18 апреля 2011

Программные комплексы для анализа воздействия ядерных аварий на окружающую среду

Atomic-Energy.ru
Рис. 1. Схемы подключения кодов к ИО

Детальное моделирование процессов в активной зоне реактора во время аварии и на последующих этапах ее развития, включая воздействие на окружающую среду, поможет в полном объеме исследовать и проанализировать опыт прошлых инцидентов и предотвратить новые.

Для того чтобы выполнить такие исследования, необходимо обладать как мощной вычислительной техникой, производительность которой должна исчисляться 500 терафлопов и выше, так и программным обеспечением, которое могло бы рассчитывать всю совокупность взаимосвязанных физико-химических, биологических и механических процессов, протекающих в процессе аварии и при ее воздействии на окружающую среду. Современный уровень развития вычислительной техники достиг этих показателей.  Быстродействие супер-ЭВМ стран Западной Европы, США и Японии значительно превзошло 500 терафлоп, производительность супер-ЭВМ России достигает этого показателя. Основной проблемой остается соответствующее программное обсечение. К настоящему времени созданы программы, которые могут с необходимой точностью рассчитывать отдельные процессы такого аварийного режима. Но они, как правило, имеют ограниченную переносимость и не ориентированы на совместное функционирование с другими  кодами, связь с которыми не была предусмотрена.  Все это вызывает большие затруднения в организации взаимоувязанных расчетов.

Для виртуального исследования тяжелых аварий на объектах ядерной энергетики с помощью современной вычислительной техники и существующего программного обеспечения необходимо разработать методы декомпозиции (разбивки) комплексной задачи на подзадачи, которые можно было бы  решать с помощью существующих программ, а также способы композиции (компоновки) комплексной задачи из подзадач, решение которых гарантирует необходимую точность расчетных исследований.

Демонстрация технологии на ВВЦ

Программные «сшивки»

Решение первой проблемы полностью определяется существующим программным обеспечением. Возможно, для конкретных процессов может понадобиться создать новые программы, либо модернизировать существующие. Решение второй проблемы сводится к разработке соответствующих математических и программных методов «сшивки» подзадач.

Математические методы «сшивки» в настоящее время хорошо изучены. Основные результаты по этому направлению были получены в 80-90 годах прошлого века. К ним относятся работы, выполненные в отделении вычислительной математики АН СССР, РНЦ «Курчатовский институт», РФЯЦ ВНИИЭФ.

Программные методы «сшивки» подзадач на супер-ЭВМ - это совершенно новое направление. Оно приобретает особую важность при адаптации существующих кодов к новой вычислительной технике на базе распределенных многопроцессорных вычислительных систем (МВС) с супер-ЭВМ. В 2007-2008 годах специалисты РФЯЦ ВНИИЭФ и РНЦ «Курчатовский институт» выполнили работы в этом направлении по контракту с Федеральным агентством по науке и инновациям № 02.514.11.4031 «Технология разработки программных комплексов, ориентированных на супер-ЭВМ, для исследований функционирования сложных технических систем на всех этапах их жизненного цикла».

Результатом этих работ стала технология, которая обеспечивает: гибкость при объединении независимых программных продуктов для проведения совместных вычислений; сохранение закрытости программ, моделей и форматов данных; минимизацию затрат разработчика на внесение  изменений в программные продукты для подключения к системе совместных расчетов; экономическую заинтересованность разработчика в участии в решении комплексных задач; расчеты в вычислительных центрах на супер-ЭВМ с удаленным динамическим контролем; динамическую самонастройку расчетной  модели на моделируемый процесс; возможность передачи данных из одной операционной среды в другую (Windows, Linux) и поддержку различных языков программирования (С, С++, Fortran, Perl и т.д.); децентрализацию системы обмена, что позволяет манипулировать большими объемами данных; отладку с помощью программного комплекса-«эмулятора» системы взаимодействия программы без участия других реальных программ, участвующих в расчете; возможность проведения связанных расчетов с использованием произвольной  группы вычислительных систем под управлением разных операционных сред.

Элементы IT-технологии

Базовым элементом технологии является вычислительный объект (ВО), состоящий из кода либо набора программ, и интеллектуальной оболочки (ИО). Такая оболочка обеспечивает обмен данными между вычислительными объектами распределенной МВС, программой и ИО, вырабатывает общие правила счета и управляет режимами функционирования программы, обеспечивает математическую «сшивку» ВО, обеспечивает подключение или отключение ВО в процессе моделирования, а также производит конвертирование данных.

Вычислительные объекты могут создаваться либо прямым подключением  программы к ИО, при котором в ее «тело» встраиваются специальные операторы, позволяющие ИО передавать данные программе и управлять режимами ее функционирования, или подключением программы к ИО через специальную программу-«обертку».

Рис. 1. Схемы подключения кодов к ИО

На рисунке 1 схематично изображены оба метода. Второй способ позволяет подключать к системе закрытые программы, о которых известны только форматы входных и выходных данных (входящих и исходящих файлов).

ВО образуют распределенную библиотеку прикладного программного обеспечения (РБППО). Разработанное специальное программное обеспечение (СПО), с помощью которого реализуются все вышеперечисленные функции, образует интеллектуальную среду РБППО (ИС РБППО). На базе ИС РБППО  могут создаваться моделирующие комплексы для проведения связанных расчетов на произвольных  удаленных вычислительных системах под управлением  различных операционных сред.  Общая схема такого моделирующего комплекса изображена на  рисунке 2.

Рис. 2. Моделирующий комплекс на МВС с различными ОС

Вычислительный комплекс расчета процессов в активной зоне реактора РБМК был продемонстрирован на II Международной выставке и конгрессе «Перспективные технологии ХХI века», проходившей на ВВЦ осенью 2008 года. Эта работа, участвовавшая в конкурсе «Перспективные технологии для реального сектора экономики», была отмечена медалью и дипломом лауреата конкурса.  На рисунке 3 проводится фрагмент выдачи на удаленный пульт пользователя (на ВВЦ) результатов расчета аварийного режима в активной зоне реактора РБМК при разрушении напорного коллектора в одной петле контура циркуляции теплоносителя.

Рис. 3. Фрагмент выдачи результатов расчета аварийного режима в активной зоне РБМК

Разработанная технология на базе существующего программного обеспечения позволяет всесторонне исследовать влияния объектов АЭ на окружающую среду. В частности, с ее помощью можно приступить к исследованиям всех без исключения этапов Чернобыльской аварии.

Авторы

В.Ф. Токаренко, к.ф.-м.н.,  А.В. Глембоцкий, А.В. Краюшкин, д.т.н. (РНЦ «Курчатовский институт»),
И.М. Беляков, к.ф.-м.н., А.М. Варгин, А.А. Деулин, В.В. Евдокимов, к.ф.-м.н., П.С. Лобанов, Т.В. Шемякина (РФЯЦ-ВНИИЭФ)
 

РНЦ «Курчатовский институт»

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, Тел.: +7 (499) 196-70-16, E-mail: tvf@dhtp.kiae.ru