Доповідач
Опис
У 2020 р. Франція розпочала масштабний науково-дослідний проект «Ініціатива цифрового ядерного реактора», що включає провідних гравців її атомної галузі. Одним з ключових викликів є точне відтворення конкретного енергоблоку в парку АЕС Франції: цифровий двійник дозволяє віртуально уявляти діючий реактор (у ДіР EDF − EPR (Evolutionary Power Reactor), водо-водяний ядерний реактор покоління 3+) та отримувати доступ до будь-якої інформації про поведінку йо-го компонентів, що неможливо робити в реальному світі. Відповідаючи на подібні виклики, пар-тнери проекту спираються на різноманітне імітаційне ПЗ та десятки обчислювальних кодів (створених у різний час для різних ІТ-середовищ), здатних моделювати різні явища, що відбу-ваються в реакторі.
Згадані коди моделюють усе − від нейтронних аспектів активної зони реактора до теплогідра-вліки чи хімії. Одні коди зосереджуються на конкретному компоненті та його роботі, а інші − на загальносистемних явищах. CEA (близько 10 осіб із відділів атомної енергетики та дослідниць-ких відділів) відіграє ключову роль у забезпеченні інтероперабельності всіх цих комп’ютерних кодів, які були окремо чи спільно розроблені CEA, EDF або Framatome (Franco-Américaine de Constructions Atomiques; Франко-американське атомне будівництво; заснована у 1958 р.). Крім того, CEA відповідає за створення передової мультифізичної платформи, де використовується CATHARE (Code Avancé de THermohydraulique pour les Accidents de Réacteurs à Eau) – ПЗ для двофазного теплогідравлічного моделювання в масштабі системи, яке CEA розробляє з 1979 р. CATHARE використовують EDF, Framatome, Інститут радіаційного захисту та ядерної безпеки (l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN); заснований у 2001 р.) для загального мо-делювання потоків у реакторі та його компонентах і дослідження ядерної безпеки реакторів з водою під тиском, а також для навчальних тренажерів атомного парку Франції.
У 1945 р. у Франції був заснований промисловий конгломерат Matra (Mécanique Aviation Traction), який охоплював широкий спектр галузей, зокрема аерокосмічну, оборонну, автомобі-льну, автоспорт, транспорт, телекомунікації. У 1999 р. компанія Matra Datavision вирішила опу-блікувати свою інфраструктуру CAS.CADE за моделлю з відкритим вихідним кодом за ліцензією Open CASCADE Technology Public License (Open Cascade). За ініціативою Open Cascade, у вере-сні 2000 р. розпочався проект SALOME (Simulation numérique par Architecture Logicielle en Open source et à Méthodologie d’Évolution; Чисельне моделювання за допомогою обчислювальної архі-тектури відкритим з вихідним кодом і з розвитком методології) 1 в рамках Французької націо-нальної мережі досліджень та інновацій у програмних технологіях (Réseau National en Technologies Logicielles (RNTL)), створеної наприкінці 1999 р. Міністерством досліджень і Міні-стерством промисловості Франції (з 2005 р. – Національне агентство досліджень Франції (l’Agence Nationale de la Recherche (ANR)).
Робочий стенд (workbench), оснований на складових SALOME, надає доступ до мультифізич-них і багатомасштабних симуляцій, спираючись на спеціалізовані поєднання (couplings) кодів, які можна застосовувати для розробки нових методів і експертизи з підтримки проектування та експлуатації реактора. Функціональні можливості сервісної платформи можна ілюструвати на деяких сценаріях, включаючи мультифізичні та багатомасштабні підходи. На основі цих сцена-ріїв стало можливим відповідати критеріям інтероперабельності та взаємозамінюваності кодів, а також їх поєднань з платформами невизначеностей (наприклад, URANIE та OpenTURNS).
URANIE – це програмний фреймворк (CEA), призначений для кількісного оцінювання неви-значеностей, аналізу чутливості, калібрування та/або генерування сурогатних моделей, оптимі-зації тощо. Написаний на C++ URANIE значною мірою базується на програмному фреймворку ROOT, що розробляється CERN з 1990-х років. Фреймворк ROOT створений для допомоги в об-робці великих обсягів даних і надання багатьох сервісів. URANIE спирається на рішення візуалі-зації, обробку даних через складні та оптимізовані дерева, компілятор C++ з виконанням коду під час його написання, автоматичну транскрипцію методу в модулі Python тощо.
OpenTURNS – це ініціатива з відкритим кодом для обробки невизначеностей, ризиків і стати-стики (Treatment of Uncertainties, Risks’N Statistics).
При цьому інтероперабельність і взаємозамінюваність кодів, досяжні за допомогою зручних для користувача підходів, а також перехід до застосувань високопродуктивних обчислень (High Performance Computing (HPC)) стають головною рушійною силою для розвитку кодів та ДіР. Од-ним з прикладів є Консорціум для передового моделювання реакторів на легкій воді (Consortium For Advanced Simulation Of Light Water Reactors (CASL)) – перший енергетичний інноваційний хаб, заснований у 2010 р. Міністерством енергетики США. CASL з’єднав фундаментальні дослі-дження і технологічний розвиток через інтегроване партнерство уряду, наукових кіл, промисло-вості, яке поширилося поміж підприємств ядерної енергетики. Інший приклад дають застосунки на основі платформи MOOSE (Multiphysics Object Oriented Simulation Environment; Мультифізи-чне об’єктно-орієнтоване середовище моделювання; створено у 2008 р.). MOOSE – об’єктно-орієнтований фреймворк скінченних елементів на C++ для розробки тісно пов’язаних мультифі-зичних розв’язувачів від Національної лабораторії Айдахо (США), який використовує пакет PETSc нелінійного розв’язувача та бібліотеку libmesh для забезпечення дискретизації методу скінченних елементів. Прикладом також є OpenFOAM (Open Field Operation And Manipulation; Операції та маніпуляції у відкритій області; створено у 2004 р. у Великобританії) − набір ін-струментів на C++ для розробки налаштованих чисельних розв’язувачів і утиліт попередньої обробки та постобробки у розв’язанні задач механіки суцільних середовищ, зокрема обчислю-вальної гідродинаміки (computational fluid dynamics (CFD)). Прикладом від Фінляндії є Serpent − багатоцільовий код моделювання тривимірного переносу частинок неперервної енергії на основі методу Монте-Карло, створений у 2004 р. Національним технічним науково-дослідним центром (Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT); заснований 16 січня 1942 р.).
Інтеграційний стенд для вивчення безпеки має ключові компоненти:
- редактор командних файлів і семантичний аналізатор EFICAS (Editeur de FIchier de Commandes et Analyseur Sémantique; розроблений EDF R&D (на 2025 р. охоплює 1800 дослідни-ків у Франції та 282 дослідники за межами Франції) в контексті платформи SALOME − розроб-ник інтерфейсу даних і модуль динамічної перевірки набору даних) як спільна модель даних для визначення значень, що використовуються в мультифізиці. EFICAS включає технологічні, моде-льні, сценарні дані;
- бібліотека C3PO (Collaborative Code Coupling PlatfOrm), призначена поєднанням кодів. C3PO включає дані основного сценарію, драйвер нейтроніки, драйвер теплогідравліки.
Потім загальні дані зберігаються у спеціальному файлі каталогу, що включає деревовидну структуру даних. Далі цей файл конвертується у формат XML (стандартний формат W3C (World Wide Web Consortium, який у 1994 р. заснував винахідник WWW Тім Бернерс-Лі у CERN)) за допомогою EFICAS та обробляється певною програмою на Python, розробленою у даному прое-кті для генерування вхідних даних кожного коду з його специфічним Python API. Потім програ-ма на Python приєднує внутрішній стан кожного коду до об’єкта PhysicsDriver для C3PO, який відповідає специфічному Python API коду з форматом ICoCo (Interface for Code Coupling) API.
Другий ключовий компонент, C3PO (Collaborative Code Coupling PlatfOrm), − це бібліотека Python, призначена для поєднання програм. Вона надає інструменти для управління виконанням програм, обміну даними, а також розширені алгоритми конвергенції та інструменти управління інтерфейсу передачі даних MPI (message passing interface). C3PO забезпечує обмін даними між програмами шляхом передачі скалярних значень і полів. Обраним форматом поля є формат MED (Modèle d’Échange des Données; модель обміну даними) платформи SALOME. Для проекту була обрана бібліотека MEDCoupling, яка використовується для обробки просторових сіток (meshes) і виконання проекцій. MEDCoupling розроблено CEA та EDF R&D для платформи SALOME. В рамках проекту «Ініціатива цифрового ядерного реактора» програми, розроблені CEA, були інтегровані на робочий стенд і успішно застосовувалися до різних сценаріїв. Серед цих програм – APOLLO3® (оновлена версія APOLLO ІІ), THEDI (THErmohydraulique DIphasique; програма розрахунків двофазних теплогідравлічних потоків), FLICA-4 (програма теплогідравлічних розрахунків для проектування та теплового аналізу безпеки активних зон ядерних реакторів), CATHARE3 (оновлена версія CATHARE).
Розвиток штучного інтелекту висуває нові вимоги до цифрових трансформацій енергетики [1], зокрема атомної енергетики, особливо у державах з високою її часткою в загальній електро-енергетиці [2].
- Електроенергетика України: стратегія ефективності. І.Р. Юхновський (гол.ред.), В.Г. Бар’яхтар, В.М. Горбачук, В.А. Копилов, М.М. Кулик, В.Т. Меркушов, Г.Г. Півняк, С.Б. Ту-луб (ред.) (Київ: Міжвідомча аналітично-консультативна рада з питань розвитку продуктив-них сил і виробничих відносин, 2001) 88 с.
- В.М. Горбачук, С.А. Беспалов, В.В. Гладковський, М.М. Пустовойт. Від електронних доку-ментів ЦЕРН до великих даних. Глушковські читання (26 жовтня 2023 р., Київ, Україна) (Ки-їв: Інститут кібернетики імені В.М.Глушкова НАН України, 2023) 27.
