ANALIZY BEZPIECZEŃSTWA I ZAGROŻEŃ W PROJEKCIE: CENTRUM INFORMATYCZNE ŚWIERK Mieczysław Borysiewicz, Janusz Malesa, Sławomir Potempski Narodowe Centrum Badań Jądrowych Otwock-Świerk
Cel: Projekt CIŚ: Centrum Informatyczne Świerk Przygotowanie zaplecza kompetencyjnego zdolnego do świadczenia zaawansowanych usług przetwarzania danych na potrzeby krajowej energetyki jądrowej i konwencjonalnej, symulacji procesów paliwowych, symulacji i monitorowania zagrożeń radiologicznych, oraz prowadzenie badań naukowych i rozwojowych w dziedzinach pokrewnych Kierownik projektu: Prof. Wojciech Wiślicki Zakończenie projektu: październik 2015
Skale czasowo-przestrzenne ważne dla problemów obliczeniowych instalacji jądrowych Źródło: U.S. Department of Energy, Science Based Nuclear Energy Systems Enabled by Advanced Modeling and Simulation at the Extreme Scale, 2009.
15 meters 5 mm 20 cm Reaktory jądrowe: skale przestrzenne Reaktor Przekrój poprzeczny rdzenia reaktora Kaseta paliwowa ESBWR Rdzeń reaktora 8 metrów Pręt paliwowy
Różne przekroje czynne Strumień neutronów Różne przekroje czynne Strumień neutronów Całkowity p rzekrój czynny Strumień neutronów Czynniki determinujące zakres obliczeń neutronowych rdzenia Rozdzielczość przestrzenna Odwzorowanie geometrii rdzenia reaktora 10 9-12 wielkości do wyznaczenia komórki rozmiaru mm 3 w zbiorniku rozmiaru m 3 Analizy wypalania paliwa dodatkowo zwiększają wymagania Rozdzielczość w obszarze energii Opis rezonansów 10 4-6 przedziałów energii w stosowanych modelach przestrzennych 0D, 1D Rozdzielczość kątowa Opis strumieni 10 2-4 kierunków 1.E+03 4.6E-07 1.E+01 3.4E-07 1.E-01 2.2E-07 1.E-03 1.0E-07 1000 2000 3000 4000 5000 Energia (ev) 1.E+03 6.0E-07 1.E+00 4.0E-07 1.E-03 2.0E-07 1.E-06 0.0E+00 1.E-04 1.E+00 1.E+04 1.E+08 Energia (ev) 1.E+03 4.0E-07 1.E+00 2.0E-07 1.E-03 1.E-06 0.0E+ 00 1.E-04 1.E+00 1.E+ 04 1.E+08 Energia (ev)
Pręty paliwowe Sprzężony przepływ ciepła Parowanie Pęcherzyki pary Pęcherzyki pary Sprzężony przepływ ciepła Wieloskalowość modelowania przepływów Makro-skala Mezo-skala Mikro-skala Widoczny kąt kontaktu Kontakt z parą, cieczą i ciałami stałymi Nie-odparowujący filtr absorpcyjny
Aktualne podejście do modelowania Modelowanie przepływów: Poziom 1: Poziom mikroskopowy Korelacje wrzącej wody Użycie CFD (mechanika obliczeniowa płynów) Poziom 2: Pręty paliwowe Modelowanie przepływu w kanałach Korelacje moc-przepływ i inne Poziom 3: Rdzeń reaktora Efektywne modele 1-D + modelowanie przepływu poprzecznego Kody: RELAP, CATHARE Obliczenia neutronowe Poziom 1: Pojedynczy pręt paliwowy Dokładna 1-D siatka, wysoka rozdzielczość dla energii, przybliżone warunki początkowo brzegowe Przejście do siatki grubej: dane jednolite lub efektywne Poziom 2: Pojedyncza kaseta Umiarkowanie dokładna siatka 2-D i umiarkowana rozdzielczość dla energii, przybliżone warunki brzegowe Poziom 3: Cały obszar rdzenia reaktora Niska dokładność dla całego 3-D obszaru, niska rozdzielczość w obszarze energii Prawdziwe warunki brzegowe Dodatkowe modele fizyczne Mądralin 7 2013
Przepływy i wymiana ciepła - potrzeby Metody bezpośrednich symulacji przepływów turbulentnych (DNS), podejście najbliższe wymogowi stosowania pierwszych zasad: śledzenie frontów w przepływach, modele interfejsów dyfuzyjnych, metody cząstek, techniki sieci Boltzmann a Mechanika obliczeniowa płynów (CFD) w obszarach otwartych (obliczenia szczegółowe w kanałach lub w komorach mieszania), z naciskiem symulacje w przybliżeniu dużych wirów w obszarach dużych wartości liczby Reynolds a Przepływy CFD dla mediów porowatych (dla analiz wielokanałowych) Obliczenia dla całego systemu (obliczenia dla całej instalacji) Nacisk na odpowiednie sprzężenie modeli dla różnych skal i procesów fizycznych i na problemy złożonej geometrii. Modelowanie przepływów wielofazowych i z udziałem wielu różnych czynników, transport między fazami i zmiany reżimów przepływu. Metody numeryczne: siatki niestrukturalne, adaptacyjne, zagęszczanie siatek, uwzględnienie anizotropii
Nowe wyzwania Maj 2009 r. warsztaty, sponsorowane przez DoE of Science i DoE Office of Nuclear Energy: przedstawiono szczegółowy obraz wymagań obliczeniowych w zakresie energii jądrowej z perspektywą osiągnięcia wydajności obliczeniowej 10 exaflopsów (10 18 ) w roku 2024. potrzeba ok. 15 lat dla opracowania wdrożenia nowej generacji modeli obliczeniowych do analiz w reżimach HPC (High Performance Computing) wraz z metodami ocen niepewności wyników. modelowanie exaskali może zredukować koszty konstrukcji NOWYCH EJ dużej skali o 20%.(3 miliardy z 15 miliardów USD). DoE USA nadzoruje dla osiągnięcia wymienionych celów dwa interdyscyplinarne i międzyinstytucjonalne programy: Nuclear Energy Advanced Modelling and Simulation (NEAMS) Scientific Discovery through Advance Computing (SCidaC).
Wizja NEAMS Wymagania w zakresie modelowania i symulacji: - oparte o pierwsze zasady (prawa fizyki i chemii), - wysoki wymiar przestrzenny modeli, - wysoka rozdzielczość przestrzenno-czasowa, - zintegrowane systemy modelowania, - odpowiednia weryfikacja, walidacja i oszacowanie niepewności wyników, - wykorzystanie najlepszych platform obliczeniowych oraz najlepszych technik programowania i narzędzi analiz wyników. Zaawansowane technologie obliczeniowe: - narzędzia programowania, - ułatwienia do tworzenia modeli, - analizy wyników (wizualizacja), - odpowiednie platformy komputerowe dla realizacji ww. zadań w reżimach HPC.
Wizja NEAMS Krytycznym zagadnieniem dla realizacji HPC jest opracowanie modeli programowania do wykorzystania architektur komputerowych nowej generacji, aktualnie są to m.in.: klastry wielordzeniowe CPU, nowa generacja klastrów GPGPU. Narzędzia programowania powinny: być wystarczająco ogólne dla odtworzenia dowolnego algorytmu równoległego rozwiązywania określonych problemów, zapewniać skalowalność na dostępnych konfiguracjach HPC, być łatwym w użyciu przy tworzeniu dowolnej aplikacji. Nacisk położony na: Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych występujące we wszystkich symulacjach i obszarach modelowania instalacji jądrowych, w tym rdzeniu reaktora (transport neutronów, dynamika płynów i wymiana ciepła w warunkach wielofazowych). Złożone geometrie.
ITAPS The Interoperable Tools for Advance Petascales Simulations ITAPS powstał w wyniku współpracy kilku uniwersytetów USA oraz laboratoriów DoE w ramach programu SciDAC. Podstawowym celem jest uproszczenie stosowania wielosiatkowych strategii dyskretyzacji równań w ramach pojedynczej symulacji na komputerach z przetwarzaniem w skali tera i peta-flopsów. Jest to osiągalne przez rozwój wspólnych interfejsów funkcjonalnych dla definiowania geometrii, siatek i procesów.
Metody i algorytmy wielu skal czasowo-przestrzennych - potrzeby Fizyka wielu skal: konieczność zapewnienia właściwej wymiany informacji dla różnych skal czasowo-przestrzennych Łączenie modeli fizycznych różnych skal czasowych (krok czasowy zdeterminowany przez procesy w drobnej skali) Zastosowanie kroku adaptacyjnego i metod całkowania do przyspieszania szybkości. Analiza stanów przejściowych w obliczeniach bezpieczeństwa wymaga przeprowadzania symulacji w różnych skalach czasowych. Techniki do dekompozycji operatorów względem czasu, uwzględniające wiele skal i poziomów warunków brzegowych W analizach bezpieczeństwa stanów przejściowych wydajność solwerów dla układów równań sztywnych wymaga poprawy
Bariery w szerszym stosowaniu symulacji HPC Pisanie kodów równoległych jest poza możliwościami wielu ekspertów z dziedzin pozainformatycznych Istnieją poważne trudności w łączeniu wielu kodów do analiz Spore trudności w tworzeniu i obsłudze siatek Proces modelowania jest ręczny, wielokrokowy Wymagana jest bliska znajomość różnych części oprogramowania Dostępnych jest niewiele narzędzi do zarządzania olbrzymimi zestawami danych symulacyjnych, przepływami oraz do wykonywania analiz Interfejs użytkownika jest skomplikowany Budowanie i dystrybucja kodu na różne platformy jest złożone Potrzeba kompletnej platformy ramowej do symulacji HPC
Czym jest platforma ramowa do symulacji HPC? Problem - brak jednolitych definicji w społeczności HPC Definicja ze spotkania platformy NEAMS, lipiec 2010: Ramowa platforma symulacyjna HPC: Całkowity zbiór oprogramowania potrzebny do opracowywania kodów do wieloskalowych symulacji oraz do przeprowadzania produktywnie takich symulacji, w odróżnieniu od kodów inżynierskich oraz naukowych, specyficznych w swoich dziedzinach. Platforma składa się z wielu części o różnych funkcjach Charakter modułowy z niepełną integracją Platforma zawiera następujące grupy oprogramowania: Oprogramowanie bazowe Usługi Zarządzanie danymi i przepływami, analizy, interfejs użytkownika Platforma do rozwoju kodu Ramowe platformy HPC są na wczesnym etapie projektów i opracowywania
Przykład symulacji ramowej platformy HPC Edytor geometrii Edytor danych wejściowych symulacji Biblioteki matriałowe Geometria Tworzenie siatki Właściwości materiałów, warunki początkowo-brzegowe, parametry symulacji Zarządzanie wykonaniem Siatka Fizyka 1 Fizyka 2 Fizyka 3 Oprogramowanie bazowe Narzędzia analityczne i VV/UQ Wyniki symulacji Wizualizacja i analizy Baza danych symulacji Kategorie Oprogramowanie Modułów bazowe Podstawowych Serwisy Zarządzanie danymi oprogramowanie grupowe, obliczenia i interface użytkownika Struktury rozwojowe (nie pokazane) użyte do rozwoju analiz i struktur kodów
Serwisy i programy w ramach CIŚ Serwis Dedykowana numeryczna prognoza pogody na potrzeby modeli dyspersyjnych Modelowanie transportu i dyspersji skażeń w atmosferze w różnych skalach Modelowanie ośrodków porowatych PSA Poziom 1 Modelowanie skutków potencjalnych awarii jądrowych System wspomagania decyzji czasu rzeczywistego po awarii jądrowej Modelowanie zagrożeń N/C/B/R Stochastyczna rekonstrukcja zdarzeń Modelowanie danych geoprzestrzennych Stosowane kody WRF/GFS/COSMO Flexpart, Hysplit (NOAA), Eulag PFlotran Saphire (NRC-USA) COSYMA, RODOS (UE) RODOS (UE) HPAC (DTRA-USA) R/własny R/Intamap
Serwis Serwisy i programy w ramach CIŚ Modelowanie systemów reaktorowych, analizy awarii projektowych (PWR, BWR) Modelowanie systemów reaktorowych, analizy awarii ciężkich Modelowanie 3D strumienia neutronów (mocy) w reaktorach wodnych, awarie reaktywnościowe Analizy wrażliwości i niepewności modeli Platforma integrująca europejskie narzędzia obliczeniowe (na bazie ROOT, SALOME) Mechanika obliczeniowa płynów (różne skale) Stosowane kody RELAP5 (NRC-USA), CATHARE2 (CEA), TRACE (BRC-USA) MELCOR (NRC-USA), ASTEC (IRSN), RELAP5/SCDAPSIM (ISS LLC) PARCS (NRC-USA), RELAP5/PARCS (NRC-USA), CATHARE3 (CEA) URANIE platform (CEA) NURESIM (Nuclear Reactor Integrated Simulation Project: CEA, NURISP, NURESAFE) Fluent (ANSYS), TrioU (CEA), OpenFoam, Nek500, FLICA4 (CEA), NEPTUNE_CFD (EdF), TransAT (ASCOMP), Saturne (EdF)
Serwisy i programy w ramach CIŚ Serwis Modelowanie strumienia neutronów, transport, dyfuzja, Monte-Carlo Modelowanie paliwa jądrowego, wypalanie, skład izotopowy Modelowanie paliwa (mechanika, naprężenia, odkształcenia) Modelowanie paliwa (właściwości cieplne i mechaniczne) Modelowanie przewodzenia ciepła w warunkach nieustalonych Analizy strukturalne (szeroki zakres zastosowań) Stosowane kody CRONOS2 (CEA), APOLLO2 (CEA), TRIPOLI-4 (CEA) DRAGON (Polytechnique Montréal), SERPENT (VTT) DRACCAR (IRSN) TRANSURANOS (ITU, Karlsruhe) SYRTHES (EdF) ASTER (EdF)