Суперкомпьютерные технологии – важнейшее инновационное направление развития атомной отрасли

Суперкомпьютерные технологии сегодня отнесены к числу важнейших направлений развития Российской Федерации. Потенциал суперкомпьютерной отрасли позволяет решить многие фундаментальные и прикладные проблемы, моделирование и анализ которых требуют проведения масштабных вычислений. Активное и эффективное применение суперкомпьютерных технологий служит локомотивом инновационного развития страны, способствуя не только глубокой модернизации промышленности, ликвидации технологического отставания России, но и обеспечению лидерства в глобальной экономической конкуренции.

Процесс создания реакторных и ядерных энергетических установок является чрезвычайно длительным и наукоемким. При этом важным фактором является необходимость их соответствия высоким международным требованиям по безопасности. Эволюционный подход, основанный на постепенном совершенствовании создаваемых установок, с опорой на опыт эксплуатации действующих и тщательную экспериментальную отработку новых решений, имеет большие ограничения вследствие значительной продолжительности и высокой стоимости процесса проектирования.

Существенное сокращение сроков проектирования при одновременном снижении стоимости и повышении качества проектов возможно за счет внедрения в процесс разработки реакторных установок технологий компьютерного моделирования с использованием суперЭВМ, позволяющих практически полностью отказаться от сложных и дорогостоящих натурных экспериментов.

Применение суперкомпьютерных технологий в атомной отрасли позволит достичь более высокого уровня технических характеристик и безопасности проектируемых объектов, сократить сроки разработки и снизить затраты на создание новых конкурентных образцов оборудования за счет оптимизации отдельных элементов конструкций и обоснования различных режимов работы, основанных на детальном анализе протекающих в них физических процессов. Таким образом, внедрение суперкомпьютерных технологий в работу предприятий атомной отрасли, направленное на достижение нового качества и конкурентоспособности продукции при снижении сроков и стоимости ее создания, сегодня является важнейшей и неотложной задачей.

Учитывая многообразие и сложность физических процессов, которые необходимо моделировать при полномасштабном описании работы реакторных установок, необходимо применение специализированных пакетов программ, описывающих эти процессы. Кроме того, проведение подобного моделирования с необходимой степенью детализации объектов в приемлемые сроки возможно лишь на суперЭВМ и с использованием программных пакетов, предназначенных для эффективного решения таких задач на тысячах и десятках тысяч процессоров.

Применение суперкомпьютерных технологий позволит решить многие сложные задачи в интересах атомной энергетики. В их числе:

• оптимизация элементов конструкций реакторных установок (РУ);
• обоснование ресурсных и иных характеристик оборудования РУ;
• обоснование режимов эксплуатации;
• выбор оптимальных режимов работы РУ.

Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий

В 2009 году ГК «Росатом» выступила с рядом инициатив, направленных на развитие отечественных суперкомпьютерных технологий и внедрение отечественного программного обеспечения для суперЭВМ на предприятиях высокотехнологичных отраслей промышленности. Они обсуждались на выездном заседании Комиссии при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России, проходившем в Сарове 22 июля 2009 года. В результате определены стратегические цели и направления развития суперкомпьютерных технологий в России, в том числе одобрен проект «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий».

Основной целью проекта является разработка программного обеспечения для комплексного имитационного 3D-моделирования сложных технических систем на суперЭВМ с массовым параллелизмом и внедрение суперкомпьютерных технологий проектирования и отработки перспективных изделий для технологического перевооружения базовых отраслей промышленности – атомной энергетики, авиастроения, автомобилестроения, ракетно-космической отрасли. Его участниками выступают крупнейшие предприятия ГК «Росатом»: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ОАО «ОКБМ Африкантов», ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО «СПбАЭП» и другие, а также крупнейшие предприятия промышленного комплекса и ведущие российские научно-исследовательские и академические институты, такие как ОАО «Компания «Сухой», ОАО «КАМАЗ», организации Роскосмоса, Курчатовский институт, институты Российской академии наук.

В качестве головной организации от ГК «Росатом» привлечен ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». К настоящему моменту здесь создана обширная научно-техническая база для проектирования и разработки высокопроизводительных вычислительных систем, накоплен большой опыт в разработке системного программного обеспечения для суперЭВМ. За последние несколько лет во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» введены в эксплуатацию несколько суперЭВМ, являющиеся одними из самых мощных в РФ. В институте крупнейший в России коллектив высококвалифицированных специалистов в области математического моделирования, программирования и вычислительной техники – более 1000 человек. Специалистами института создан значительный задел для разработки технологий проектирования и имитационного моделирования для суперЭВМ на основе прикладного программного обеспечения.

Проект предусматривает:

• создание отечественных пакетов программ для моделирования: ЛОГОС (процессы тепломассопереноса и  аэро-, гидро-, газодинамики), ЛЭГАК-ДК (быстротекущие процессы аэро-, гидро-, газодинамики и прочности), ДАНКО+ГЕПАРД (прочность конструкций при статических и динамических термосиловых нагрузках с учетом больших пластических деформаций), НИМФА (задачи многокомпонентной многофазной фильтрации);
• создание технологий компьютерного моделирования на суперЭВМ и ввод в эксплуатацию высокопроизводительных программно-аппаратных моделирующих комплексов для проектирования, отработки, анализа и оптимизации характеристик сложных технических объектов и систем атомной энергетики («Виртуальная АЭС с ВВЭР», «Виртуальная корабельная ЯЭУ»), а также перспективных летательных аппаратов, изделий автомобильной промышленности, новых образцов ракетно-космических систем;
• разработку базового ряда суперЭВМ, в том числе компактных суперЭВМ терафлопсного класса, с поэтапным оснащением предприятий и организаций высокотехнологичных отраслей вычислительными системами для многовариантных модельных расчетов, которые позволяют находить оптимальные конструкторские и технологические решения;
• создание грид-сети для высокопроизводительных вычислений, в том числе в интересах федеральных ядерных центров.

Ключевым результатом проекта в 2012 году будет внедрение созданных суперкомпьютерных технологий на предприятиях высокотехнологичных отраслей промышленности РФ.

На сегодняшний день уже получены важные результаты. Созданы первые варианты пакетов программ для имитационного 3D-моделирования на ­суперЭВМ с массовым параллелизмом, которые обеспечивают эффективное проведение расчетов при моделировании отдельных элементов конструкций изделий. Их адаптация для решения конкретных задач для практического применения на предприятиях ведется в тесном сотрудничестве ряда ведущих отраслевых организаций, таких как ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ОАО «ОКБМ Африкантов», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО «СПбАЭП» и других.

Разработаны и запущены в серийное производство компактные суперЭВМ терафлопсного класса. Созданы технологии и каналы удаленного доступа специалистов ряда организаций-участников к высокопроизводительному вычислительному комплексу ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ».

Примеры численного моделирования

Широкая кооперация с ведущими предприятиями атомной энергетики позволяет уже сейчас решать некоторые сложные задачи с использованием суперкомпьютерных технологий.

С использованием пакетов программ ДАНКО, разработанных во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», сделано несколько модельных расчетов. Так, по заказу ОАО «ОКБМ Африкантов» выполнен расчет работы устройства ограничителя течи в случае гипотетической аварии при работе реакторной установки средней мощности ВБЭР-300. Рассматривалось поведение ограничительного устройства в случае гипотетической аварии, связанной с гильотинным разрывом патрубка в процессе эксплуатации реактора ВБЭР-300. Моделирование показало, что использование данного устройства не допускает критического истечения теплоносителя первого контура через образовавшийся зазор (рис. 1-2). Это позволило обосновать безопасность конструкции без натурного эксперимента, в результате срок разработки конструкции был существенно минимизирован.

Рис. 1. Реакторный блок ВБЭР-300

Рис. 2. Результаты моделирования по ВБЭР-300: конечно-элементная схема конструкции и результаты расчета на момент максимального раскрытия зазора (смещения увеличены в 50раз)

По заказу ОАО «СПбАЭП» для ЛАЭС-2 исследованы прочностные свойства устройства локализации расплава (УЛР) ВВЭР-1000 в условиях тяжелой аварии, сопровождающейся выходом расплава за пределы корпуса реактора. С помощью численного моделирования обоснована эффективность данного устройства для сохранения целостности корпуса УЛР в условиях термомеханической нагрузки в процессе захолаживания расплава с учетом гравитационного поля. Моделирование позволило существенно уменьшить число натурных экспериментов и ускорить процесс проектирования.

Геометрия конструкции

Интенсивность деформации, %

Рис. 3. Модель устройства локализации расплава

Исследовано состояние контейнмента АЭС при падении на него самолета, в результате чего обоснована достаточная прочность контейнмента для защиты станции от падения самолета с учетом взрыва топлива. Моделирование, наряду с другими факторами, позволило обосновать продление срока эксплуатации ряда станций.

Геометрия конструкции и исходные данные

Результаты расчетов (интенсивность напряжений, МПа)

Рис. 4. Расчет прочности контейнмента АЭС

ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» совместно с ОКБ «ГИДРОПРЕСС» ведет тестирование и верификацию пакета программ ЛОГОС на примере расчетов задач течения теплоносителя в элементах конструкции реакторных установок. Проведены первые расчеты по определению гидравлических характеристик ячейки твэльного пучка ТВС-1200 проекта «АЭС-2006», которая включает один твэл натурной длины с 13 дистанционирующими решетками. Полученные результаты сравнили с экспериментальными данными по коэффициентам гидравлического сопротивления твэльного пучка; результаты вычислений практически находятся в диапазоне ошибки стендового эксперимента.

Расчетная сетка содержит около 2 млн ячеек. Время расчета данной задачи с использованием 10 вычислительных ядер на суперЭВМ составляет три часа. Время расчета на ПЭВМ – один день.

Геометрия ячейки пучка и дистанционирующей решетки

Поле давления, Па

Поле скорости, м/с

Рис. 5. Определение гидравлических характеристик ячейки твэльного пучка ТВС-1200

Проводится моделирование гидродинамических процессов в реакторной установке проекта «АЭС-2006». Рассматривается полномасштабная CFD-модель тракта течения теплоносителя в корпусе реактора. Анализ сравнения расчетов и экспериментальных данных, полученных при выполнении пусконаладочных работ на действующих АЭС, показывает адекватность моделирования.

Расчетная сетка содержит около 83 млн ячеек. Время расчета данной задачи с использованием 320 вычислительных ядер на суперЭВМ составляет 20 часов, время расчета на ПЭВМ – четыре с половиной месяца.

Конструкция реактора

Поля скорости в продольных сечениях, м/с

Рис. 6. Моделирование гидродинамических процессов

Сегодня активно развивается оснащение предприятий ГК «Росатом» и других отраслей уникальными аппаратно-программными комплексами, включающими компактную суперЭВМ производительностью 1 Тфлопс и отечественное программное обеспечение имитационного 3D-моделирования.

Ожидаемыми результатами применения суперкомпьютерных технологий в атомной энергетике являются:

• минимизация дорогостоящих натурных экспериментов для подтверждения ресурсов оборудования реакторных установок, составляющих до 20% стоимости НИОКР;
• сокращение объема НИОКР в инновационных проектах на 40-50%;
• снижение сроков разработки и проектирования РУ на 20-50%.

Реализация проекта в целом позволит уже в ближайшие годы внедрить в ряд ведущих предприятий наукоемких отраслей промышленности отечественные пакеты программ имитационного моделирования на суперЭВМ и, тем самым, приступить к решению проблемы информационно-технологического перевооружения высокотехнологичных отраслей на основе суперкомпьютерных технологий.

Это будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественной высокотехнологичной продукции на внутреннем и внешних рынках. Позволит обеспечить рост поступлений в бюджет страны и решение социальных проблем, включая занятость в высокотехнологичной сфере, где к 2015 году может быть дополнительно создано около 1000 рабочих мест.

Авторы