Комплекс программных средств на базе прецизионного кода для расчётов нейтронно-физических параметров эксплуатации реактора СМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Марихин, Николай Юрьевич

• Марихин, Николай Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Марихин, Николай Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ НЕЙТРОННО- ФИЗИЧЕСКИХ РАСЧЁТОВ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ

РЕАКТОРОВ.

2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА - ИМИТАТОРА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО РЕАКТОРА СМ

2.1. Описание активной зоны реактора СМ.

2.2. Требования к программному комплексу и основные средства разработки.

2.3. Распараллеленная версия программы MCU-RR/P.

2.3.1. Реализация распараллеливания вычислений.

2.3.2. Нормализация поколений в распараллеленной версии.

2.4. База данных программного комплекса

2.4.1. Раздел базы данных об элементах конструкции

2.4.1.1. Данные о геометрии TBC.

2.4.1.2. Данные о концентрациях нуклидов в топливных зонах TBC.

2.4.1.3. Данные о коэффициентах неравномерности распределения энерговыделения.

2.4.2. Раздел базы данных о прошедших кампаниях.

2.5. Средства автоматизации моделирования

2.5.1. Модуль генерации MCU-моделей.

2.5.2. Модуль управления работой MCU-RR.

2.5.3. Модуль обработки результатов моделирования.

2.6. Обоснование параметров «базовой» расчетной модели активной зоны

2.6.1. Модели ТВС

2.6.1.1. Обоснование пространственного разбиения.

2.6.1.2. Тестирование моделей на экспериментальных данных.

2.6.2. Модели органов СУЗ.

2.6.3. Модели центральных вкладышей и отражателя.

2.7. Особенности работы имитатора 1МС0118М на многопроцессорных системах.

2.8. Графический интерфейс.

3. АЛГОРИТМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ОСНОВНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ ЗОНЫ.

3.1. Эффекты реактивности.

3.2. Эффективность органов СУЗ.

3.3. Мощность максимально напряженного твэла.

3.3.1. Расчет на основе коэффициентов неравномерности в максимально напряженной зоне ТВС.

3.3.2. Расчет на основе коэффициентов неравномерности в поперечном сечении ТВС.

3.4. Моделирование критических состояний реактора СМ.

3.5. Алгоритм прогнозирования длительности кампании.

3.6. Выгорание топлива в ТВС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплекс программных средств на базе прецизионного кода для расчётов нейтронно-физических параметров эксплуатации реактора СМ»

Среди объектов использования атомной энергии особое место занимают исследовательские реакторы (ИР), основное назначение которых - облучение различных материалов и накопление радионуклидов, используемых в реакторо-строении, 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 составе этих средств традиционно используются 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 дорогостоящие экспериментальные обоснования параметров текущей эксплуатации ИР и проектов модернизации их активных зон, всё большее значение приобретают разработки и применение вычислительных средств, среди которых предпочтение отдаётся более точным программам (кодам) по сравнению с инженерными ПС. Этому способствует и стремительное развитие вычислительной техники, технологий моделирования, совершенствование компьютерных программ.

Стремление к достижению максимально возможной точности (прецизионности) нейтронно-физических расчётов сложных по конструкции ядерно-опасных объектов, какими являются ИР, приводит к выбору прецизионных кодов, основанных на методе Монте-Карло, для текущего сопровождения эксплуатации этих реакторов. При таком подходе обеспечивается возможность достижения, с одной стороны, повышенной точности расчётов при любых вариациях геометрии и состава активной зоны ИР, 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 ' (, 1 эксплуатации реакторов.

Таким образом, актуально дооснащение традиционно используемых средств сопровождения эксплуатации конкретного ИР более совершенным (в сравнении с инженерными ПС) комплексом программных средств -имитатором активной зоны с сохранением возможности его использования инженерным персоналом. Актуальна также отработка соответствующей технологии расчетного сопровождения для последующего её обобщения на любые другие ИР. В качестве первого (типового) объекта, на котором проводилась такая отработка, выбран исследовательский реактор СМ — один из самых мощных в мире по нейтронному потоку в рассматриваемом классе реакторов с водой в качестве теплоносителя.

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.

1. Разработка и реализация алгоритмов, связанных с распараллеливанием вычислений по прецизионной программе МСи-БИ1 методом Монте-Карло.

2. Разработка комплекса программных средств - имитатора активной зоны реактора СМ (1МССЖ8М), включающего наряду с программой МСИ-КЯ базу данных с исходной и накапливаемой информацией, «базовую» расчётную модель активной зоны, средства автоматизации моделирования и графический интерфейс, обеспечивающие возможность использования имитатора инженерным персоналом.

3. 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.

В первой главе диссертации представлен обзор программных средств, * * используемых для расчётов нейтронно-физических характеристик исследовательских реакторов, и возможностей современных вычислительных технологий, которые могут быть использованы для повышения точности и оперативности таких расчётов.

Во второй главе представлена структура разработанного программного комплекса, приведены описания алгоритмов, используемых при распараллеливании вычислений в прецизионной программе, базы данных, средств автоматизации моделирования, графического интерфейса. Приведено I обоснование параметров расчётных моделей тепловыделяющих сборок (TBC), органов системы управления и защиты (СУЗ), центральной замедляющей полости и отражателя реактора СМ.

В третьей главе представлены описания алгоритмов и приведены результаты расчётов основных нейтронно-физических характеристик,активной зоны реактора СМ в сравнении с экспериментальными данными.

Научная новизна работы и

1. Разработан и реализован 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 моделей с большей точностью по сравнению с инженерными программными средствами.

2. 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.

3. Впервые выполнены оценки систематической погрешности расчетов коэффициента размножения нейтронов и распределения энерговыделения в TBC реактора СМ, связанной с неустановившимся распределением источников нейтронов для серии начальных траекторий, и получена зависимость между величиной погрешности и числом используемых процессоров. п,ч

4. Получены эмпирические формулы взаимосвязи параметров активной зоны > зависимости эффектов реактивности от изменений площади поперечного сечения твэла и температуры теплоносителя, коэффициентов неравномерности распределения энерговыделения в TBC различного типа от выгорания топлива), позволяющие оперативно (без моделирования) предсказывать важные для эксплуатации характеристики активной зоны.

Практическая значимость работы i 1 Ч

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.

3. Программный комплекс IMCORSM внедрён в практику расчётного сопровождения эксплуатации реактора СМ и используется для прогнозного 1 * моделирования каждой загрузки и кампании.

4. Имитатор IMCORSM использовался при обосновании поэтапного перевода активной зоны на TBC 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.

5. 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.

6. Имитатор IMCORJSM используется при проведении исследований в обоснование вариантрвмодернизации активной зоны, направленных на дальнейшее повышение технико-экономических показателей работы реактора СМ.

Авторский вклад в диссертационную работу:

• 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; ч. •

• 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 TBC

V. J Ч 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

1 I > зоны реактора СМ (изменения площади поперечного сечения твэла и температуры теплоносителя);

• эмпирические формулы для вычисления коэффициентов неравномерности энерговыделения в поперечном сечении TBC 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 13 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»; а также в 6 статях в сборнике трудов ГНЦ НИИАР и в 1 статье в сборнике трудов ХЬУП научной конференции МФТИ.

К" -ч

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Марихин, Николай Юрьевич

Выводы по материалам главы 3.

1) На основе проведённых исследований влияния различных параметров расчётной модели активной зоны реактора СМ на её реактивность получены эмпирические формулы для расчётов эффектов реактивности при изменениях площади поперечного сечения твэлов и температуры теплоносителя.

2) Расчётная модель активной зоны протестирована на представительном массиве экспериментальных и эксплуатационных данных. Выявлена причина расхождения зависимостей эффективности КО от положения ЦКО, полученных на основе расчетных моделей и экспериментальных данных.

3) Получены эмпирические формулы для расчёта коэффициентов неравномерности энерговыделения по всему поперечному сечению TBC (для инженерной методики) и по группе наиболее напряжённых твэлов (для использования в имитаторе IMCORSM).

4) Разработан и протестирован на эксплуатационных данных алгоритм прогнозирования максимальной длительности кампании при заданной загрузке активной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках решения актуальной задачи обеспечения безопасности и эффективности эксплуатации исследовательского реактора СМ автором диссертации в творческом контакте с Ю.Е. Ванеевым был создан и внедрён в опытную эксплуатацию комплекс программных средств — имитатор активной зоны этого реактора (1МС(Ж8М) на базе прецизионной программы МСи-КЫ. Были разработаны следующие основные компоненты программного комплекса:

• распараллеленная версия программы МСи-КЛ и алгоритм совместной нормализации поколения нейтронов;

• база данных имитатора, содержащая разделы с информацией о геометрии и материальном составе элементов конструкции реактора, коэффициентах неравномерности энерговыделения, характеристиках промоделированных кампаний;

• средства автоматизации моделирования:

- модуль генерации МСЦ-моделей, реализующий алгоритм преобразования исходных данных о состояниях активной зоны, задаваемых в понятном для инженерного персонала виде, в файлы исходных данных для программы МСи-Ш^;

- модули управления работой программы МСи-КИ. и обработки результатов моделирования;

• расчётные модели отдельных элементов активной зоны и её «базовая» полномасштабная модель.

Разработанные расчётные модели были протестированы на представительном массиве экспериментальных и эксплуатационных данных.

Созданный имитатор активной зоны реактора СМ позволяет за один пуск головной программы моделировать последовательность состояний активной зоны (кампанию) с учётом выгорания топлива, «отравления» бериллиевых элементов конструкции и перемещения органов СУЗ.

120 . 'г . ■ . . .

С помощью имитатора 1МСОЯ8М проведены исследования влияния изменений нейтронно-физических параметров расчётной модели активной зоны реактора СМ на результаты расчётов. Получены и проверены эмпирические формулы взаимосвязи важных для эксплуатации характеристик/активной зоны . (зависимости реактивности от площади поперечного сечения . твэла и коэффициентов неравномерности энерговыделения в ТВ С различного типа от ; •/ выгорания топлива). Выявлены причины расхождений результатов расчетов и: экспериментов" при определении эффективности органов, СУЗ, проведены исследования различных эффектов реактивности, по которым отсутствует экспёриментальная информация. Разработан и. протестирован на эксплуатационных данных алгоритм прогнозирования максимальной длительности кампании при заданной загрузке активной зоны. :

Начиная с 2005 года, с использованием имитатора 1МС(Ж8М в плановом порядке проводятся расчёты каждой кампании реактора СМ как в прогнозном, так и в посттёстовом режимах. Имитатор передан в опытную эксплуатацию в отдел ядерной безопасности «Реакторного исследовательского комплекса» с подробным описанием этого программного средства и инструкцией для пользователей. 7 ■/' ' ^.'Д;-/ ' ' '•■■'ДД 7

Одновременно с текущим сопровождением эксплуатации реактора СМ с: помощью имитатора 1МСОКЭМ проводятся .исследования эффективности технических предложений по модернизации активной зоны. Смоделирован поэтапный переход на твэлы с повышенным содержанием урана-235, проведены прецизионные расчёты в обоснование компоновки активной зоны с «малой» ловушкой, которая была;реализована на реакторе и позволила создать дополнительный облучательный объем с. высокой плотностью потока тепловых нейтронов; разработана методика и проведены исследования изменений характеристик активной зоны при использовании новых ТВС со стержнями выгорающего поглотителя и твэлами с малым вредным поглощением .нейтронов;' ; . - ••'■ ■■ Д'-' '.•'.' •'■•VУДД-ДД'777

При непосредственном участии автора диссертации создана и введена в эксплуатацию система удалённого доступа к вычислительному центру коллективного пользования (ВЦКП) ВНИИЭФ (г.Саров), осуществлена инсталляция и тестирование программы MCU-RR/P на сервере ВЦКП, что обеспечило возможность проведения плановых нейтронно-физических расчётов, сопровождающих работу реактора СМ, в многопроцессорном режиме на мощном вычислительном кластере ВНИИЭФ.

Кроме использования имитатора при обосновании безопасности и эффективности проводимых на реакторе СМ работ важное значение имеет первый опыт реализации на этом реакторе новой технологии расчётного сопровождения для его последующего обобщения и использования при эксплуатации любых других ИР.

В заключении автор выражает благодарность Гуревичу Михаилу Исаевичу и Ванееву Юрию Евгеньевичу за постановку задач, руководство работой и обсуждение результатов.

Автор выражает также благодарность Пименову В.В., Малкову А.П., Старкову В.А., Клинову A.B. за помощь при проведении работ, обсуждение результатов и высказанные замечания по тексту диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Марихин, Николай Юрьевич, 2011 год

1. Askew J.R. A general Description of the Lattice Code WIMS. JBWES, Oct., 1966.

2. Программа САПФИР95 с библиотекой констант БНАБ-78/С-95. Аттестационный паспорт программного средства № 116 от 02.03.2000. Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России, Москва, 2000.

3. Belousov N., Bichkov S., Marchulc Y. e.a. The code GETERA for cell and polycell calculations. Proceedings of the 1992 Topical Meeting on Advances in Reactor Physics, March 8-11, 1992, Charleston, SC, USA.

4. Программа TIGRIS. Аттестационный паспорт программного средства № 213 от 2006 г. Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности Ростехнадзора России, Москва, 2006.

5. Тихончев М.Ю., Ванеев Ю.Е., Малков А.П. Верификация инженерной программы BERCLI на экспериментальных данных с критической сборки реактора МИР-М1 // Сб. трудов семинара «Нейтроника-99», Обнинск: ФЭИ, 2000. С. 36-42.

6. Серегин A.C., Кислицина Т.С., Цибуля A.M. Аннотация комплекса программ TRIGEX.04: препринт: ФЭИ-2846 Обнинск: ГНЦ РФ - ФЭИ, 2000.

7. Малков А.П. Обеспечение ядерной безопасности исследовательского реактора СМ при подготовке и проведении экспериментов: Дис. канд. тех. наук. Димитровград. 2003. 142 с.

8. MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4B / Judith F. Briesmeister: LA-12625-M. - USA, 1997.

9. Гомин E.A. Статус MCU-4 // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов, 2006, вып. 1. С. 6-32.

10. Данилов В.А., Зенков А.Д., Малкин С.Д. и др. Компьютерная технология SimPort™: опыт внедрения // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов, 2002, вып. 3. С. 67-71.

11. Зизин М.Н. Концепция создания системного и прикладного программного обеспечения задач математического моделирования. Препринт ИАЭ-6336/5, М.: 2004.

12. Программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCUDAT-1.0 Аттестационный паспорт программного средства № 61 от 17.10.1996. Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России. М. 1996.

13. Программа MCU-REA с библиотекой констант DLC/MCUDAT-2.1. Аттестационный паспорт программного средства № 115 от 02.03.2000. Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России. М. 2000.

14. Гуревич М.И., Марихин Н.Ю. Некоторые проблемы реализации расчёта реакторов методом Монте-Карло на многопроцессорной ЭВМ МВС-1000/М // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов, 2002, вып.4, с. 15-22.

15. Д. Кнут Искусство программирования для ЭВМ Т.2 — М.:Мир, 1977.

16. Кнут Д.Е. Искусство программирования. Т 2. Получисленные алгоритмы: — 3-е изд. М.: "Вильяме", 2007.

17. Майоров Л.В. Оценки смещения результатов при расчете реакторов и хранилищ ядерного топлива методом Монте-Карло // Атомная энергия, 2005, т.99, вып. 4, с. 243-256.

18. Франк-Каменецкий А.Д. Моделирование траекторий нейтронов при расчете реакторов методом Монте-Карло М.:Атомиздат, 1978. - 95С.

19. Гуревич М.И., Марихин Н.Ю., Тельковская О.В. и др. Оптимизация нормализации поколений при использовании весовых окон // Труды ХЬУП научной конференции МФТИ. Москва, 25 ноября 2004 г. М., МФТИ, 2004. с.75-89.

20. Цыканов В.А., Чечеткин З.И., Старков В.А., Чертков Ю.Б. и др. Основные результаты исследований твэлов реактора СМ с увеличенным содержанием урана // Сборник трудов ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР». Димитровград, 2005, вып.З, с. 3-9.

21. Ванеев Ю.Е., Марихин Н.Ю., Булычева Л.В., Краснов Ю.А. Разработка имитатора активной зоны реактора СМ // Сб. трудов ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», Димитровград, 2005, вып. 2, с. 53-60.

22. Д. Белл С. Глесстон Теория ядерных реакторов М.:Атомиздат, 1974.

23. Ванеев Ю.Е. Разработка комплекса программных средств для сопровождения эксплуатации исследовательских реакторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов. 2006. вып.1. с. 84-92.

24. Краснов Ю.А., Малков А.П., Пименов В.В., Пименова О.В. Расчетно-экспериментальные исследования распределения энерговыделения в активныхIзонах реакторов СМ и РБТ // Сборник трудов. Димитровград: ГНЦ НИИАР, 2002. вып. 3. с. 52-63.