Введение к работе
Актуальность работы
Влияние процессов ядерной трансмутации на основные ядерно-физические характеристики материалов ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) требует детального изучения и количественной оценки изменения нуклидного состава этих материалов при реакторном облучении. При этом значимость трансмутационных процессов наиболее выражена для тех материалов, в которых изменение этих характеристик может непосредственно влиять на изменение зксплуаіационньїх свойств материалов и приводить к ограничению ресурса изделий, ответственных за безопасную эксплуатацию ЯЭУ. Прежде всего, это материалы огражателя, замедлителя и поглотителя нейтронов К таким материалам относится бериллий, гафний и их соединения. Накопление газообразных продуктов ядерной трансмутации при длительном реакторном облучении этих материалов может приводить к изменению их структурно-фазового состояния, что также необходимо учитывать при обосновании работоспособности конструктивных элементов ЯЭУ1.
Для конструкционных материалов типа коррозионно-стойких сталей и ни-кельсодержащих материалов важно определение динамики накопления радиогенных изотопов гелия и водорода в зависимости от условий реакторного облучения.
Изменение нуклидного состава материалов нейтронно-активационных детекторов (ниобий, медь, железо, никель и т.д), используемых для расчетно-экспериментального определения флюенса и спектра нейтронов в условиях облучения в исследовательских ядерных реакторах (ИЯР), требует применения прецизионных методов расчета, позволяющих оценить влияние неучтённых факторов на результат нейтронно-активационных измерений. Математическое моделирование процессов ядерной трансмутации также актуально для разработки малоакти-вируемых реакторных материалов.
В данной работе перечисленные материалы рассмагриваются в качесіве конструкционных материалов. Для делящихся (топливных) материалов задача расчета количественных эффектов изменения нуклидного состава при реакторном облучении выходит за рамки математической модели изонуклидной трансмутации2 и в данной работе не рассматривается.
Испытания образцов материалов при облучении в ИЯР позволяю! определить допустимые условия эксплуатации конструктивных элементов ЯЭУ Один из аспектов организации реакторных материаловедческих испытаний материалов составляют взаимосвязанные задачи нейтронной спектрометрии и дозиметрии Качество экспериментальной информации о степени воздействия излучений при испытаниях материалов на радиационную стойкость определяет правильность принимаемого решения о сроках работы наиболее ответственных узлов радиационных установок, длительное время пребывающих в мощных полях излучений"'. К важнейшим задачам метрологических исследований, определяющих представи-
1 Ма Б М Материалы ядерных энергетических установок М Энергоатомиздат 1987
z Markina N V , Shimansky G A TRANSMU computer code for compulation of transmutant formation kinetics in ad
vanced structural materials for fusion reactors //Journal of nuclear materials, 271 272 1999, p 30-34
1 Вопросы атомной науки и техники Сер Материаловедение и новые материалы, 2004 Вып 1(62)
тельность и достоверность данных о неитронно-физических условиях реакторного облучения конструкционных материалов, относятся:
минимизация погрешностей экспериментального определения неитронно-физических параметров облучения (при заданной себестоимости метрологических работ);
разработка математических моделей и алгоритмов, оптимизирующих расчеты кинетики нуклидных превращений в испытываемых материалах по критерию минимизации методической погрешности4.
Комплексное решение перечисленных задач актуально для обеспечения унификации и качества неитронно-физических измерений в целом для отрасли
Отсутствие на момент проведения данной работы универсальных верифицированных методик обеспечивающих качество измерений характеристик ней-гронных полей и достоверную оценку изменений состава конструкционных материалов при облучении в ИЯР обусловило актуальность разработки и апробации современных алгоритмов и программных средств для расчета ядерной трансмутации в конструкционных материалах.
Цель работы
Целью настоящей работы является создание и исследование эффективности алгоритмов расчёта кинетики нуклидных превращений в конструкционных материалах при облучении в исследовательских реакторах и разработка программного комплекса для математического моделирования ожидаемых трансмутационных процессов с оценкой вычислительной и методической погрешностей расчета.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Разработка и сравнение алгоритмов дискретной оптимизации разветвленной блочной схемы трансмутации в конструкционных материалах по критерию методической погрешности.
-
Создание базы данных для систематизации и хранения нейтронных спектров, используемых в качестве основной характеристики во входной информации о неитронно-физических условиях реакторного облучения испытываемых материалов.
-
Программная реализация алгоритмов извлечения и сбора оцененных ядерных данных, составления оптимальной разветвленной блочной схемы нуклидных превращений в составе программного комплекса для расчёта трансмутационных процессов с контролем вычислительной и методической погрешностей.
Методы исследования
В диссертационной работе задача дискретной оптимизации разветвлённой блочной схемы нуклидных превращений формализована в терминах теории гра-фог т3 разработках алгоритмических моделей для реализации поставленной задачи ииюльзуются методы дискретной оптимизации5, эвристические методы теории принятия решений , элементы теории искусственного интеллекта7, приёмы из ра-
4 MarkinaN V . Ryazano\ D К , Shimansky G A ct al Radiation hffects Simulation for testing Matenals Lxpcnments in Research Rtactors //9111 Furop Simuf Symposium 1 997, Passau, Germany, p 751-754 3 Кристофндес H Теория графов алгоритмический подход М Мир, 1978
6 Макарон М Винограіская Т Р>бчннский А Гоколор В Теория выбора и принятия решений М Наука. 19ЇР
7 Стариков Л Генетические алгоритмы - математический аппарат//Imp \ u u hj-^^ioup їй, Ьгір ^иЛ stai< ru
бот Б.Ф Мельникова Для решения линейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений непосредственное применение нашли методы линейной алгебры, проведена апробация интервальной арифметики9. Верификация результатов диссертационной работы проводилась методами реакторной дозиметрии, ядерной физики, материаловедения, физики реакторов.
Достоверность результатов
Представленные экспериментальные и расчётные данные получены с применением аттестованных методик и компьютерного кода. Проведено сравнение полученных результатов с результатами других моделей. Результаты исследований обсуждались на российских и международных конференциях и семинарах.
Научная новизна
1 В рамках ранее разработанной математической модели10 сформулирована в
терминах теории графов новая задача дискретной оптимизации разветвлённой
блочной схемы трансмутации.
2. Для решения задачи дискретной оптимизации расчётной схемы нуклидных превращений применены методы глобальной и локальной оптимизации с элементами математической теории принятия решений.
3 Исследована эффективность нескольких принципиально отличающихся между собой эвристических алгоритмов применительно к сформулированной задаче дискретной оптимизации. Сделан выбор наиболее перспективных алі оритмов.
Теоретическая и практическая значимость
Работа носит теоретический характер. Её результаты могут найти приложения для развития используемых экспериментальных методик в метрологии нейтронных излучений, в реакторной дозиметрии, в спектрометрии и в радиометрии ионизирующих излучений. Полученные алі оритмические разработки имеют ценность для решения задач радиационного материаловедения, радионуклидной промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Формулировка в терминах теории ірафов задачи дискретной оптимизации расчётной схемы нуклидных превращений в облученных конструкционных маїериа-лах.
-
Формулировка эвристического алгоритма сортировки по критерию оптимизации расчётной схемы трансмутации в конструкционных материалах при облучении в исследовательских реакторах и её программная реализация.
-
Формулировка алгоритма ветвей и границ оптимизации расчётной схемы трансмутации в конструкционных материалах при облучении в исследоваїель-ских реакторах с применением динамических функций риска и её программная реализация.
-
Формулировка генетического алгоритма в сочетании с локальной оптимизацией расчётной схемы трансмутации в конструкционных материалах при облучении в исследовательских реакторах и её программная реализация.
8 Мельников Б Ф Эвристики в программировании недетерминированных игр //Программирование М Известия
РАН 2001 №>Ч С 61 80
9 Шокин Ю И Интервальный анализ Новосибирск Наука, і 981
tn Шиманский Г А Алгоритм расчета трансмутаций с юмтексным контролем погрешности //Вопросы ашмной науки и техники Сер Ядерные константы, 1995 Вып 2 С П7-І4і
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, совещаниях и конференциях:
The WGRD-VVER Workshop on RPV Neutron Dosimetry (Ржеж под Прагой, Чехия, ноябрь, 1998);
10lh International Symposium on Reactor Dosimetry (Осака, Япония, сентябрь, 1999);
9th International Conference on Fusion Reactor Materials (Колорадо Спрингз, США, 10-15 октября 1999);
10* International Conference on Fusion Reactor Materials (Баден-баден, Германия, 14-19 окгября 2001);
Международный конгресс ЭНЕРГЕТИКА-3000 (Обнинск, 21-23 октября 2002);
Всероссийская научно-техническая конференция «Искусственный интеллект в XXI веке» (Пенза, 25 ноября 2003);
8ой Международный семинар по дискретной маїематике и сё приложениям (Москва, 2-5 февраля 2004);
семинар Координационною Научною Техническою Совета Реакторного Материаловедения "Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях" (Димитровград, 5-6 апреля 2004)
Исследования проводились в рамках программ научно-исследовательских и экспериментальных работ в области реакторного материаловедения, утвержденных Федеральным Агентством по Атомной Энергии Российской Федерации:
"Разработка методов и технических средств для исследований материалов и изделий атомной техники в исследовательских ядерных реакторах (ИЯР)" на 2002 год (исполнитель - ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР");
"Исследования и разработки в области обеспечения реакторных экспериментов средствами контроля и регулирования условий испытаний" на 2003 год (исполнитель - ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР");
" "Развитие методов нейтронной дозиметрии и спектрометрии с использованием математического моделирования процессов изменения нуклидного состава акти-вационного детектора" на 2004 год (исполнитель - ФГУП "І НЦ РФ НИИАР")
Личный вклад
Постановка задачи исследования и идея эвристическою метода сортировки по критерию для решения задачи дискретной оптимизации схемы ядерной транс-мутаиии предложены научным руководителем. Аналитические разработки и программные реализации алгоритмов дискретной оптимизации расчётной схемы грансмутации в материалах при облучении в ИЯР осуществлялись автором самостог иіьно. Разработка алгоритмов автоматизации расчёта трансмутации для комплекса программ Autotm и самого комплекса программ, а также апробация интервальной арифметики в расчётах проведены автором самостоятельно.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 работ, их список помещён в конце автореферата
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и библиографии Диссертация изложена на 186 страницах, содержит 32 рисунка, 17 таблиц и список цитируемой литературы из 101 наименования.
