Виртуальный эксперимент: как надежно предсказать результаты реальных опытов

Определить состав топлива, облученного в реакторе, который еще не построен. Рассчитать защиту для помещения, где поставят циклотрон, который пока проектируется. Спрогнозировать, что пойдет из скважины, которую только собираются пробурить. Группа моделирования ядерно-физических процессов отделения прикладной радиохимии Радиевого института им. Хлопина «предсказывает будущее» по методу Монте-Карло и помогает экономить деньги на реальных экспериментах. Специально для «СР» научный сотрудник группы Никита Ковалев рассказывает о своей работе.

Ядерно-физическое моделирование: что это и зачем нужно

Сегодня науке известно 118 химических элементов и около 3,5 тыс. изотопов (подавляющее большинство — нестабильные, или радиоактивные). Радиоактивные элементы распадаются, делятся, излучая гамма-кванты, электроны, альфа-частицы, нейтроны. Как это разнообразие поведет себя в различных средах, как будет распространяться и взаимодействовать с другими веществами, раньше узнавали из реальных экспериментов. Теперь мы воспроизводим эксперименты виртуально. Это называется ядерно-физическое моделирование.

На компьютере мы можем экспериментировать бессчетное количество раз, подбирая оптимальные параметры, характеристики и материалы, — колоссальная экономия финансовых и временных ресурсов по сравнению с реальными опытами. Но благодаря реальным опытам, сбору так называемых ядерных данных, моделирование стало возможным.

Современные программные средства для ядерно-физического моделирования используют метод Монте-Карло. Жизнь отдельной частицы моделируется от ее появления до исчезновения в соответствии с законами физики, и эта процедура повторяется для большого количества частиц. Результат — подробное моделирование процесса переноса частиц.

Задачи и проекты

Все институты, которые связаны с разработкой ядерных установок, так или иначе используют ядерно-физическое моделирование. Мы в Радиевом институте начали этим заниматься примерно 10 лет назад и стали пионерами в моделировании задач по радиохимическому направлению в отечественной атомной промышленности.

Радиевый институт создает технологии обращения с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ), и нам важно знать его состав у разных установок. Мы построили для расчетов виртуальные модели реакторов типа РБМК, ВВЭР, БН, несколько активных зон атомных станций малой мощности и исследовательских реакторов. Участвовали в обосновании РЕМИКС-топлива (неразделенная смесь регенерированного урана и плутония, образующаяся при переработке ОЯТ, с добавлением обогащенного урана. — «СР»). Мы изучали нейтронно-физические характеристики РЕМИКС в виртуальной активной зоне ВВЭР, чтобы понять, какое максимальное количество плутония можно безопасно добавить. Смотрели, как меняется изотопный состав топлива в ходе облучения, рассчитывали, сколько тепла выделяет ОЯТ, определяли радиационную опасность от свежего топлива. Эта работа позволила сформулировать концепцию рециклирования ядерного топлива в тепловых реакторах. Сейчас РЕМИКС-топливо проходит испытания на Балаковской АЭС — без исследований обосновать безопасность его установки в действующий реактор было бы просто невозможно.

Радиевый институт производит радиоизотопы для медицины и промышленности — как в реакторах, так и в циклотронах. Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Ефремова делает для нас циклотрон с регулируемой энергией протонов от 15 до 30 МэВ и интенсивностью пучков до 400 мкА. Он будет генерировать очень мощное вторичное излучение: нейтронные и гамма-поля, от которых необходимо защитить персонал. Мы построили модель помещения, где предполагается установить ускоритель, модель самого циклотрона со всеми магнитами, ионопроводом, мишенными устройствами. Моделируя работу установки, мы видим, какой толщины должны быть стены для обеспечения безопасной дозовой нагрузки на персонал. Рассчитывая характеристики мишени, облученной пучком протонов, мы выясняем, какими должны быть защитные боксы для ее хранения, переработки и других операций.

Выполняем интересный проект для нефтяников. Когда строишь скважину, надо знать заранее, что пойдет по трубе: сразу нефть, а может, сначала газ, вода или конденсат? Для этого применяют, в частности, ядерно-физические методы. Мы занялись компьютерным моделированием экспериментов, чтобы создать более совершенные устройства для определения количества вещества в потоке.

Инструменты и компетенции

В группе моделирования ядерно-физических процессов высококвалифицированные специалисты с опытом работы более 10 лет. Мы владеем лучшими программными средствами, реализующими метод Монте-Карло.

До 2022 года институт состоял в научной коллаборации NEA (Nuclear Energy Agency, Агентство по ядерной энергии при Организации экономического сотрудничества и развития. — «СР»). У NEA большой банк ядерных данных и программных средств, многими мы и сейчас можем пользоваться.

Сейчас в России бум собственных разработок программных средств. Недавно мы приобрели и комплекс TDMCC саровских ученых для расчетов нейтронно-физических характеристик трехмерных систем методом Монте-Карло. В конце сентября мы участвовали в школе-семинаре по расчетным кодам Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.