Новый открытый программный пакет SAUNA позволяет оценивать точность проектов ядерных реакторов будущего, делая сложные расчеты доступными для всего мира.
Проектирование атомных реакторов четвертого поколения сталкивается с фундаментальной проблемой: как предсказать поведение системы в рамках ограниченности знаний о ядерных процессах? Ученые кафедры Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» представили решение. Разработанный ими открытый пакет SAUNA (Sensitivity And UNcertainty Analysis) позволяет проводить сложнейший анализ влияния исходных данных с учетом таких аспектов, как чувствительность и неопределенность; подобных инструментов до сих пор не было в открытом доступе.
Почему неопределенность – это опасно?
Любой расчет ядерного реактора – это цепочка математических моделей, основанных на константах, определяющих как часто нейтроны вызывают деление, рассеиваются, захватываются и т.д. До 2000-х годов одной из главных проблем была ограниченность мощности компьютеров, что вело к использованию различных приближений. Сегодня мощность вычислительных устройств позволяет считать с огромной точностью за приемлемое время, но мы еще недостаточно точно знаем сами свойства ядерных материалов.
«Эта проблема особенно остра для реакторов IV поколения, – поясняют авторы разработки. – У нас и в мире нет большого опыта эксплуатации таких установок, как реакторы на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем или с расплавленными солями. Их поведение мы предсказываем в основном теоретически, а погрешности в исходных ядерных данных могут достигать драматических величин».
Например, погрешность расчета ключевого параметра – эффективного коэффициента размножения нейтронов – может достигать нескольких процентов при рассмотрении жидкосолевых реакторов. Для атомной энергетики это огромная величина, ставящая под вопрос безопасность работы установки.
Проблема доступа: секретные коды
До недавнего времени анализом того, как именно та или иная неопределенность влияет на работу реактора, занимались специализированные коды. Но почти все они (SCALE, SUMMON, ИНДЭКС и др.) либо являются коммерческими, либо принадлежат национальным лабораториям США и России и требуют специальной лицензии, а часто и вовсе закрыты. Единственным исключением был инструмент NDaST, который можно скачать, но он его исходный код не является открытым (open-source). Это создавало «разрыв» между данными и их приложением, ограничивая круг исследователей узкими рамками закрытых ведомственных институтов.
SAUNA, созданный в МИФИ, полностью меняет правила игры. Он написан на популярном языке Python и выложен в открытый доступ на GitHub. Это значит, что студент из любой страны или инженер небольшой компании теперь могут не только провести анализ, который раньше требовал покупки дорогого коммерческого софта, но и реализовать собственный новый функционал.
Что умеет SAUNA?
Пакет работает как конструктор. Он умеет «есть» данные из разных источников.
- Чтение «чужих» форматов: SAUNA понимает язык файлов чувствительности из популярных кодов SCALE, MCNP и Serpent, а также ковариационные матрицы (таблицы неопределенностей) из форматов ENDF (международный стандарт), российского ABBN или американского COMMARA. «Мы не изобретаем велосипед, мы строим мосты между существующими решениями», – подчеркивают разработчики.
- Расчет неопределенностей: Пакет позволяет быстро вычислить, как ошибка, например, в сечении захвата для урана-238 на конкретной энергии превратится в итоговую погрешность характеристик важных для безопасности всей станции.
- Оценка подобия: SAUNA может сравнивать, насколько экспериментальный стенд похож на проектируемый реактор. Если эксперимент по физике ядерного реактора похож на вашу установку, его данные можно использовать для валидации вашей модели. Инструмент количественно оценивает это сходство.
- Поиск «слабых мест»: Одна из ключевых функций – расчет целевых требований к точности (TAR). Программа может сказать, например: «Чтобы гарантировать безопасную работу реактора, вам нужно уточнить данные по рассеянию на кислороде в такой-то группе энергий в 2 раза. Это снизит общую неопределенность на 30%». Это позволяет планировать ядерные эксперименты по уточнению не вслепую, а адресно.
Как это работает на практике?
В научной статье, описывающей SAUNA, авторы провели тест на известной международной вычислительной тестовой задаче MET1000 (быстрый натриевый реактор) и сравнили свой расчет с американским кодом SCALE. Результат показал высокую точность: несовпадение составило доли процента во всех режимахвариантах.
Более того, SAUNA позволил увидеть то, что скрыто от глаз в «черных ящиках» коммерческих программ. Например, при проверке критериев подобия между MET1000 и классическим экспериментом Jezebel или «Иезавель» (плутониевая сфера) только SAUNA выявил, что американский конкурент не учитывает влияние рассеяния нейтронов. Недостаток был найден именно благодаря открытой архитектуре SAUNA.
Будущее без «черных ящиков»
Сейчас SAUNA – это уже полноценный инструмент. В будущем авторы планируют улучшить интерфейс, добавить поддержку новых форматов (например, HDF5) и внедрить функции по использованию экспериментальных данных (когда программа сама учится на результатах эксперимента, чтобы уточнять расчеты).
«Наша цель – убрать границу между данными и их пользователями, – резюмируют разработчики. – Ядерная энергетика должна быть безопасной и прозрачной. И инструменты для ее анализа тоже должны быть прозрачными».
В эпоху импортозамещения и технологического суверенитета появление собственного открытого инструмента для анализа данных в МИФИ это шаг не только к независимости от западных лицензионных кодов, но и к формированию международного сообщества вокруг российской научной школы.