Михаил Зизин: подводные камни в нейтронно-физических задачах

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 15.11.2012

С 30 октября по 2 ноября на базе ГНЦ РФ-ФЭИ прошёл межведомственный XXIII семинар "Нейтронно-физические проблемы атомной энергетики с замкнутым топливным циклом (Нейтроника-2012)".

С докладом "О подводных камнях в детерминистских нейтронно-физических задачах" на семинаре выступил главный научный сотрудник РНЦ КИ Михаил Николаевич ЗИЗИН.

Пользуясь случаем, редакция ЭПИ AtomInfo.Ru поздравляет Михаила Николаевича с выходом книги "Опыты присвоения чужого ума. Выписки и записи".

Известное известно немногим

Аристотель сказал: "Известное известно немногим". Некоторые вещи, о которых шла речь в докладе, очевидны, а некоторые - не очень.

Автор начал своё выступление с перечисления проблем, стоящих перед сообществом расчётчиков. Например, много внимания в последнее время уделяется пространственно-временным расчётам. В этой связи автор процитировал М.Л.Гаспарова: "Какой интересный новый камень на шею". Тяжёлые камни с шеи часто хочется сбросить, но потом привыкаешь, и даже начинает нравиться.

Пока пространственно-временные 26-групповые расчёты являются очень дорогим удовольствием даже в диффузионном приближении и для счёта нескольких вариантов работать приходиться на нескольких компьютерах одновременно. Счёт некоторых вариантов идёт больше двух недель.

На суперкомпьютерах стоит Intel Fortran Compiler, а работающего комплекса программ CONSYST/БНАБ под INTEL до сих пор в общем доступе нет. Запускать там пространственно-временные задачи для быстрых реакторов проблематично.

С общей точки зрения, нужны программы и библиотеки констант в текстах, чтобы не зависеть от транслятора, а при расчётах быстрых реакторов пока приходится работать с объектными библиотеками CONSYST для транслятора Lahey.

Возможно, требуется хоть какая-то реальная и общедоступная альтернатива CONSYST. Пока при подготовительных расчётах в качестве альтернативы CONSYST_Lahey приходится использовать старые версии CONSYST и БНАБ.

Другая проблема - метод Монте-Карло. На расчёты реакторов методом Монте-Карло в последние годы возлагаются большие надежды. Но веры полям, рассчитанным по Монте-Карло, пока нет. Требуется большая и целенаправленная работа по сравнению расчётов различных функционалов для быстрых (и не только) реакторов по Монте-Карло и детерминистским программам.

И начинать её, полагает докладчик, надо со стационарных расчётов, а до пространственно-временных ещё очень далеко. Специальное внимание нужно уделять симметричности, причём можно использовать и не совсем идеальную.

Известно, что монте-карловскими методами трудно рассчитывать тонкие эффекты. Есть большие сомнения в приписываемых для малых эффектов погрешностях. В этой связи, Михаил Зизин приветствовал создание в ФЭИ связки программ TRIGEX+MMK.

Третья проблема, на которую докладчик обратил особое внимание - отсутствие единой точки зрения на трактовку расчётных и экспериментальных данных по эффективности СУЗ.

Сизиф наш друг и труд наш одинаков (А.Кушнер)

Труд программиста - один из самых тяжёлых, но и благодарных. В нём очень высока положительная эмоциональная составляющая. Радость бывает сродни известному "Ай да Пушкин! Ай да сукин сын!".

Но при написании программ хорошо бы следовать примеру старых мастеров, которые украшали узорами не только внешние части своих изделий, но и внутренние, видные только Всевышнему. И хотя аналогия с программами не полная, но качество работы в деталях не должно быть рассчитано только на внешний эффект.

"Сейчас в нашей предметной области почти не осталось чистых программистов", - считает Зизин. Обычно программист является ещё и расчётчиком. Но не каждый расчётчик - программист.

Труд расчётчиков часто недооценивается. Классные расчётчики - достояние коллектива и, может быть, страны. А квалифицированный программист и опытный расчётчик в одном лице - это двойная ценность. Их опыт накапливается годами и здесь очень важна преемственность. Для молодёжи наличие рядом опытных наставников в этой области особенно неоценимо.

Докладчик сделал отступление, касающееся деления научных работников на молодых и старых. С его точки зрения, оно не всегда приемлемо. На самом деле, есть плохие, средние и хорошие работники. Прежде чем выгонять старых и брать молодых, не грех обдумать предложение: "Может, старых отмоем?".

Молодые эффективные менеджеры могут с пользой использовать "отмытых" старых учёных хотя бы в роли экспертов, внимательно читающих выпускаемые отчёты, а то сейчас отчёты перед выпуском читают только для приведения в соответствие с ГОСТом.

Важная часть работы расчётчика - создание и отладка вспомогательных программ. На неё уходит существенно больше времени, чем на развитие "решалок", то есть, программ, собственно и отвечающих за процесс решения уравнения переноса.

"Раньше я был ярым сторонником писать вспомогательные программы в самом общем виде. С годами моя позиция сильно смягчилась и сейчас пишу довольно много программ для решения конкретных задач. Например, программы, моделирующие сброс или самоход стержней СУЗ для БН-1200, я писал для каждого типа стержня отдельно", - сказал Зизин.

Написание отдельных программ для похожих задач позволяет находить неточности и совершенствовать ранее написанные модули (работа по спирали). Такую свободу докладчику предоставляет работа с интеллектуальной системой ShIPR, где для каждой задачи можно собрать отдельный стандартный путь расчёта.

Интеллектуализация программ - путь, который Михаил Зизин считает для сообщества расчётчиков неизбежным. Надеяться на скорое пополнение армии расчётчиков высококвалифицированными кадрами не приходится. По этой причине, нужно добавлять "мозгов" программам.

Самый простой, но решающий большинство проблем, рецепт - вставлять проверку на полноту и приемлемость входных данных. С анализом выходных данных ситуация много сложнее.

Вопрос, вызывающий много споров - нужно ли переписывать время от времени программы? Докладчик полагает, что нужно - например, в порядке перехода на новую версию компиляторов Фортрана. Причём это касается как основных, так и вспомогательных программ.

На этом учатся молодые и поддерживают свою квалификацию опытные расчётчики. При переписывании также вылавливаются старые ошибки. Но надо понимать, что одновременно вносятся новые.

Распараллеливание расчётов с использованием OpenMP (Intel) - вещь перспективная. Но оно приводит приводит к слегка отличающимся результатам на разных компьютерах и даже при повторении расчёта на одном и том же компьютере. А в некоторых расчётах задача вылетает, хотя с другими трансляторами или без OpenMP она идёт. Поэтому для расчётов тонких эффектов (пример - расчёт доминантного отношения) эта опция малопригодна, и её приходится отключать.

К сожалению, в последние годы снизился, если не исчез совсем, интерес к оптимизационным программам. А подходы, развитые в этих исследованиях в прошлые годы, вполне могли бы быть использованы и для оптимизации выбора совокупности входных данных, влияющих на точности вычислений, с выработкой соответствующих рекомендаций расчётчикам.

Как следствие, отсутствуют серьёзные (масштабные) исследования по влиянию неопределённости в исходных данных на расчётные реакторные параметры. Более того, нередко знания о правильном выборе входных параметров сложных программ сознательно не распространяются, поскольку является охраняемым know how.

Михаил Зизин остановился и на нескольких частных моментах. Так, он обращает внимание, что при расчёте ценностей нужно внимательно анализировать число итераций, чтобы получить одинаковое с прямым расчётом значение k_эфф. Этот критерий важен для оценки, хорошо ли сошлась прямая задача. Из-за разных стратегий сходимости рекомендуется в обращении к подпрограмме расчёта ценности сделать на порядок более строгими критерии сходимости.

Зизин призвал к стандартизации границ групповых интервалов для облегчения сравнения результатов расчётов различными программами. Так, граница тепловой группы у ТВС_М (БИПР), HELIOS - 0,625 эВ, у SVL - 4 эВ, у SKETCH - 2 эВ. Необходимо соглашение, которое позволило бы расчётчикам получать результаты для некоей единой энергетической шкалы.

Вообще же тема связей между коллективами расчётчиков и кросс-верификации программ стоит остро и требует отдельного разговора.

Расчёты

В следующей части доклада Михаил Зизин остановился на насущных проблемах нейтронно-физических расчётов.

Развитие компьютеров часто уже позволяет проводить расчёты с заведомо избыточными точностями и с максимально возможным числом групп. Однако консерватизм, ноги которого растут из "тяжёлого вычислительного детства" отрасли, иногда мешает осознать новые возможности.

Во многих случаях можно отказаться от использования гексагональной геометрии и нодальных методов расчёта типа "японской" методики и перейти на расчёты в треугольной геометрии. Это же касается и использования более мелкого шага по z. Конечно, полностью выкидывать простые старые схемы рано - они ещё долго будут работать в пространственно-временных расчётах.

Есть проблемы с подготовкой констант для тепловых реакторов - разные исходные файлы с данными, методы расчёта ячеек, границы и число групп, методы параметризация констант, отсутствие оценок масштаба методических погрешностей, связанных с расчётом ячеек при подготовке реакторных констант.

Докладчик сделал упор на важность наличия в расчётной модели ВВЭР внешнего ряда отражателя, окружающего активную зону. Основные производственные расчёты до сих пор делаются с довольно произвольными граничными условиями, за счёт варьирования которых могут подгоняться результаты. В модели БИПР боковой отражатель отсутствует.

По пространственно-временным расчётам нет тестовых задач для валидации расчётов реальных реакторных компоновок ни для тепловых, ни для быстрых реакторов. Де-факто прототипом такого теста стала первая топливная загрузка третьего блока Калининской АЭС. Для быстрых реакторов такой тест можно сделать на основе модели BN600_IAEA. Но централизованная деятельность по тестам отсутствует.

При расчёте больших быстрых реакторов бывает уже недостаточно использовать для вычисления эффективности отдельных стержней СУЗ гексагональную геометрию с "японской" методикой JAP. В тестовой модели БН-1200 для одиночного стержня КС внешнего кольца ошибка достигает десяти процентов.

Пространственно-временные программы и расчёты

В программах пространственно-временного расчёта основные трудности - в окружении (цепочка вычислительных модулей), полагает докладчик. Тот вариант окружения, который он использует сам, выкристаллизовывался в течение многих лет.

Расчётчикам пространственно-временных нейтронных процессов в реакторах от программ подготовки сечений необходимы доли групп и постоянные распада запаздывающих нейтронов (ЗН) для каждой физической зоны и каждого делящегося нуклида. Нужны и макросечения деления для каждого нуклида, и средние скорости нейтронов для каждой группы. Для тепловых реакторов получение всего этого набора до сих пор является проблемой.

Есть свои тонкости с использованием эффективных долей ЗН. Так, при расчёте концентраций предшественников ЗН желательно использовать обычные, а не эффективные доли ЗН. Формальный признак отличия эффективных долей ЗН от обычных - использование ценности нейтронов при расчёте эффективных долей.

"Ценности должны рассчитываться для возмущённого состояния, и их расчёт для вычисления реактивностей настоятельно рекомендую делать в той же цепочке вычислительных модулей, что и основной расчёт. Я раньше рассчитывал их заранее и возникало много недоразумений", - сказал докладчик.

Интересен вопрос об асимптотическом поведении реактивностей в процессе пространственно-временного расчёта. "В далёкой асимптотике все дороги ведут к коммунизму, то есть, к результату, не зависящему от подставляемого в ОРУК функционала (такие теоретики, как Л.Д. Иванов, Б.Д. Абрамов и Л.К. Шишков знают это a priori, а меня убедили в этом только расчёты)", - отметил Зизин.

ОРУК - обращённое уравнение кинетики.

Однако на практике в реально достижимых в расчётах временных пределах это можно увидеть только при небольших значениях реактивности (меньших одного доллара). А для больших значений реактивности об этом свидетельствует только тенденция временной зависимости реактивности, которую можно увидеть только при больших временах.

"Одна из нерешённых и волнующих меня проблем, что не идут расчёты в точных по отношению к запаздывающим нейтронам формулировках пространственно-временного уравнения. Расчёты идут только с позонными параметрами ЗН", - сказал докладчик.

Поскольку последние дают приемлемые по сравнению с прямыми расчётами результаты по эффективности СУЗ, то особых оснований для волнения с практической точки зрения нет: "Но заноза сидит. Надежда на молодых - может, у них что-то получится".

"Один из основных вопросов, который волновал меня в последние годы - какой функционал подставлять в ОРУК... Выстраданный результат - не доверяйте без проверки реактивностям, рассчитанным по показаниям ионизационных камер или их имитаторов, особенно при больших реактивностях", - утверждает Зизин.

На расчётные результаты очень сильно влияет шаг по времени. Где критерии для его выбора? П.А.Фомиченко рекомендует как критерий достаточности изменение подставляемых в ОРУК функционалов не более 1% за один шаг. Во многих расчётах это соблюдается. Но неожиданностью стала необходимость очень маленького шага по времени при моделировании медленного "самохода" отдельных стержней РС и КС при расчётах теста БН-1200.

Из других результатов, перечисленных докладчиком, отметим факт появления небольших скачков в реактивностях по времени для расчётов БН-1200. Уменьшение шага по времени, хотя тенденция заметна - с дроблением шага скачки уменьшаются.

Последнее в этом разделе доклада, но не последнее по значению. Нужна формализация применимости точечной кинетики, поскольку у проектантов есть понятное желание жить попроще, отметил Зизин.

Основные направления усовершенствования расчётных программ

В заключительной части выступления Михаил Зизин перечислил основные, на его взгляд, направления усовершенствования расчётных программ. Они выглядят следующим образом.

1) Большая автоматизация, модуляризация программ и стандартизация интерфейсов.

2) Уменьшенная избыточность, более точные вычисления. Целенаправленный переход на 64-разрядные вычисления.

3) Повышение качества программ и документации.

4) Интеллектуализация программ, обеспечивающая устойчивость к ошибкам.

5) Решение проблем интерфейса в задачах мультифизики (связанные расчёты нейтроники, теплогидравлики, термомеханики твелов).

6) Создание системы тестов, которую можно было бы использовать при разработке следующего поколения программного обеспечения.

7) Эффективное использование компьютеров, в том числе суперкомпьютеров различной архитектуры.

8) Расчёты повышенной точности (best-estimated calculations).

9) Многомерность и увеличение числа расчётных точек.

10) Введение в одну программу нод разной формы.

11) Расчёты по подобластям с возможностью использования разных сеток в разных подобластях.

12) 3D визуализация входных и выходных данных.

13) Автоматизация построения расчётных сеток.

14) Интерполяция данных, получаемых при использовании различных расчётных сеток в теплогидравлических и нейтронных расчётах, в том числе и при использовании разных систем координат (например, XYZ и RZ).

15) Уменьшение трудоёмкости подготовки сечений для полномасштабных расчётов активной зоны.

16) Совершенствование численных методов, в том числе для разных типов многопроцессорных систем.

17) Использование стандартного математического обеспечения для решения систем уравнений.

18) Эффективные многоуровневые схемы ускорения итераций.

19) Повышение точности расчётов полей в стержнях СУЗ, на периферии активных зон и в областях с малой плотностью теплоносителя.

20) Уточнение эффектов реактивности, вызванных тепловым или радиационным смещением структур активной зоны.

21) Анализ чувствительностей и неопределённостей.

Ключевые слова: Нейтронно-физические расчёты реакторов, Курчатовский институт, Михаил Зизин

---

Другие новости:

"Росатом" проявляет интерес к словацкой энергетике - чешские СМИ

Россияне могут выкупить чешскую долю в компании, созданной для строительства новых блоков.

СПбАЭП откорректирует проекты двух АЭС

На втором блоке будет одна градирня высотой 170 метров.

АЭС "Бушер" передадут заказчику в конце марта 2013 года - НИАЭП

Состав и объём запланированных испытаний и проверок превышает типовой для АЭС с ВВЭР-1000 в РФ.

---

---

---

---

Поиск по сайту: