составляют процесс сопровождения эксплуатации ИР, осуществляемый при совместном использовании контрольно-измерительных и вычислительных средств. В состав этих средств традиционно входят так называемые инженерные программные средства (ПС), основанные на приближённом решении нейтронно-физических задач, в том числе, на аппроксимациях накапливаемых расчётно-экспериментальных данных.
В связи с интенсификацией использования существующих ИР, экономией средств на дорогостоящее экспериментальное обоснование параметров текущей эксплуатации ИР и проектов модернизации их активных зон, всё большее значение приобретает применение вычислительных средств. В активную зону экспериментального реактора от кампании к кампании производят загрузку новых экспериментальных устройств, что вызывает существенные изменения её геометрии и материального состава. Для моделирования такого реактора необходимо использовать универсальные программы. Поэтому всё большее предпочтение отдаётся более точным программам (кодам) по сравнению с инженерными ПС. Этому способствует и стремительное развитие вычислительной техники, технологий моделирования, расширение возможностей компьютерных программ.
Особенности эксплуатации сложных по конструкции ядерно-опасных объектов, какими являются ИР, требуют использования прецизионных кодов, основанных на методе Монте-Карло, для текущего сопровождения эксплуатации этих реакторов. При таком подходе обеспечивается возможность достижения, с одной стороны, высокой точности расчётов любых ИР, ограниченной только неопределенностью констант в файлах оцененных ядерных данных, а с другой - приемлемого для практики быстродействия при использовании многопроцессорной вычислительной техники, т.е. открывается новая область применения прецизионных кодов как основы программных средств для оперативного решения нейтронно-физических задач, возникающих при работе ИР в режиме нормальной эксплуатации. Наряду с задачами оптимизации загрузок и кампаний ИР для задач, связанных с обоснованием безопасности, возможно получение менее консервативных, но надёжно обоснованных решений, которые могут способствовать повышению эффективности эксплуатации реакторов.
Актуальность разработок такого комплекса применительно к высокопоточному исследовательскому реактору СМ связана с необходимостью решения множества задач, связанных с обоснованием безопасности и эффективности проводимых на нём работ в условиях нормальной эксплуатации, а также с необходимостью отработки новой технологии расчётного сопровождения для последующего её обобщения и использования на других ИР.
Цель работы - создание алгоритмов и комплекса программных средств на основе прецизионного кода для оперативного решения нейтронно-физических задач, в том числе, инженерным персоналом, при расчётном сопровождении эксплуатации исследовательского реактора СМ.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.
Разработка и реализация алгоритмов, связанных с распараллеливанием вычислений по прецизионной программе MCU-RR методом Монте-Карло.
Разработка комплекса программных средств - имитатора активной зоны реактора CM (IMCORSM), включающего наряду с программой MCU-RR базу данных с исходной и накапливаемой информацией, «базовую» расчётную модель активной зоны, средства автоматизации моделирования и графический интерфейс, обеспечивающие возможность использования имитатора инженерным персоналом.
Разработка и тестирование на экспериментальных данных расчётных моделей элементов конструкции активной зоны.
4. Разработка, реализация и тестирование алгоритмов вычисления
нейтронно-физических характеристик активной зоны с использованием
имитатора IMCORSM.
Научная новизна работы
Разработан новый подход к решению нейтронно-физических задач сопровождения эксплуатации реактора СМ, основанный на использовании комплекса программных средств, который включает распараллеленную версию прецизионной программы и средства автоматизации формирования расчётных моделей, позволяющий оперативно моделировать взаимосвязанные изменения нуклидного состава и геометрии модели (например, положения органов системы управления и защиты) с большей точностью по сравнению с инженерными программными средствами.
Разработана модификация алгоритма А.Д. Франк-Каменецкого для параллельных вычислений методом Монте-Карло при совместной нормализации поколений нейтронов, обеспечивающая минимизацию объёма пересылаемой между процессорами информации и пренебрежимо малое время задержки работы процессоров при их синхронизации.
Впервые выполнены оценки систематической погрешности расчетов коэффициента размножения нейтронов и распределения энерговыделения в ТВС реактора СМ, связанной с неустановившимся распределением источников нейтронов для серии начальных траекторий, и получена
зависимость между величиной погрешности и числом используемых процессоров.
4. Получены эмпирические формулы взаимосвязи параметров активной зоны (зависимости эффектов реактивности от изменений площади поперечного сечения твэла и температуры теплоносителя, коэффициентов неравномерности энерговыделения в ТВ С различного типа от выгорания топлива), позволяющие оперативно (без моделирования) предсказывать важные для эксплуатации характеристики активной зоны.
Практическая значимость работы
1. Для случая параллельных вычислений методом Монте-Карло с
совместной нормализацией поколений нейтронов разработана
модификация алгоритма А.Д. Франк-Каменецкого, уменьшающая объем
пересылаемой информации, и исследована задержка вычислений,
вызванная ожиданием при синхронизации работы процессоров.
2. Определены значения систематической погрешности расчетов
реактора СМ, связанной с неустановившимся распределением источников
нейтронов для серии начальных траекторий.
Программный комплекс IMCORSM внедрён в практику расчётного сопровождения эксплуатации реактора СМ и используется для прогнозного моделирования каждой загрузки и кампании.
Имитатор IMCORSM использовался при обосновании поэтапного перевода активной зоны на ТВС с повышенным содержанием урана-235 в твэлах и реализованной в настоящее время компоновки активной зоны с «малой» нейтронной ловушкой, обеспечивающей дополнительный облучательный объём с высокой плотностью потока тепловых нейтронов.
Накапливаемая в базе данных имитатора информация о характеристиках прошедших кампаний используется (и будет использоваться в дальнейшем) для обобщений и выявления новых закономерностей в виде аппроксимационных зависимостей для инженерных методик.
Имитатор IMCORSM используется при проведении исследований в обоснование вариантов модернизации активной зоны, направленных на дальнейшее повышение технико-экономических показателей работы реактора СМ.
Личный вклад автора:
впервые разработал распараллеленную версию программы MCU-RR (MCU-4) в системе PVM на кластере НИИАР;
разработал алгоритм нормализации поколений нейтронов в распараллеленных расчётах реакторных систем методом Монте-Карло;
разработал алгоритм преобразования входных данных о состояниях активной зоны реактора СМ в файл исходных данных для прецизионной программы MCU-RR;
разработал алгоритм прогнозного моделирования кампании реактора СМ;
участвовал в получении эмпирических формул для вычисления коэффициентов неравномерности энерговыделения в поперечном сечении ТВС и зависимостей эффектов реактивности активной зоны от изменений площади поперечного сечения твэла и температуры теплоносителя;
разработанные алгоритмы были программно реализованы и интегрированы автором в комплекс программных средств - имитатор активной зоны реактора СМ, с помощью которого им были проведены многовариантные расчётные исследования его нейтронно-физических характеристик в сравнении с экспериментальными данными.
Автор защищает:
комплекс программных средств - имитатор активной зоны реактора СМ для расчётов его нейтронно-физических характеристик с ориентацией на решение эксплуатационных задач инженерным персоналом;
алгоритм совместной нормализации поколений нейтронов в распараллеленных расчетах реакторных систем методом Монте-Карло;
результаты исследований погрешности, связанной с неустановившимся распределением источников нейтронов для серии начальных траекторий;
результаты исследований влияния ряда факторов на реактивность активной зоны реактора СМ (изменения площади поперечного сечения твэла и температуры теплоносителя);
эмпирические формулы для вычисления коэффициентов
неравномерности энерговыделения в поперечном сечении ТВС реактора
СМ.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
международных семинарах «Супервычисления и математическое моделирование» (ВНИИЭФ, г.Саров, 2004, 2006, 2008, 2009 г.г.);
международной научно-технической конференции «Исследовательские реакторы в XXI веке» (г. Москва, 2006);
отраслевых семинарах «Алгоритмы и программы для нейтронно-физических расчетов ядерных реакторов» (г. Обнинск, 2004, 2006, 2007, 2009 г.г.);
отраслевом семинаре «Использование и эксплуатация исследовательских реакторов» (г. Димитровград, 2004г.);
конференциях молодых ученых и специалистов ГНЦ НИИАР (г. Димитровград, 2002, 2004-2009 г.г).
Доклад Марихина Н.Ю. на отраслевом семинаре «Нейтроника-2009» удостоен первой премии и диплома по результатам конкурса среди молодых участников семинара из ведущих российских научных центров.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе, в 5 статьях в рецензируемых изданиях: «Известия высших учебных заведений» серия «Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники» серии «Математическое моделирование физических процессов» и «Физика ядерных реакторов».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 135 страниц текста, из них 33 рисунка и 15 таблиц.
