Мода на модели
Дата: 30/11/2015
Тема: Экспертный совет ПРоАтома


За последние два года на сайте proatom.ru неоднократно проходили дискуссии о моделировании сложных процессов в ядерно-энергетических установках. Обсуждались подходы, методы расчетов, зарубежные и отечественные программные комплексы, концепции среды моделирования, математические модели, тестирование моделей, а также квалификация специалистов. Судя по накалу страстей и обилию комментариев, тема представляет большой интерес для специалистов. О том, как развивается моделирование процессов и систем в атомной отрасли, сегодня рассказывает сотрудник ФГУП ВО «Безопасность», главный эксперт отдела экспертиз, к.т.н., Е.А.Катковский.


Моделирование сложных систем позволяет без больших затрат на эксперимент, еще до промышленной эксплуатации сделать выводы о развитии процессов, как например, делается это сегодня при изучении ядерных взрывов.

Страны с ядерными технологиями, разрабатывают свои средства и методы анализа и прогнозирования. Представители Запорожской АЭС и Westinghousе, например, подписали соглашение о тестировании на станции программного комплекса BEACON TSM для нейтронно-физических расчетов параметров активной зоны реактора, в котором эксплуатируется топливо двух производителей. Росатом также выделяет большие средства на разработку комплекса моделей и программ, позволяющих проводить анализ поведения существующих и проектируемых энергоблоков в реальном масштабе времени в нормальных и аварийных режимах для обеспечения безопасной эксплуатации.


– Евгений Александрович, в чем суть моделирования сложных процессов и так ли оно необходимо?

– Мое видение проблемы моделирования (или в зарубежной терминологии – симулирования) сложных объектов атомной отрасли (не только АЭС) состоит из нескольких аспектов. Научный аспект проблемы – это переход от моделирования частей системы, отдельных узлов и агрегатов, к созданию комплексных моделей, охватывающих совокупность всех, присущих системе физических, термодинамических, химических, механических и других свойств в реальных условиях функционирования системы. Примером попытки создания таких комплексных моделей являются программные комплексы (ПК) (коды, по западной терминологии) для исследования проблем безопасности АЭС. Развитие атомной энергетики и аварии, происходившие при этом, дали серьезный толчок как экспериментальным, так и расчетным работам по моделированию аварийных и переходных процессов с целью повысить безопасность ядерных энергетических установок. Полномасштабные эксперименты стоят очень дорого, поэтому расчетное моделирование было признано наиболее целесообразным инструментом обоснования безопасности ЯЭУ. Экспериментальные же данные стали основой для верификации численных моделей (кодов).


– Способна ли сегодняшняя вычислительная техника обеспечить необходимые скорость и точность расчетов, и как коррелируют безопасность и удешевление проекта в результате моделирования?

– Уровень лучших ПК обеспечивает, в основном, конструкторов и проектировщиков приемлемыми по коэффициентам запаса данными по безопасности проектируемых объектов. Закладывать коэффициенты запаса в конструкции и системы (прочности, надежности, стойкости и т.п.) заставляет т.н. "консервативный подход" к используемым проектантами и конструкторами расчетным данным. Естественное стремление снизить стоимость объекта проектирования приводит к конфликту с "консервативным подходом". Этот факт является движущей силой для всестороннего развития расчетных ПК. Применяемые модели описания процессов и явлений становятся всё более адекватными, но и более сложными для реализации.

На примере модели описания двухфазного нестационарного потока можно проследить, как за последние 30-40 лет модель вида EVETEP (Equal Velocity - Equal Temperature - Equal Pressure) с равновесием фаз потока, трансформировалась в сложную UVUTUP (Unequal Velocity - Unequal Uemperature - Unequal Pressure) с полностью неравновесным потоком с использованием сложных замыкающих соотношений для разных режимов течения. За этим переходом к новой модели стоит огромная научная работа по разработке и верификации модели UVUTUP.

Большая наука "пришла" в модели пространственной нейтронной кинетики реактора, модели теплового и химического взаимодействия теплоносителя и ядерного топлива, модели разрушения ядерного топлива и взаимодействия его с элементами конструкции (моделирование т.н. запроектных аварий).


– Существует много расчетных кодов. Возможно ли создание какого-то единого интернационального программного комплекса для реакторов, тем более, что для гидрогазодинамики и тепломассопереноса все они строятся на одних и тех же базовых принципах: операционных системах, уравнениях Больцман и Навье-Стокса, а также дроблении объекта исследования?

Единой расчетной модели для всех процессов пока нет. И это один из главных факторов, сдерживающий снижение влияния "консервативного подхода".

Еще одним сдерживающим фактором является существенное увеличение требований к памяти и быстродействию технических средств, на которых производится моделирование. Естественное желание повысить точность расчетов приводит к колоссальному увеличению расчетных элементов моделируемой системы. Выражаясь математическим языком, существенно увеличивается размерность систем решаемых уравнений. Можно сказать, что традиционно используемые компьютеры и даже суперкомпьютеры плохо справляются с этой математической проблемой. В последние 10-15 лет разработано несколько эффективных алгоритмов решения больших систем уравнений с разреженной матрицей коэффициентов, характерной для вышеупомянутых моделей, что дало определенный эффект, но кардинально проблему это не решило. Стоит, наверное, обратить внимание на применения аппаратной акселерации вычислений с использованием GPU в комплексе с многоядерными CPU. Однако это потребует значительной переделки программного кода для получения эффекта ускорения.


– Каковы сегодня перспективы в моделировании, и как Росатом принимает участие в этих работах?

– В последнее время появились альтернативные подходы к созданию моделей течения многофазных потоков - Lattice Boltzmann Method, LBM. На русском – метод решёточных уравнений Больцмана. Он превосходит другие известные методы (например, finite element method) в легкости распараллеливания, возможности моделирования многофазных потоков, моделировании потоков в пористых средах. Кроме того, вычислительный алгоритм содержит только простейшие арифметические операции. Метод весьма новый, первые коммерческие продукты на его основе стали появляться около 2010 года. Поскольку именно сложность моделей гидродинамики и препятствует получению быстродействующих алгоритмов, я считаю, что надо начать интенсивные работы по внедрению LBM в расчетные ПК моделирования ЯЭУ. Весьма перспективным представляется использование искусственных нейронных сетей (ИНС) как инструмента моделирования. К сожалению, в организациях Росатома мало кто понимает важность такого научного направления, не говоря уже о выделении средств на разработку новых ПК на их основе.


– Тогда, может быть, у нас сильны инициативные частные разработчики? А на каком уровне у нас пользователи-расчетчики, какими программами пользуются и на каком уровне?

– Кадровый аспект проблемы тоже не менее важен. Понимание совокупности процессов, происходящих в ЯЭУ при авариях, требует всесторонних знаний в области теплофизики, ядерной и нейтронной физики, химии, теории САУ, знания систем и компонентов блока АЭС или другого объекта ЯЭУ. Еще остались в ряде организаций Росатома старые кадры, обладающие таким комплексов знаний, на них и держится пока расчетное обоснование безопасности. Ведь таких специалистов нигде не готовят. Для становления такого специалиста в реальном НИИ-КБ требуются не только годы и годы упорного труда, но и соответственная научная среда, окружение, школа. Мы знаем разные школы в ряде отраслей, но школы безопасности ЯЭУ, такой важной для государства и общества у нас нет. Нет центров, где аккумулировались бы и изучались лучшие мировые достижения в этой области, нет курсов повышения квалификации, ничего нет в организационно-техническом плане. Да и не планируется создавать всё это. Результат плачевный – в России не создано ни одного моделирующего ПК, соответствующего уровню таких, как RELAP (США), CATHARE (Франция), ATHLET (Германия). Многие организации имеют разные варианты упомянутых ПК, но применение этих ПК требует адаптации к особенностям российских проектов (например, к шестигранной ТВС ВВЭР), что тоже является нетривиальной задачей. Кроме того, надо еще и научить грамотно пользоваться зарубежными ПК, ведь консультативной помощи от разработчиков этих ПК трудно ожидать. Ведь эти ПК гораздо сложнее самых «крутых» игр-симуляторов всяких там F-16! Всегда требуется анализ результатов моделирования на предмет физичности и, даже, здравого смысла. А то при указании на нелепость выданных результатов часто слышишь ответ: «..так программа посчитала»!

Конечно, требуется импортозамещение в такой важной для атомной энергетики области, но кто и как будет решать проблему «импортозамещения» в этой области, непонятно.

– Насколько мне известно, Росатом выделяет большие средства на создание отечественных кодов, и занимаются ими многие предприятия и организации. Может быть, пора спросить: « Где деньги, Зин?». Хотя, вопрос, конечно, риторический. И, традиционно: кто виноват и что делать?

– Виновных, при желании, найти можно. «Стрелочники» есть в любой отрасли, найдутся и в атомной! Разыскивая виновных, мы теряем драгоценное время, нужное для созидания.

Для примера приведу общую схему планирования в СССР. ГосПЛАН, как полномочный представитель государства, разрабатывал межотраслевые балансы, выдавал отраслям плановые показатели по снижению материало- энерго- и др. емкости, себестоимости, стимулируя внедрять новое. Отраслевые министерства трансформировали эти задания в форму общих заданий предприятиям и организациям по видам продукции. Отраслевые НИИ и КБ отражали эти общие задания в конкретные планы новых НИОКР, проектов и разработок. Программное обеспечение (ПО), как правило, тогда не являлось конечным продуктом, но все понимали необходимость и важность ПО в процессе проектно-конструкторских работ и ПО стало важным компонентом в этом процессе. Начиная с 70-х годов прошлого века, с появлением новых отечественных ЭВМ с передовым на то время общесистемным ПО (напр. БЭСМ-6) в атомной отрасли пошел бурный процесс создания нового прикладного ПО, которое и являлось ответом на запрос от разработчиков нового оборудования и систем. Многое из того ПО в модернизированном виде используется до сих пор.

Сегодня нет ГосПЛАНа, нет тех советских министерств, некому выдавать задания сверху вниз. Однако есть новый, конкретный собственник – либо госкорпорация, либо частник. Нужен новый механизм взаимодействия этого собственника как с государственными (более 51% доли) так и с частными сектором, где есть кадры и условия для новых НИОКР, в т.ч. и ПК. Для создания и развития отечественного «ПК-строения» нужен запрос от проектно-конструкторских организаций.

– Видимо, котлованы под атомные блоки  рыть легче, чем создавать наукоемкую продукцию. Но ведь есть же в Росатоме БУИ с ее управляющими и контролирующими функциями...

– К сожалению, ситуация явно не под контролем. Я никогда не встречал объявления о тендере (конкурсе) на разработку какого-либо ПК или даже ПО, даже в очень важных вопросах безопасности атомной энергетики. Полагаться на то, что отраслевые НИИ и КБ сами разработают, что им нужно, недальновидно. Там давно научились «правильно» управлять средствами, особенно бюджетными, предназначенными для инноваций.

Стимулировать проектно-конструкторские организации отрасли можно еще и ужесточением норм и правил проектирования, с внесением в них таких требований, которые стимулируют эти организации на разработку нового ПК и ПО.   А экспертным организациям Ростехнадзора (НТЦ ЯРБ, ВО «Безопасность») повысить уровень экспертиз проектов (ПООБ, ВАБ, ООБ, ТП), с одновременным повышением уровня компетенции. Принципиальный подход к экспертизе, исключение возможности «договориться», должно также являться стимулом для создания более совершенных, на уровне лучших мировых образцов, ПК.

Вновь напоминаю о кадровой проблеме во всем её разнообразии – обучении в ВУЗах, повышении квалификации, создания научной среды, научных школ.

Вот примерно так мне представляется ответ на Ваш вопрос. 


Вопросы задавал О.В.Двойников






Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=6400