Тихомиров Георгий Валентинович. Комплексное математическое моделирование нейтронно-физических процессов на основе системного подхода

Короткий опис

Тихомиров Георгий Валентинович. Комплексное математическое моделирование нейтронно-физических процессов на основе системного подхода: диссертация ... доктора физико-математических наук: 05.13.18 / Тихомиров Георгий Валентинович;[Место защиты: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"].- Москва, 2014.- 335 с.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
На правах рукописи
ТИХОМИРОВ Георгий Валентинович
КОМПЛЕКСНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ
СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
Специальность 05.13.18
«Математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ»
Диссертация на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук
Научный консультант: Зав.кафедрой Прикладной математики №31, д.ф.-м.н., профессор, НИЯУ МИФИ Кудряшов Николай Алексеевич
Москва - 2013
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Нейтронно-физические расчеты с позиции системного подхода 17
1.1. От общей теории систем к целостному методу 17
1.2. Проблема сохранения ядерных знаний 22
1.3. Т енденции в области НФР 29
1.3.1. Термины и определения 29
1.3.2. Подходы к моделированию нейтронно-физических 30 процессов
1.3.3. Этапы развития нейтронно-физических расчетов 55
1.3.4. Виды деятельности в области НФР 74
1.4. Задачи нейтронно-физического расчета 86
1.4.1. Система объекта с нейтронным источником 86
1.4.2. Классификация задач НФР 86
1.4.3. Тестовые задачи НФР 88
1.4.4. Особенности комплексных задач НФР 96
Глава 2. Вероятностный метод дискретных ординат и его программная 101 реализация
2.1. Вероятностный метод дискретных ординат (ВМДО) 103
2.2. ВМДО для задач с локализованными источниками нейтронов 108
2.2.1. Особенности задач с локализованными источниками 108 нейтронов
2.2.2. Источник первых столкновений 109
2.2.3. Алгоритм учета анизотропии рассеяния 112
2.2.4. Алгоритм анализа влияния области системы на 117 формирование нейтронного поля в ней
2.3. Комплекс программ GERA 119
2.3.1. Описание комплекса программ GERA 119
2.3.2. Результаты верификации и использования комплекса 122 программ GERA
Глава 3. Комплексы программ НФР 149
3.1. Примеры комплексных задач моделирования нейтронно- 149 физических процессов
3.2. Общие подходы к проектированию комплексов программ 153
3.3. Комплекс программ MCCOOR 156
3.3.1. Общая схема комплекса программ MCCOOR 160
3.3.2. Алгоритм выбора областей выгорания в комбинированной 169
ТВС
3.3.3. Результаты верификации комплекса программ MCCOOR 172
3.4. Комплекс программ SC-MC 180
3.4.1. Общая схема комплекса программ SC-MC 180
3.4.2. Результаты верификации комплекса программ SC-MC 184
Глава 4. Результаты моделирования систем с нейтронными 191 источниками
4.1. Экспериментальные установки НИЯУ МИФИ 194
4.1.1. Подкритические стенды кафедры «Теоретической и 196 экспериментальной физики ядерных реакторов» НИЯУ МИФИ
4.1.2. Колодезный счетчик нейтронных совпадений 203
4.1.3 Нейтронные фильтры в ГЭК-10 ИРТ МИФИ для 209
коллаборации РЭД
4.1.4. Счетчик нейтронов в детекторе ПАМЕЛА 214
4.2. Датчик прямой зарядки в ВВЭР 218
4.3 Результаты анализа различных топливных циклов 239
4.3.1. Примеры топливных циклов с глубоким выгоранием 242
4.3.2. Методика сравнительного анализа топливных циклов с 245 точки зрения возможности топливного цикла с самовоспроизводством делящихся ядер
4.3.3. Обоснование возможности осуществления ториевого 248
топливного цикла с самовоспроизводством делящихся ядер в тяжеловодном реакторе
4.4. Анализ условий трансмутации минорных актиноидов 254
4.5. Радиальное распределение выгорания в топливной таблетке 264
Глава 5. Нейтронно-физические расчеты и учебный процесс 273
5.1. Информационно-справочная система «Онтологии НФР» 274
5.2. Система поддержки лабораторных работ на уникальном 280 экспериментальном оборудовании в области ЯЭУ
5.3. Магистерская программа «Математическое моделирование 300 нейтронно-физических процессов»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 305
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 310
ПРИЛОЖЕНИЕ 331

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, которые заключаются в том, что автором предложены, реализованы и внедрены для практического использования методы, методики, алгоритмы и программные комплексы:
1. Вероятностный метод дискретных ординат (метод объемных и поверхностных балансов) метод решения уравнения переноса нейтронов с учетом анизотропии рассеяния и возможности расчета потоков нейтронов в пустых областях. В рамках этого метода были разработаны и реализованы алгоритмы, которые могут использоваться в других детерминистических методах:
алгоритм расчета групповых дважды-дифференциальных сечений анизотропного рассеяния на основе моментов сечений межгрупповых переводов;
алгоритм анализа влияния различных областей системы на формирования распределений нейтронов в задачах с локализованными источниками;
алгоритмы для прецизионного расчета источника первых столкновений, согласованные с алгоритмами ВМДО.
Предложены различные численные схемы ВМДО, которые изучены на тестовых задачах в одномерной плоскопараллельной геометрии. Проведена оценка порядков пространственной аппроксимации численных схем.
2. Разработана на основе алгоритмов ВМДО и верифицирована программа GERA, предназначенная для поддержки экспериментов на моделях защиты и бланкетов ТЯР, облучаемых локализованным источником «термоядерных» нейтронов.
Следует отметить, что в процессе разработки программы GERA было проведено тестирование алгоритмов ВМДО и обоснована возможность их использования для решения задач глубокого проникновения излучения с учетом анизотропии рассеяния нейтронов. В процессе решения тестовой задачи на определение асимптотического параметра в однородном параллелепипеде были оценены методическая погрешность результатов расчетов при использовании различных параметров численных схем ВМДО в трехмерной геометрии и методическая погрешность, связанная с алгоритмами описания индикатрисы рассеяния. Показано, что в задачах глубокого проникновения излучения особое внимание необходимо уделять корректному описанию индикатрисы рассеяния.
Также в диссертации приведены результаты валидации программы GERA на основе ее использования при поддержке экспериментов на моделях бланкетов ТЯР, которые проводились на кафедре «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов», и результаты использования программы GERA при анализе переноса излучения через системы с щелями. На данном этапе использовался разработанный алгоритм анализа влияния различных областей системы на формирования распределений нейтронов в задачах с локализованными источниками.
3. Разработан комплекс программ MOCOOR для моделирования изменения изотопного состава в ТВС ядерных реакторов. В рамках разработки был предложен и реализован алгоритм выбора областей выгорания в комбинированной ТВС реактора.
4. На основе результатов нейтронно-физических расчетов характеристик инновационных топливных циклов с глубоким выгоранием топлива, которые проводились с помощью комплекса MOCOOR, предложена методика анализа потенциала ядерных реакторов с точки зрения реализации топливных циклов с воспроизводством делящихся ядер.
5. Разработан комплекс программ SC-MC для моделирования радиационной обстановки вокруг контейнера с отработавшими ТВС. На основе анализа результатов расчетов различных моделей транспортных упаковочных комплектов с отработавшими ТВС проведены оценки вклада различных источников в формирование радиационной обстановки.
6. На основе системного подхода предложена классификация задач нейтронно-физического расчета, в рамках которой различные «базовые» задачи можно объединять в комплексные задачи нейтронно-физического расчета. В зависимости от исходной информации о рассматриваемой системе задачи НФР могут быть отнесены либо к классу хорошо структурированных проблем, либо к классу слабо структурированных проблем. Предложены общие подходы к трансформации конкретных слабо структурированных проблем в структурированные проблемы для разработки тестовых задач для верификации методов, алгоритмов и программ НФР.
7. Приведены результаты решения различных задач нейтронно - физического расчета с использованием различных программ и программных комплексов. Для каждой расчетной системы, рассмотренной в диссертации, схематично представлены: тип задачи НФР; используемые ПС; алгоритмы и методики, используемые при анализе результатов; основные результаты. Рассмотренные системы можно объединить в несколько блоков (разделов), каждый из которых имеет общую специфику в постановках задач: модели экспериментальных установок НИЯУ МИФИ; модель датчик прямой зарядки ВВЭР; модели элементов активных зон ядерных реакторов с различными топливными циклами; модели установок для трансмутации минорных актиноидов; модель топливного сердечника ВВЭР. Все результаты расчетов представленные в диссертации иллюстрируют эффективность использования единой методики использования программ и программных комплексов НФР:
• Анализ объекта с нейтронным источником, формулировка системы объекта и постановка задачи на НФР (определение типа задачи);
• Выбор программы или программного комплекса для решения поставленной задачи (возможна постановка задачи на разработку программных средств);
• Верификация программы и выбор параметров расчетной модели на тестовых задачах данного типа;
• Использование программы для решения задачи, поставленной на втором этапе. В процессе решения задачи возможно использование ряда специализированных алгоритмов, которые могут повысить эффективность использования программ.
• Анализ результатов расчетов, включая оценку диапазона неопределенности полученных результатов и анализа вклада различных составляющих (методической, алгоритмической, константной,
комплексной и др.) в общую неопределенность.
8. Разработана и внедрена в учебный процесс Национального исследовательского ядерного университета (МИФИ) информационно¬справочная система «Онтология НФР», в которой реализованы механизмы систематизации и сохранения знаний по вопросам нейтронно-физического расчета.
9. Предложена концепция разработки виртуальных лабораторных работ
(ВЛР) на уникальном экспериментальном оборудовании с нейтронными источниками, на основе которой разработан комплекс ВЛР,
иллюстрирующих физические процессы в экспериментальных установках кафедры «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов» НИЯУ МИФИ.
Таким образом, в диссертационной работе на основании выполненных автором расчетно-теоретических исследований в области математического моделирования нейтронно-физических процессов в различных системах разработаны эффективные алгоритмы Вероятностного Метода Дискретных Ординат для решения уравнения переноса нейтронов и гамма-квантов, проведена их программная реализация, верификация и применение для решения нейтронно-физических задач в области расчетной поддержки экспериментов с использованием локализованных источников нейтронов. Разработана методология эффективного использования программ нейтронно¬физического расчета для решения комплексных задач. Совокупность выполненных работ представляет собой решение крупной научной проблемы по повышению точности, надежности и оперативности предсказания нейтронно-физических характеристик экспериментальных установок с внешними источниками нейтронов. Разработанные методики и программные средства повышают эффективность расчетного сопровождения ядерных технологий России и способствуют росту ее экспортного потенциала.