Ученые МИФИ создали код для анализа безопасности реакторов нового поколения
Ученые МИФИ создали программу SAUNA для анализа чувствительности и неопределенности в расчетах атомных реакторов. Инструмент помогает понять, какие ядерные данные сильнее всего влияют на безопасность будущих установок.
МОСКВА, 16 мая. /Новости науки/. Ученые НИЯУ МИФИ разработали открытый программный пакет SAUNA для анализа данных в атомной отрасли. Он позволяет оценивать, как ошибки в исходных ядерных данных влияют на расчеты реакторов, в том числе установок четвертого поколения, сообщает пресс-служба университета.
SAUNA расшифровывается как Sensitivity And UNcertainty Analysis — анализ чувствительности и неопределенности.
Такие инструменты нужны потому, что расчет реактора зависит от большого числа ядерных констант. Они описывают, как часто нейтроны вызывают деление ядер, рассеиваются или захватываются веществом. Современные компьютеры уже позволяют считать реакторные процессы с высокой точностью. Но сами свойства многих ядерных материалов все еще известны не идеально.
Особенно остро эта проблема стоит для реакторов четвертого поколения. Речь идет, например, о быстрых реакторах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем и о жидкосолевых реакторах. Большого опыта эксплуатации таких установок пока нет, поэтому их поведение во многом предсказывают расчетами.
Погрешности в исходных данных могут заметно менять итоговую оценку безопасности. Например, для жидкосолевых реакторов ошибка в расчете эффективного коэффициента размножения нейтронов может достигать нескольких процентов. Этот параметр показывает, как развивается цепная реакция в активной зоне. Для атомной энергетики такая погрешность считается очень большой.
До сих пор подобный анализ обычно выполняли закрытые или лицензионные программы. Среди них SCALE, SUMMON, ИНДЭКС и другие коды. Многие из них принадлежат национальным лабораториям или распространяются только по специальным лицензиям. Это ограничивало доступ к расчетам для университетов, студентов и небольших инженерных групп.
Пакет SAUNA написан на языке Python и выложен в открытый доступ на GitHub. Это значит, что исследователи могут не только использовать программу, но и проверять ее работу, менять код и добавлять новые функции.
Программа умеет читать данные из распространенных расчетных кодов SCALE, MCNP и Serpent. Также она работает с ковариационными матрицами из форматов ENDF, ABBN и COMMARA. Ковариационные матрицы показывают, насколько точны исходные ядерные данные и как ошибки связаны между собой.
SAUNA позволяет рассчитать, как неопределенность в конкретном ядерном параметре превращается в погрешность важных характеристик реактора. Например, программа может показать, насколько ошибка в сечении захвата нейтронов ураном-238 влияет на итоговую оценку работы установки.
Еще одна функция пакета — оценка подобия между экспериментальным стендом и проектируемым реактором. Если стенд достаточно похож на будущую установку, его данные можно использовать для проверки расчетной модели. SAUNA дает такую оценку в численном виде.
Инструмент также помогает искать слабые места в данных. Он может указать, какие параметры нужно уточнить в первую очередь, чтобы снизить общую неопределенность расчета. Такой подход позволяет планировать ядерные эксперименты точнее, а не проверять все данные подряд.
Авторы проверили SAUNA на международной тестовой задаче MET1000, которая описывает быстрый натриевый реактор. Результаты сравнили с расчетами американского кода SCALE. Расхождение составило доли процента во всех вариантах.
При этом открытая архитектура SAUNA помогла увидеть отличие, скрытое в закрытых программах. При сравнении MET1000 с классическим экспериментом Jezebel, или «Иезавель», пакет МИФИ выявил, что другой код не учитывал вклад рассеяния нейтронов при оценке подобия.
В дальнейшем разработчики планируют улучшить интерфейс, добавить поддержку новых форматов данных, включая HDF5, и внедрить функции для более активного использования экспериментальных результатов.
«Наша цель — убрать границу между данными и их пользователями. Ядерная энергетика должна быть безопасной и прозрачной. И инструменты для ее анализа тоже должны быть прозрачными», — приводятся в сообщении слова разработчиков.
Разработка SAUNA важна не только для расчетов реакторов нового поколения. Она также снижает зависимость исследователей от закрытых зарубежных и ведомственных программ и может стать основой для международного сообщества вокруг открытых инструментов ядерного анализа.
Исследование выполнено учеными кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов НИЯУ МИФИ. Статья о разработке опубликована в журнале Annals of Nuclear Energy.
SAUNA расшифровывается как Sensitivity And UNcertainty Analysis — анализ чувствительности и неопределенности.
Такие инструменты нужны потому, что расчет реактора зависит от большого числа ядерных констант. Они описывают, как часто нейтроны вызывают деление ядер, рассеиваются или захватываются веществом. Современные компьютеры уже позволяют считать реакторные процессы с высокой точностью. Но сами свойства многих ядерных материалов все еще известны не идеально.
Особенно остро эта проблема стоит для реакторов четвертого поколения. Речь идет, например, о быстрых реакторах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем и о жидкосолевых реакторах. Большого опыта эксплуатации таких установок пока нет, поэтому их поведение во многом предсказывают расчетами.
Погрешности в исходных данных могут заметно менять итоговую оценку безопасности. Например, для жидкосолевых реакторов ошибка в расчете эффективного коэффициента размножения нейтронов может достигать нескольких процентов. Этот параметр показывает, как развивается цепная реакция в активной зоне. Для атомной энергетики такая погрешность считается очень большой.
До сих пор подобный анализ обычно выполняли закрытые или лицензионные программы. Среди них SCALE, SUMMON, ИНДЭКС и другие коды. Многие из них принадлежат национальным лабораториям или распространяются только по специальным лицензиям. Это ограничивало доступ к расчетам для университетов, студентов и небольших инженерных групп.
Пакет SAUNA написан на языке Python и выложен в открытый доступ на GitHub. Это значит, что исследователи могут не только использовать программу, но и проверять ее работу, менять код и добавлять новые функции.
Программа умеет читать данные из распространенных расчетных кодов SCALE, MCNP и Serpent. Также она работает с ковариационными матрицами из форматов ENDF, ABBN и COMMARA. Ковариационные матрицы показывают, насколько точны исходные ядерные данные и как ошибки связаны между собой.
SAUNA позволяет рассчитать, как неопределенность в конкретном ядерном параметре превращается в погрешность важных характеристик реактора. Например, программа может показать, насколько ошибка в сечении захвата нейтронов ураном-238 влияет на итоговую оценку работы установки.
Еще одна функция пакета — оценка подобия между экспериментальным стендом и проектируемым реактором. Если стенд достаточно похож на будущую установку, его данные можно использовать для проверки расчетной модели. SAUNA дает такую оценку в численном виде.
Инструмент также помогает искать слабые места в данных. Он может указать, какие параметры нужно уточнить в первую очередь, чтобы снизить общую неопределенность расчета. Такой подход позволяет планировать ядерные эксперименты точнее, а не проверять все данные подряд.
Авторы проверили SAUNA на международной тестовой задаче MET1000, которая описывает быстрый натриевый реактор. Результаты сравнили с расчетами американского кода SCALE. Расхождение составило доли процента во всех вариантах.
При этом открытая архитектура SAUNA помогла увидеть отличие, скрытое в закрытых программах. При сравнении MET1000 с классическим экспериментом Jezebel, или «Иезавель», пакет МИФИ выявил, что другой код не учитывал вклад рассеяния нейтронов при оценке подобия.
В дальнейшем разработчики планируют улучшить интерфейс, добавить поддержку новых форматов данных, включая HDF5, и внедрить функции для более активного использования экспериментальных результатов.
«Наша цель — убрать границу между данными и их пользователями. Ядерная энергетика должна быть безопасной и прозрачной. И инструменты для ее анализа тоже должны быть прозрачными», — приводятся в сообщении слова разработчиков.
Разработка SAUNA важна не только для расчетов реакторов нового поколения. Она также снижает зависимость исследователей от закрытых зарубежных и ведомственных программ и может стать основой для международного сообщества вокруг открытых инструментов ядерного анализа.
Исследование выполнено учеными кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов НИЯУ МИФИ. Статья о разработке опубликована в журнале Annals of Nuclear Energy.
