Система программ расчёта параметров ядерной и радиационной безопасности внереакторного топливного цикла

Инженерные расчеты полей проникающих излучений и вычисление функционалов этих полей представляют собой сложные многоэтапные вычислительные процессы, требующие использования многих расчетных программ и баз данных, обеспечения сложных информационных интерфейсов, контроля непротиворечивости наборов исходных данных и пр. Проведение подобных сложных расчетов даже при наличии всех необходимых программ и баз данных, снабженных инструкциями для пользователей, представляет сложную задачу, поскольку число параметров управления всем вычислительным процессом измеряется многими десятками, а порой и сотняминекоторые из этих параметров могут принимать множество различных значений. Для того, чтобы подготовка исходных данных для расчета не требовала от расчетчика слишком много времени и детального знания инструкций, для решения типовых задач составляются программные комплексы, объединяющие все требуемые программы и базы данных шобеспечивающие такое взаимодействие между ними, какое требуется расчетным заданием. Приотом составляется и типовое расчетное задание, в котором пользователю обычно достаточно заменить лишь несколько физически понятных параметров (например, определяющих размеры и состав рассчитываемой размножающей системы). Дело существенно усложняется в случаях, когда пользователю требуется внести в уже созданный вычислительный комплекс то или иное принципиальное изменение — например перейти к другой системе констант, обладающей иной структурой данных и (или) алгоритмом их подготовки к расчету, или заменить программу расчета нейтронных полей, другой, требующей иного формата представления исходных данных. В каждом таком случае пользователю, не обладающему специальными программистскими навыками, приходится обращаться к специалисту.

Диссертация написана на основе многолетнего опыта работы в лаборатории, занимающейся расчетным анализом макроскопических экспериментов на реакторах, критических сборках и на защитных композициях с помощью большого набора различных программ и библиотек. Постепенно был выработан определенный подход к созданию вычислительных комплексов — такой, при котором пользователь работает с конечным продуктом как с единой программой, т. е. освобождён от необходимости понимания логики работы системы в целом, и может сосредоточиться на поставленной физической задаче. Организацию вычислений (взаимодействие модулей и библиотек данных, форматы, последовательность работы программ и т. д) берёт на себя система. Этот подход реализован в вычислительной системе, получившей название СКАЛА — Система Компьютерного Анализа для Лицензирования ядерной и радиационной безопасности на предприятиях Атомной промышленности. Разработка этой системы, организация ее программного наполнения и верификация и являются предметом настоящей диссертации. Заметим, что название системы связано с одним из первых ее назначений и, как будет ясно из дальнейшего, область ее применения не ограничена рамками задач лицензирования безопасности объектов в НТЦ ЯРБ (Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности).

Основное содержание диссертации изложено в работах [1−22].

Из сказанного выше ясно, что разработка вычислительной системы для проведения достаточно широкого круга нейтронно-физических расчетов не являлась исходной задачей, стоявшей перед соискателем. СКАЛА[13] была разработана в результате накопления опыта программного обеспечения целого ряда конкретных задач. Для решения каждой из этих задач в системе СКАЛА организована специальная последовательность выполнения включенных в систему программных модулей, обращений к библиотекам ядерных констант, к результатам промежуточных расчетов и пр. Каждая из таких последовательностей называется профилем. В диссертации описывается общая для всех профилей система константного обеспечения и два наиболее важных профиля, в разработку и верификацию которых автор внёс основной $ вклад.

Целью создания выносимых на защиту профилей CRITICALITY и DOSE-FIELDS системы СКАЛА являлось обеспечение возможности максимально надёжной оценки условий ядерной и радиационной безопасности при обращении со свежим и отработавшим ядерным топливом во внешнем топливном цикле атомной энергетики. Для достижения этой цели требовалось обеспечить:

• возможность проведения расчётов в обоснование безопасности с использованием различных высокоточных методов, реализованных в независимо разработанных программных кодах на основе единой константной базы (для выявления методических погрешностей и ошибок);

• возможностью применения различных методов учёта гетрогенных эффектов (включая метод подгрупп и детальное описание структуры нейтронных сечений);

• автоматизированную оценку погрешностей расчётного предсказания критичности за счёт неточности используемых нейтронных данных и ядерных концентраций;

• оценку радиационной безопасности с применением расширенной библиотеки распадных данных путём расчёта на её основе интенсивности проникающих излучений, испускаемых радионуклидным источником произвольного состава;

• максимально возможно более полную верификацию вычислительной системы.

Разумеется, поставленная цель могла быть достигнута только при широком использовании уже разработанных программных средств и константного обеспечения. Задача автора диссетрации заключалась в объединении этиз средств для решения поставленной задачи и во внесении в используемые элементы системы необходимых усовершенствований и дополнений.

Представляемые к защите профили системы СКАЛА константное обеспечение и каждый из описываемых в диссертации профилей созданны либо полностью либо с определяющим участием автороа. Это и специальные разделы константного обеспечения, и вычислительные программы, и программы постобработки, вычисляющие требуемые функционалы полей излучения и, разумеется, программы, обеспечивающие информационные интерфейсы и управление вычислительным процессом. В то же время ядром каждого профиля является программа, к созданию которой автор диссертации не имел отношения. В частности, это такие широко известные программы как CONSYST [30], WIMS/D4 [31], MMKKENO [32], TWODANT [33], INDECS [47] и др. Включение этих программ в тело системы СКАЛА кардинально облегчило подготовку исходных данных для их использования в расчетах (в частности, ввод в программу требующихся ядерных концентраций и некоторых массивов. формальных данных) — в системе организовано и циклическое обращение к одной и той же программе, что необходимо для решения таких задач, как расчет эволюции нуклидного состава выгорающего топлива, или определение критических параметров. Существенными можно считать созданные автором блоки константного обеспечения* которые могут быть использованы и вне системы СКАЛА и два важнейших профиля — профиль CRITICALITY для обоснования ядерной безопасности и профиль DOSE-FIELDS для обоснования радиационной безопасности на предприятиях внешенго топливного цикла.

При создании системы СКАЛА был применен целый, ряд специальных программистских приемов: организованы специальные файлы конфигурации, позволяющие управлять выполнением вычислительного процесса, организована диагностика ошибок, возникающих при выполнении расчетного задания. Для"программирования профилей автор использовал специальный язык (в частности, позволяющий организовывать циклические вычисления), унифицирован обмен информацией между модулями через специальный/обменный EXCHANGE-файл. Следует отметить, что в России и за рубежом разрабатываются системы программных комплексов такие как SHIPR [34], или технология «ИС РБППО» (разработка КИ и ВНИИЭФ) [35], или SCALE [36]. Однако, принципиальным отличием системы СКАЛА является то, что изменение и добавление модулей в этой системе, как и отладка и добавление новых возможностей, не влечёт за собой необходимость какойлибо коррекции самих включаемых модулей и как следствие отсутствие необходимой минимальной верификации вновь получаемых модулей и производится на уровне языка системы.

Само включение программ и настройка профилей требует меньших затрат времени и не требует специальных знаний програмистских усилий.

Возможности языка и управляющей программы позволяет гибко управлять вычислительным процессом, что необходимо для организации сложных с множеством вариантов вычислений, в том чисте циклических.

Полный контроль исполнения обеспечивает максимально возможную на уровне выполнения модулей и защиту от ошибок. Сама система занимается лишь управлением вычислительным процессом в целом, управлением информационными потоками и контролем данных. Это обстоятельство позволяет существенно экономить затраты времени и сил на модернизацию системы с целью расширения её возможностей. Для включения в систему новых возможностей требуется лишь знать принципы её построения и иметь опыт в решении тех задач, на которые направлено вводимое усовершенствование. Это обстоятельство представляется весьма существенным.

Вся информация, необходимая для реорганизации существующих профилей системы СКАЛА и создания новых, документирована и содержится в работе [23, 25]. Тем не менее, автор не выносит на защиту разработанные им принципы организации системы СКАЛА, поскольку эти принципы не опробованы другими программистами в достаточной мере.

Кроме настоящего введения, — диссертация содержит три главы. Первая из них содержит краткое описание системы СКАЛА и её систему константного обеспечения. Две других посвященны описанию важнейших профилей этой системы — CRITICALITY и DOSE-FIELDS. В Заключении подводятся итоги работы и формулируются положения, выносимые соискателем на защиту.

Актуальность темы

определяется потребностью обеспечить возможность проведения надёжных расчетов характеристик ядерной и радиационной безопасности с реалистичной оценкой погрешности результатов.

Оценка погрешности особо важна при расчётах критичности, так как с ней связан уровень ядерной безопасности всего ядерно-энергетического цикла.

Требования к точности при оценке радиационной безопасности гораздо ниже, однако и источников погрешностей таких расчётов намного больше. Поэтому чрезвычайно важно, чтобы расчёты источников излучений опирались на надёжную информационную базу, а при расчёте радиационных полей использовались современные высокоточные методы.

На современном этапе развития ядерной энергетики интерес к повышению надёжности расчётов, возможности оценки точности результатов ещё более увеличивается в связи с переходом на инновационный тип развития, в том числе в связи с развертыванием работ по совершенствованию ядерного топливного цикла.

Можно предположить что актуальность, выносимой на защиту работы, будет повышаться по мере развертывания работ по замыканию ядерного топливного цикла, необходимого для устойчивого и безопасного развития ядерной энергетики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствования системы константного обеспечения, выразившиеся:

• в разработке программы, которая обеспечивает возможность проведения расчетов с учетом резонансной самоэкранировки сечений в подгрупповом приближении;

• во включении в систему константного обеспечения ковариационных матриц погрешностей групповых константв существенном расширении, по сравнению с БНАБ-90, библиотеки' данных о характеристиках радиоактивных распадовв расширении' возможностей программы подготовки констант WIMS/D4 и включении усовершенствованной программы WIMS/ABBN в константное обеспечение системы СКАЛА.

2. Профиль CRITICALITY, позволяющий рассчитывать критические параметры размножающих систем с одновременной оценкой константной составляющей погрешности коэффициента размножения, благодаря включению в профиль программ расчёта чувствительностей к константам и подсоединению к библиотеке ковариационных матриц погрешностей констант, а также благодаря выполнению обширных верификационных и валидационных исследований.

3. Профиль DOSE-FIELDS, позволяющий оценивать радиационную обстановку вокруг установок химической переработки ядерного топлива, его транспортировки и пр., благодаря — использованию современной расширенной. версии библиотеки распадных данных и расчету источников нейтронов и гамма-квантов с учетом различных путей образования этих излучений, а также верификации результатов в сравнительных расчётах и валидации на доступном экспериментальном материале.

Личный вклад автора состоял в следующем:

1. Разработка и реализация вычислительной системы СКАЛА;

2. Организация библиотеки ковариационных матриц погрешностей констант и ее использование при оценке погрешностей расчетных предсказаний критичности;

3. Создание программ расчета основных функционалов нейтронных полей;

4. Разработка и отладка программы SUBGRAN-2 для проведения подгрупповых расчетов;

5. Разработка и отладка комплекса SOURCE, включая участие в создании и. верификации расширенной версии библиотеки распадных данных БНАБ-93;

6. Модернизация программы WIMS/D4, обеспечившая возможность ее применения для расчетов ячеек гетерогенных решеток с МОХ-топливом, с уран-ториевым топливом и т. п. на основе современных нейтронных констант;

7. Выполнение большого числа верификационных расчетов с использованием системы СКАЛА.

Научная новизна определяется тем, что впервые разработана система, позволяющая комплексно решать задачи ядерной и радиационной безопасности и другой вычислительной системы, столь полно решающей эти задачи, в стране не имеется. Зарубежным аналогом системы СКАЛА является система SCALE, в последних версиях которой также предусмотрена оценка константной составляющей расчета критичности с использованием рассчитанных коэффициентов чувствительности и ковариационных матриц погрешностей констант [36], однако статистического анализа расчетно-экспериментальных расхождений для набора бенчмарк-экспериментов при этом не проводится. Принципиально различаются-и методики расчета коэффициентов чувствительности.

Программа SUBGRAN-2 впервые обеспечилавозможность проведения мультигрупповых расчетов гетерогенных быстрых критсборок, в частности, критсборок БФС, с подгрупповым учетом эффекта резонансной самоэкранировки. До этого подгрупповые расчеты реализовывались в нашей стране только на уровне 26-групповых констант.

Впервые в России обеспечена возможность расчёта источников проникающих излучений на основе современной полной машинной библиотеки оцененных характеристик распада радионуклидов.

Модификация программы WIMS/D4 открыла возможность проведения инженерных проработок гетерогенных реакторов на тепловых нейтронов со смешанным уран-плутониевым топливом, с уран-ториевым топливом и др. на основе современных нейтронных данных с достаточно корректным учетом резонансных эффектов.

Практическая значимость положений, вынесенных на защиту, состоит, прежде всего, в том, что они обеспечивают возможность проведения надёжных расчетов ядерной и радиационной безопасности с реалистичной оценкой погрешности расчетных результатов.

Выполненная модернизация программы WIMS открыла возможность её использования для расчетов тепловых реакторов с МОХ-топливом, что необходимо для решения проблемы вовлечения плутония в ядерный топливный цикл.

Авторская оценка практической значимости подтверждается использованием профиля CRITICALITY в ряде лабораторий и в отраслевом отделе ядерной безопасности' ФЭИ, передачей профилей CRITICALITY и DOSE-FIELDS во ВНИИНМ (по контракту с которым и были созданы первые версии этих профилей), использованием программы WIMS/ABBN в НИИАР, НИТИ и ОКБМ, а также депонированием и сдачей системы СКАЛА на аттестацию Центр Организации Экспертиз Программ НТЦ ЯРБ.

Структура и обьём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и трёх приложений. Основной текст диссертации изложен на 173 страницах, приложения приведены, на 15 страницах. Диссертация содержит 33 рисунка, 40 таблиц и список литературы из 140 наименований.

3.7 Выводы.

Созданный профиль DOSE-FIELDS' позволяет рассчитыватьинтенсивности нейтронного и гамма-излучений, испускаемых радионуклидным источником заданного состава. При' оценке выхода нейтронов? учитывается и образование нейтронов, в (а, п)-реакциях. Профиль позволяет рассчитывать, прохождение проникающих излучений через защиты умеренной толщины и оценивать дозы на рабочих местах вокруг аппаратов химическойпереработкиоблученного топлива, аппаратов, для конверсииоружейного плутония в диоксид и пр.

Профиль DOSE-FIELDS прошел основательную верификацию путем сравнения результатов «расчета с данными, полученными по аттестованным зарубежным программам, а также валидацию путем сравнения результатов. расчета с экспериментальными данными. На-, основании проведенных исследований-в верификационном отчёте [22] сделано заключение, что погрешность результатов расчета дозовых полей с помощью профиля, DOSE-FIELDS не превышает 30%, что представляется достаточным для целей оценки* радиационной-обстановки.

Следует отметить, что указанная погрешность является, по существу, мерой лишь константно-методической погрешности расчёта, поскольку верификация проводилась на основе специальных экспериментов, выполненных в достаточно строго контролируемых условиях. Погрешности при расчёте реальных установок химической переработки ядерного топлива могут быть существенно1 выше оцененных 30% за счёт различных технологических погрешностей и неопределённостей условий эксплуатации. Дляреалистической оценки* точности предсказания МЭД в окрестности реальных технологических установок необходима дополнительная валидация* созданного программного обеспечения по результатам надёжных измерений дозовых полей в реальных условиях. Необходимо также принимать во внимание техническиме условия на эксплуатацию оборудования. Подобными данными автор, не располагает.

Профиль DOSE-FIELDS нашел практическое применение для обоснования разработанной в ФЭИ аппаратуры для неразрушающего контроля ОТВС реактора РБМК с целью независимого определения достигнутой в них глубины выгорания.

165 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

• включению в систему программы WIMS/ABBN и её усовершенствованной библиотеки вместе с программой ORIGEN, позволившему проводить расчёты изотопного состава отработанного топлива для расчёта источников радиоактивных излучений.

Разработка профилей CRITICALITY и DOSE-FIELDS потребовала внесения в константное обеспечение системы СКАЛА существенных усовершенствований, которые и были сделаны. Эти изменения описаны выше.

К настоящему времени опыт практического использования системы охватывает более тысячи критических конфигураций, имеющих различное геометрическое строение и спектры нейтронов.

В заключение автор выражает искреннюю признательность своему научному наставнику Анатолию Макаровичу Цибуле, поставившему перед автором те задачи, которые сейчас выносятся на защиту, и на протяжении многих лет помогавшему ему в их решении.

Авторглубоко1 признателен всему* коллективу лаборатории' № 103 Физико-энергетического института, в которой выполнялась работа, за творческую атмосферу, во многомспособствовавшую успешному проведению работы, и особенно Николаеву Марку Николаевичу за* внимание и консультацииоказанные автору на протяжении всего периода работы, а также: А. А. Блыскавке, Т. Н. Мантурову, В. Н. Кощееву, М. Ю. Семёнову, Ю. С. Хомякову, С. В. Забродской, К. Ф. Раскачу, Е. В. Рожихину и Ю. Е. Головко, с которыми он был особенно тесно связан по, работе.

Автор выражает признательность Г. Н. Власкину (ВНИИНМ) за передачу программы NEDIS и помощь в её освоении.

Выбор многих практических бенчмарков для верификации расчетов в обоснование ядерной безопасности был сделан сотрудниками ОЯБ ФЭИ Б. Г. Рязановым и В. И. Свиридовым, а для верификации расчетов в обоснование радиацинной безопасности во внешнем топливном цикле — сотрудниками ВНИИНМ им. Бочвара В. Ю. Рогожкиным и Г. Н. Власкиным.

Автор благодарит их за помощь и конструктивную критику.