Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на развитие методического и программного инструментария ассимиляции (усвоения) экспериментальных данных применительно к задачам моделирования нейтронно-физических процессов в объектах использования атомной энергии (ОИАЭ), а также демонстрации применения созданного инструментария для повышения точности расчетного предсказания характеристик реакторов малой и средней мощности. Ассимиляция данных может быть рассмотрена как форма машинного обучения, которая предполагает оперирование с реалистичной расчетной моделью и применяется с целью уточнения параметров нейтронно-физических моделей ОИАЭ по результатам реакторно-физических экспериментов (возможно уточнение как нейтронных констант, так и технологических параметров, включая геометрические параметры, концентрации нуклидов, условия проведения экспериментов), оценки и повышения точности расчетного предсказания характеристик проектируемых ОИАЭ, планирования новых информативных экспериментов, близких по своим нейтронно-физическим свойствам к проектируемым ОИАЭ. Потребность в развитии инструментария данной категории на современном этапе обусловлена острой нехваткой экспериментальных данных по измерениям нейтронно-физических характеристик на установках структурно подобных целевым проектируемым инновационным объектам (из-за высокой стоимости соответствующих экспериментов), зачастую противоречивым характером существующих наборов экспериментальных данных, необходимостью повышения точности расчетного предсказания как стационарных (критичность, эффекты реактивности и т.п.), так и время-зависимых нейтронно-физических характеристик реакторов, включая характеристики нуклидного состава облученного топлива. Отмеченные обстоятельства указывают на назревшую потребность в поиске адекватной замены подходов к ассимиляции нейтронно-физических данных, которые разрабатывались и активно применялись в ядерной инженерии в 1970–1990 гг., используя возможности современной методической и инструментальной базы. Классическая постановка задачи предполагала использование метода максимального правдоподобия и линеаризацию нейтронно-физической модели на основе аппарата коэффициентов чувствительности, а также отсутствие учета каких-либо объективных физических ограничений на диапазоны изменения уточняемых параметров. На современном этапе возможно развитие методик ассимиляции нейтронно-физических данных, предполагающих решение нелинейных оптимизационных задач по максимизации точности расчетного предсказания характеристик ОИАЭ в условной постановке (учитывать реальные физические ограничения на варьируемые параметры), позволяющих извлекать информацию из результатов т.н. «взаимно противоречивых» экспериментов, а также подходящих в равной степени для повышения точности расчетного предсказания стационарных и время-зависимых нейтронно-физических характеристик реакторных систем. На развитие соответствующего инструментария направлен настоящий проект. Все запланированные работы на отчетный период выполнены в полном объеме. Более того, был выполнен дополнительный цикл работ, который превысил заявленный план и продемонстрировал возможность расширить область применения разрабатываемого инструментария. В отчетном периоде были получены следующие научные результаты: 1. Методы и алгоритмы нелинейной условной многопараметрической оптимизации на основе методов семейства trust-region (TRM) для задач ассимиляции нейтронно-физических экспериментальных данных. 2. Методы и алгоритмы байесовского (стохастического) подхода к реализации метода максимального правдоподобия для задач ассимиляции нейтронно-физических экспериментальных данных. 3. Результаты тестирования разработанных методов и алгоритмов для нестационарных задач нуклидной кинетики. 4. Архитектура и интерфейс расчетных кодов для задач ассимиляции нейтронно-физических экспериментальных данных. 5. Программные модули расчетных кодов для задач ассимиляции нейтронно-физических экспериментальных данных. В ходе исследования также были получены следующие дополнительные результаты, которые выходят за рамки исходного плана: 1. Сформирована база экспериментальных нейтронно-физических данных ядер актинидов, предоставляющая собой основу для проверки качества результатов ассимиляции нейтронно-физических данных. 2. Рекомендации по применению создаваемого инструментария в иных областях ядерной инженерии с целью разработки упрощенных нейтронно-физических моделей, обеспечивающих требуемую точность расчетного предсказания, включая задачи в области сценарного моделирования ядерного топливного цикла. 3. Подготовлены отдельные главы рукописи монографии «Ассимиляция данных в задачах моделирования нейтронно-физических процессов в ядерных реакторах и объектах ядерного топливного цикла: методы и приложения» (рабочее название). Таким образом в отчетном периоде были разработаны новые оригинальные методики и алгоритмы ассимиляции нейтронно-физических данных. Они были протестированы в решении как относительно простых демонстрационных, так и более сложных прикладных задач, представляющих практическую ценность. Выполненный цикл исследований позволяет сделать вывод об эффективности предложенного методического инструментария, который целесообразно на следующем этапе представить в виде отчуждаемого программного обеспечения, провести его комплексную валидацию и верификацию, сопроводить инструкциями для пользователей и примерами использования.