Отчёт о НИР «Разработка интегрированных систем кодов нового поколения для разработки и обоснования безопасности ядерных реакторов, проектирования атомных электростанций, создания технологий и объектов ядерного топливного цикла. Этап 2021-2023 годов. Этап 1»

В отчете описаны следующие основные результаты, полученные на первом этапе работ по государственному контракту от 14.04.2021 № Н.4о.241.19.21.1068: - выполнена доработка интегрального кода ЕВКЛИД/V2 в части моделирования образования продуктов активации и физико-химических моделей в свинцовом теплоносителе. Работы были проведены по модулю транспорта твердофазных примесей в первом контуре РУ с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем OXID и модулю взаимодействия «расплав свинца – бетон» CORCONIT. Разработка программного модуля OXID ведется с 2016 года. На текущем этапе работы в код были включены модели следующих процессов: образования частиц оксидов при превышении критической концентрации растворенных примесей в расплаве свинца, осаждения частиц оксидов на стенки каналов, кристаллизации растворенных в теплоносителе оксидов на поверхность частиц, растворение частиц оксидов свинца при недостаточной концентрации растворенного в свинце кислорода вследствие либо повышения температуры теплоносителя либо избыточного расхода кислорода на коррозию стали и образование оксидной пленки, кристаллизации растворенных оксидов на стенках каналов контура и образования слоя шлаковых отложений. Выполненные доработки позволят моделировать в комплексе ключевые процессы, протекающие при взаимодействии свинцового теплоносителя с металлическими поверхностями в контуре охлаждения РУ, включая коррозию и образование оксидной пленки, выход продуктов коррозии, окисления и эрозии в теплоноситель, поведение растворенных примесей и частиц оксидов в теплоносителе, ввод дополнительного кислорода в теплоноситель с использованием твердофазной технологии растворения сферул оксидов свинца. Корректность программной реализации новых моделей была подтверждена на аналитических задачах по переносу и коагуляции частиц в канале, образованию в объеме свинца и переносу по контуру частиц оксидов, кристаллизации растворенных оксидов свинца на стенках неизотермического контура, кристаллизации растворенных оксидов на поверхности частиц в объеме свинца в сосуде, кристаллизации растворенных оксидов на поверхности частиц, росту и переносу частиц в неизотермическом контуре с теплоносителем. Разработка модуля CORCONIT для описания взаимодействия «расплав-бетон» ведётся по двум направлениям: «кориум-бетон» и «свинец-бетон». На предыдущем этапе основной акцент был сделан на случае «кориум-бетон» (для реакторов с натриевым теплоносителем). На текущем этапе работы были направлены на случай «свинец-бетон», где происходит прогревание бетона на большую глубину. Реализованные на данном этапе модели основаны на одномерном приближении для процесса прогрева бетона, однако, есть возможность учесть двумерные эффекты, задавая несколько граничных поверхностей с плоской или осесимметричной геометрией. Материалы стенок могут различаться. Также была добавлена модель постепенного выхода из бетона газов H2O и CO2 за счёт дегазации при нагревании, а также частичного преобразования H2O в горючий газ H2 при прохождении пузырьков газа через свинец. Кроме того, в коде ЕВКЛИД/V2 реализована возможность моделирования образования продуктов активации; - выполнена адаптация двухфазного CFD модуля для расчета процессов тепло- и гидродинамики в двухфазной среде к суперЭВМ петафлопсной производительности. При адаптации двухфазного вычислительного модуля под системы петафлопсной производительности акцент был сделан на самые распространённые на данный момент системы, основанные на использовании графических ускорителей. Для работы в параллельном режиме на большом числе процессов были реализованы обмены данными между расчетными процессами и параллельный ввод/вывод информации в процессе вычислений. Доработанная версия двухфазного модуля протестирована на трех задачах: расслоение двухфазного потока; распад разрыва в среде воздух-вода-пар; распад разрыва в додекане. Результаты расчетов подтвердили эффективность распараллеливания и масштабируемость как в случае слабой, так и в случае сильной масштабируемости. Тесты, проведенные на одном графическом ускорителе, показали, что скорость работы двухфазного модуля зависит от размеров расчетной сетки. На расчетных сетках малого размера скорость вычисления одной точки расчетной области значительно замедляется, что связанно с невозможностью эффективно загрузить все вычислительные блоки графического ускорителя. Для ускорителя AMD Instinct MI50 замедление начинает проявляться, начиная с сеток, состоящих из 100000 – 150000 точек. Учитывая, что размер сетки, помещающийся в память ускорителя AMD Instinct MI50, составляет около 3 миллионов точек, можно сказать, что код эффективно выполняется в широком диапазоне расчетных сеток (от ~200000 точек до 3 млн точек). Скорость обменов между узлами при расчетах с использованием мощных графических ускорителей становится определяющей в масштабируемости расчетных кодов. Ведь даже при сохранении скорости обменов на уровне версии для центральных процессоров (чего невозможно добиться из-за необходимости дополнительных обменов между центральным процессором и графическим ускорителем на узле), за счет многократного ускорения вычислений на одном графическом ускорителе, относительная доля обменов во времени вычислений значительно увеличивается, что негативно сказывается на масштабируемости. В результате доработки расчетного модуля удалось значительно улучшить скорость обменов между расчетными узлами, однако в трехкомпонентной версии расчетного модуля наблюдается необъяснимо долгая работа обменов на сетках небольшого размера по сравнению с двухкомпонентной версией. Данная проблема требует дальнейшего изучения. Полученные в ходе тестирования показатели сильной масштабируемости позволяют сделать вывод, что код может достаточно эффективно использоваться на от 2 до 16 графических ускорителях AMD Instinct MI50 на задачах с расчетными сетками с 1 – 2 миллионами точек. Итоговое ускорение при использовании 16 графических ускорителей составляет 8 раз по сравнению со скоростью работы на 1 ускорителе. При дальнейшем увеличении числа графических ускорителей ожидается еще более существенное уменьшение ускорения работы модуля, связанное с уменьшением размеров локальных расчетных сеток на каждом ускорителе. В ходе тестирования слабой масштабируемости показано, что время итерации расчетного модуля практически не меняется при сохранении размеров локальных расчетных областей на каждом из использованных ускорителей. Если брать за точку отсчета время итерации на 2 графических ускорителях, то их последующее увеличение не оказывает заметного влияния на скорость выполнения 1 итерации расчетного модуля вплоть до использования 16 процессов. Улучшение задания размера расчетной группы на графическом ускорителе позволяет проводить расчеты на сетках различного размера с наибольшей эффективностью. Результаты тестирования программы позволили прогнозировать хорошую эффективность ее работы на гипотетической петафлопсной системе, состоящей из 150 – 200 расчетных узлов с установленными на них графическими картами AMD Radeon Instinct MI50. Скорость работы программы при использовании графических ускорителей на такой системе будет приблизительно в 10 раз выше, чем при расчетах с использованием современных центральных процессоров Intel; - в АО «ВНИИНМ» проведено тестирование кода ВИЗАРТ, сформулированы рекомендации по усовершенствованию расчетного кода. Выполнена проверка документации к коду ВИЗАРТ (руководства пользователя и пояснительной записки). Установлено, что информации достаточно для запуска и работы с кодом ВИЗАРТ, проведения балансовых расчетов в стационарном и динамическом режимах, проведения расчетов по автономным моделям отдельных процессов. Предложено дополнить пояснительные записки к автономным моделям процессов диапазонами допустимых значений параметров, унифицировать разделитель целой/дробной части и значимое количество цифр после запятой во всех автономных модулях. По коду ВИЗАРТ проведен расчет задач, возникающих при обосновании реализуемости технологических решений проектов внереакторной части замкнутого ядерного цикла, подготовке исходных данных для разработки проектной и конструкторской документации, оценке и оптимизации решений по компоновке технологических линий производств, оценке объемов и типов образующихся в технологиях радиоактивных отходов, включая тестирование систем пре- и постпроцессинга. Показано, что, в целом, код ВИЗАРТ работает стабильно, получаемые с помощью функциональных модулей результаты адекватны. Отдельные незначительные недостатки касаются сложности восприятия или дальнейшего использования получаемых результатов, в основном, необходимости унификации форматов при выводе результатов расчетов, отсутствия в препроцессоре и постпроцессоре для многих величин единиц измерения, несоответствия цветов на графике цветам, представленным в легенде, и т.п. Результаты тестирования позволили сделать вывод о том, что код ВИЗАРТ может использоваться для расчетного сопровождения широкого круга технологических задач: для сравнительного анализа различных вариантов схемных решений; для оценки реализуемости и целесообразности предлагаемых технологических решений с позиций объемов (или масс), активностей и тепловыделения технологических сред, получаемых конечных продуктов и образующихся отходов. Доработка кода по сформулированным замечаниям и предложениям позволит повысить эффективность (сократить время обработки результатов расчетов, время задания исходных данных, время, требуемое на обучение новых пользователей) использования кода для решения прикладных задач.