Программа MCU-RFFI/A

Абагян Л.П., Алексеев Н.И., Брызгалов В.И., Веретёнов В.В., Глушков А.Е., Гомин Е.А., Гуревич М.И., Калугин М.А., Майоров Л.В., Марин С.В., Юдкевич М.С.

Свидетельство о регистрации программы N2010613419.

Аттестационный паспорт программного средства N61. В 2006 году был продлен до 17.10.2016. В 2016 году был заменен на паспорт N400 от 14.07.2016.

Программа MCU-RFFI/A предназначена для решения уравнения переноса нейтронов методом Монте-Карло на основе оцененных ядерных данных для систем с произвольной трехмерной геометрией.

Основные области применения:

  • оценка ядерной безопасности объектов ядерной энергетики;
  • верификация нейтронных констант;
  • расчет нейтронно-физических характеристик различных типов ядерных реакторов;
  • верификация инженерных программ расчета нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов.

Программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCUDAT-1.0 аттестована Госатомнадзором России (Аттестационный паспорт программного средства: программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCUDAT-1.0, регистрационный номер паспорта аттестации 61 от 17.10.1996) для расчета критичности широкого класса размножающих нейтроны систем с топливом из низко- и высокообогащенного урана, плутония, смеси урана и плутония и замедлителями: водяным, тяжеловодным, графитовым, гидридциркониевым и др.

Программа позволяет учитывать эффекты непрерывного изменения энергии при столкновениях, а также как непрерывную, так и ступенчатую зависимость сечений от энергии. Расчеты могут проводиться с использованием спектра деления мгновенных и запаздывающих нейтронов. В области неразрешенных резонансов сечения вычисляются по подгрупповым параметрам или с использованием f-факторов Бондаренко. В области разрешенных резонансов допускается как подгрупповое, так и поточечное описание сечений. Сечения наиболее важных нуклидов описываются “бесконечным” числом точек, так как при моделировании в каждой энергетической точке они вычисляются по резонансным параметрам. Такая схема позволяет проводить расчеты непосредственно с использованием данных по резонансным параметрам без предварительной подготовки таблиц сечений и оценивать температурные эффекты через аналитические зависимости сечений от температуры. Моделирование столкновений в области термализации проводится по выбору пользователя либо в многогрупповом приближении, либо по модели непрерывного изменения энергии с учетом корреляций между изменением энергии и угла при рассеянии. В обоих случаях учитываются химические связи, тепловое движение ядер и когерентные эффекты для упругого рассеяния.

Точность расчета задач на критичность методом Монте-Карло ограничена только точностью используемых библиотек ядерных данных.

Константное обеспечение программы MCU-RFFI/A составляет банк нейтронно-физических данных DLC/MCUDAT-1.0, в который входят:

  • ACE - библиотека поточечно представленных нейтронно-физических констант, получаемых при помощи программы NJOY из файлов оцененных ядерных данных;
  • БНАБ/MCU - расширенная и модифицированная версия 26-групповой системы констант БНАБ-78;
  • LIPAR - резонансные параметры в области разрешенных резонансов;
  • ТЕПКОН - многогрупповые сечения в области термализации;
  • ВЕСТА - библиотека для моделирования столкновений нейтронов с ядрами с учетом непрерывного изменения энергии нейтронов в области термализации, заданная в форме вероятностных таблиц, полученных из законов рассеяния S(a , b ).

Библиотека констант DLC/MCUDAT-1.0 содержит информацию для 131 изотопа.

Программа MCU-RFFI/A позволяет рассчитывать трехмерные системы практически любой сложности. Методом комбинаторной геометрии системы описываются как булевские комбинации набора простых тел. В распоряжении пользователя имеются 13 типов тел (цилиндры, конус, шар, параллелепипеды и т.д.). Описание геометрии и граничных условий облегчается возможностью использования симметрии системы и заданием решеток, получаемых размножением некоторых исходных элементов. В решетки могут включаться неоднородности как аппликации. Каждой геометрической зоне пользователь приписывает ряд атрибутов: номер материала, номер регистрационной зоны, номер регистрационного объекта и пр. Для решеток эти атрибуты могут генерироваться автоматически с использованием минимальной информации, задаваемой пользователем.

Возможен учет следующих граничных условий: утечка через внешнюю поверхность, белое и зеркальное отражение, трансляционная симметрия. Программа позволяет учитывать эффекты двойной гетерогенности, когда тепловыделяющие элементы состоят из десятков тысяч микротвэлов, а также решать задачу об асимптотической решетке (проблема Бенуа) и вычислять функционалы потока нейтронов для бесконечных однородных гетерогенных решеток с трансляционной симметрией с утечкой, заданной вектором баклинга.

Вычисляются различные функционалы потока, определенные как интегралы потока с заданными весовыми функциями в регистрационных зонах, регистрационных объектах и в системе в целом. Оценка функционалов возможна по длине пробега и по точкам столкновений.

Вычисляются следующие величины: коэффициент размножения нейтронов (по числу столкновений, по числу поглощений, комбинированные оценки); плотность потока нейтронов; скорости ядерных реакций для отдельных нуклидов и их смесей в заданных пространственно-энергетических интервалах; набор малогрупповых констант для регистрационных объектов, включая коэффициенты диффузии на основе различных определений; спектральные индексы; эффективную долю запаздывающих нейтронов; в некоторых случаях - токи и потоки на поверхностях ячеек.

Программа MCU-RFFI/A написана на языке Фортран-77. Относится к классу машинонезависимых. Принципиальных ограничений по объему памяти программа не имеет.

Программа MCU-RFFI/A создана в рамках работ по проекту MCU.

Проект MCU включает в себя развитие пакета прикладных программ для решения уравнения переноса методом Монте-Карло, создание и адаптацию различных библиотек констант, разработку программ для работы с ними, проведение верификации программ и констант на основе сравнения с данными экспериментов, развитие библиотеки CLAD, содержащей описания реперных экспериментов и результатов расчетов.

Пакет MCU представляет собой набор модулей, из которых компонуются специализированные программы для решения различных прикладных задач. В архитектуре пакета заложена возможность компоновки специализированных программ, подобных MCU-RFFI/A, путем использования альтернативных модулей из библиотеки пакета.

Модуль - это совокупность подпрограмм, имеющих строго определенные архитектурой пакета функциональное назначение и интерфейс. По своему назначению модули подразделяются на следующие типы: У - управляющие; Т - транспортные, Ф - физические; Г - геометрические; Р - регистрационные; И - источников, О - оборудования.

Кроме того, пакет имеет системные средства для сборки рабочих программ по названиям модулей разных типов, задаваемых при установке пакета на конкретную ЭВМ с учетом заказа пользователя.

Сборка рабочей программы (РП) осуществляется по формуле: РП=У+T+Ф+Р+Г+И+О,

где У, Т, Ф, Р, Г, И, О - названия конкретных модулей соответствующих типов.

Задание имен модулей препроцессору пакета определяет ту или иную схему решения задачи. Все модули одинакового типа в пакете взаимозаменяемы.

Для модификации библиотек констант тепловых нейтронов ТЕПКОН и ВЕСТА используются разработанные в рамках проекта MCU программы TERMAC и СТЕНЬ. Для проверки входных данных к геометрическому модулю служит программа GRAF, которая осуществляет визуализацию геометрии расчетного варианта в виде плоских сечений с последовательным изображением материальных и регистрационных зон и регистрационных объектов. Выбор сечений и типов областей устанавливаются пользователем в интерактивном режиме.

Текущая версия библиотеки CLAD содержит описание на языке задания исходных данных MCU более 400 критических сборок и международных тестов. В библиотеку включены результаты измерений на сборках и результаты соответствующих расчетов по программе MCU-RFFI/A.

Авторы программы: Абагян Л.П., Алексеев Н.И., Брызгалов В.И., Веретенов В.В., Глушков А.Е., Гомин Е.А., Гуревич М.И., Калугин М.А., Майоров Л.В., Марин С.В., Юдкевич М.С.

Описание программы MCU-RFFI/A помимо настоящего Введения (стр. introduction 1-5) составляет следующий комплект документов.

  1. Гомин Е.А., Гуревич М.И., Майоров Л.В. Описание применения и инструкция для пользователя. Страницы: user guide 1-33.
  2. Алексеев Н.И., Веретенов В.В., Гуревич М.И. Геометрический модуль SCG. Страницы: geometric module SCG 1-37.
  3. Гуревич М.И., Алексеев Н.И. Геометрический модуль NCG. Страницы: geometric module NCG 1-44.
  4. Гуревич М.И. Генерация MCU-RFFI/A на ЭВМ пользователя. Страницы: MCU generation 1-15.
  5. Абагян Л.П., Глушков А.Е., Юдкевич М.С. Библиотека ядерных данных DLC/MCUDAT-1.0. Страницы: dlc/mcudat1.0 1-20.
  6. Глушков А.Е., Гомин Е.А. Общее описание и алгоритмы составного физического модуля программы MCU-RFFI/A. Страницы: neutron physics 1-38.
  7. Гомин Е.А., Гуревич М.И., Майоров Л.В. Описание архитектуры. Страницы: architecture 1-43.
  8. Абагян Л.П., Алексеев Н.И., Брызгалов В.И. и др. Верификация и проверка качества программы MCU-RFFI/A применительно к расчетам критичности размножающих нейтроны систем. Отчет ИЯР РНЦ-КИ №36/1-133-96, Москва, 1996.

Для задания исходных данных к программе MCU-RFFI/A пользователю достаточно знакомства с документами [1-3]. В первом содержится описание используемых алгоритмов моделирования историй нейтронов и оценки функционалов нейтронного потока, дается инструкция по заданию исходных данных ко всем модулям, кроме геометрического, а также приводится инструкция по пользованию программой GRAF визуализации геометрии. Геометрические возможности программы и инструкции по заданию исходных данных к модулям SCG и NCG содержатся в документах соответственно [2] и [3].

Наличие двух геометрических модулей объясняется следующими обстоятельствами. С одной стороны модуль SCG является гораздо более надежным, т.к. он находится в промышленной эксплуатации более 10 лет и по нему просчитаны десятки тысяч вариантов (NCG в эксплуатации около 4 лет, просчитаны сотни вариантов). С другой стороны, NCG имеет существенные преимущества по сравнению с SCG в смысле простоты задания исходных данных и экономии оперативной памяти компьютера. С использованием этого модуля были созданы полномасштабные трехмерные модели с учетом всех деталей конструкций таких сложных объектов, как реакторы ВВЭР-1000, РБМК-1000 и др.

В [4] описаны правила генерации рабочих версий программы MCU-RFFI/A с учетом пожеланий пользователя и имеющихся компьютерных ресурсов, а также программа MCUREP, позволяющая осуществить эту генерацию.

Документ [5] содержит описание константного обеспечения программы - библиотеки констант DLC/MCUDAT-1.0.

Документ [6] содержит подробное описание физических моделей взаимодействия нейтронов с ядрами, реализованных в разных подмодулях составного физического модуля СОФИЗМ, включенного в программу. В него включены подмодули FARION (быстрая энергетическая область), ФИМБРОЭН (область резонансных энергий), два подмодуля для моделирования взаимодействия нейтронов с веществом в области термализации - МОФИТТГ и ФИМТОЭН и программа RAPAN расчета сечений по резонансным параметрам. Первый из термализационных подмодулей позволяет моделировать взаимодействие нейтронов с веществом в многогрупповом транспортном приближении, а второй - с учетом непрерывных зависимостей сечений от энергии, принимая во внимание корреляции между изменением энергии нейтрона и направлением его полета. Опыт расчетов показывает, что почти во всех практических приложениях точность, которую обеспечивает подмодуль МОФИТТГ, достаточна.

Так как программа предназначена для решения только однородных задач (расчеты на критичность), в нее включен простейший модуль источников SPNT, позволяющий моделировать нейтроны нулевого поколения в одной пространственной точке.

В документе [7] содержится описание архитектуры программы, предназначенное, в основном, для авторов отдельных модулей.

Документ [8] является верификационным отчетом, содержащим результаты вычислений, подтверждающих точность расчета эффективного коэффициента размножения и полей энерговыделения, объявленную в аттестационном паспорте программного средства.

Пакет программ MCU развивается в Российском научном центре “Курчатовский институт” (Москва, Россия) с 1982 г. Были созданы три его версии: MCU-1 (1985 г.), MCU-2 (1990 г.), MCU-3 (1993 г.). На основе модернизированных модулей пакета MCU-3 была создана программа MCU-RFFI (1995 г.). Все эти версии свободно распространялись и сейчас используются по многих институтах России.