ПОГРУЖЕНИЕ СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ КОНСТАНТ MATXS/TRANSX В СРЕДУ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ РЕАКТОР

(LOADING THE SYSTEM OF PREPARATION OF CONSTANTS MATXS/TRANSX INTO THE PACKAGE OF APPLIED PROGRAMS REACTOR
Preprint, Inst. Appl. Math., the Russian Academy of Science)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 

1.     Подключение библиотеки групповых констант GNPDL-30/19 в пакет

РЕАКТОР   

2.     Модуль TRSX - подготовка констант физических зон из

    библиотек в формате MATXS        

3. Запуск модуля TRSX                       

Литература                                                                                                

Приложение. Результаты теста подпрограммы TRSX_I        

Введение

Пакет прикладных программ РЕАКТОР [1]  разрабатывался в ИПМ РАН с 1985 года с целью объединения  в единой информационной среде   семейства программ для решения  уравнения  переноса нейтронов различными методами в различных геометриях и приближениях в задачах расчета  ядерных реакторов.  В настоящее время возможности пакета позволяют проводить расчеты пространственно-энергетического распределения нейтронов  и нейтронно-физических характеристик в одно- двух- и трехмерных геометриях с использованием диффузионного, P1 и более высоких приближениях как в стационарном состоянии, так и в ходе кампании, для квазикритического реактора и подкритической системы с внешним источником. Используемое многогрупповое представление энергетического распределения определяется типом библиотеки констант, имеющейся в распоряжении пользователя.

Традиционно константное обеспечение расчетных модулей пакета базировалось на отечественной системе констант БНАБ (версии БНАБ-78[2], БНАБ-90[3], БНАБ-93[4]), разрабатываемой в ГНЦ РФ ФЭИ для  быстрых реакторов. Константные модули пакета РЕАКТОР– GND и GNDL[5]-[6] обеспечивали расчет блокированных макро- и микроскопических сечений физических зон на основе принятых в системе констант БНАБ форматов и алгоритмов для всех модулей пакета REACTOR.

Последние годы появилась возможность освоить альтернативные системы подготовки констант, разработанные  в  лабораториях США. Представляется важным  включение этих технологий в пакет РЕАКТОР для обеспечения возможности сравнения различных библиотек констант в рамках единой вычислительной системы. С этой целью из файлов оцененных данных  ENDF/B-6[7] с помощью пакета программ NJOY-94.105 [8] была сформирована 30-групповая библиотека констант GNPDL-30/19 в энергетической структуре, аналогичной БНАБ-93, но расширенной до 20 Мэв (введены дополнительно две группы) с тем, чтобы полностью охватить область определения оцененных данных.  Данные библиотеки представлены в формате  MATXS,  принятым  в США в качестве стандарта представления групповых микроскопических сечений, что позволяет воспользоваться для расчета блокированных по зонам макро- и микроскопических сечений программой TRANSX[9]. Описание 30-групповой библиотеки и способов получения на ее основе  констант для решения уравнения переноса с помощью программы TRANSX приведено в работах [10], [11].

Цель настоящей работы – внедрение системы подготовки констант  MATXS/TRANSX в пакет РЕАКТОР путем погружения в него программы TRANSX и обеспечение возможности расчета констант физических зон на основе 30-групповой (GNPDL-30/19), а следовательно и  любой другой библиотеки групповых микроконстант в стандартном формате MATXS.

1.     Подключение модуля в пакет РЕАКТОР

В соответствии с принципами построения пакета РЕАКТОР[12], каждая погружаемая в него программа должна быть оформлена в виде функционального модуля. Это означает, что  необходимая для  работы программы  информация должна быть получена из общего архива,   в него же должны быть занесены и результаты расчета. Это делает систему открытой, поскольку практически любую программу можно окружить оболочкой, осуществляющей обмен данными с архивом по определенным правилам. Тело программы при этом остается почти неизменным (обычно достаточно  лишь согласовать номера  устройств). Задача работы с архивом существенно упрощается, если программа написана на языке ФОРТРАН-77, поскольку для этого случая разработан специальный набор системных средств, позволяющих работать с архивом, как с набором именованных массивов[13]. В архив целесообразно заносить не все данные, используемые программой, а только те, которые обеспечивают ее связь с другими модулями – при этом часть данных, используемых автономно, может быть организована произвольным образом. Подключение программы в виде модуля  может потребовать расширение языка задания, введение дополнительных управляющих параметров, что приводит к  правкам других функциональных модулей – эти редакции желательно согласовывать с  разработчиками пакета.

Преобразование программы TRANSX в функциональный модуль пакета РЕАКТОР было выполнено с помощью трех оболочечных подпрограмм:

TRSX_I   –  чтение необходимых данных из архива и формирование файлов исходных данных для погружаемой программы;

TRSX_O – формирование из выходных файлов погружаемой программы  структур данных, требующихся для работы других модулей пакета и запись их в архив;

TRSX –  управляющая программа , осуществляющая последовательный вызов подпрограмм TRSX_I, TRANSX  и TRSX_O.

Запуск модуля TRSX  выполняется в соответствии с Инструкцией по составлению задания для пакета РЕАКТОР [14].

2.     Модуль TRSX – подготовка констант физических зон из библиотек в формате MATXS

          Система подготовки констант MATXS/TRANSX  предназначена для обеспечения данными программ решения группового уравнения переноса методом дискретных ординат. Она обладает широкими возможностями для учета различных эффектов, обусловленных геометрическим  факторами, резонансной структурой сечений, термализацией. Описание алгоритмов и структур данных программы TRANSX можно найти в оригинальной работе [9], и в сокращенном переводе – в работе [11]

          Управляющие параметры, необходимые для работы константного модуля TRSX, вводятся модулем INCON, который формирует массивы CONSTS, MICRO, PHYS и заносит их в архив. Полную информацию о структуре архивных массивов можно найти в работе [15], здесь же ограничимся краткими сведениями, необходимыми для описания работы оболочечных программ TRSX_I и TRSX_O.

Массив CONSTS содержит основные признаки, граничные значения и адреса данных, необходимых для подготовки констант. В таблице 1 приведены адреса расположения управляющих параметров в массиве CONSTS и их назначение.

Таблица 1 Структура массива CONSTS.

Вектор  MIC массива CONST содержит информацию, необходимую  для  расшифровки структуры массива MICRO (см. ниже) Вектор МIC состоит из пар чисел, из которых первое определяет адрес данных в структуре MICRO, а второе – тип сечений ( текстовая константа переведенная в целочисленное представление). Допустимые типы микросечений:

SC – сечение радиационного захвата ,

SF – сечение деления ,
 SA – полное сечение поглощения .

Массив MICRO состоит из блоков, нумеруемых от 0 до NTYPZ. Блок MICRO(0) – массив целого типа, содержит список имен нуклидов, для которых требуется выполнить расчет микросечений. Этот список определяется значением векторного параметра MICRO в задании для модуля INCON и состоит из текстовых констант вида U-238, Pu-239 и т.п., преобразованных в целочисленное представление.  Блоки  MICRO(IZON), IZON=1,…,NTYPZ  - массивы вещественного типа, содержат блокированные по зоне IZON групповые микросечения.

Массив PHYS предназначен для хранения характеристик физических зон – ядерных концентраций и температур. Она формируется модулем INCON из значений параметров TYPZ в расчетном задании. Массив PHYS состоит из NTYPZ+1 блоков. Блок PHYS(0) – массив целого типа длиной NTYPZ+1, I-й элемент которого содержит номер последнего слова в (I-1)-м блоке (другими словами - адрес начала без единицы I-го блока). Разность двух соседних адресов дает длину блока. Таким образом, первое слово 0-го блока имеет значение NTYPZ+1, значение последнего, (NTYPZ+1)-го слова нулевого блока равно полной длине структуры PHYS. Блоки с номерами IZON=1,…,NTYPZ – имеют общую структуру.

Первые три слова в блоке PHYS(IZON) - глобальные параметры зоны:
 – целочисленное представление текстовой константы TEMZON;
 – IZON - номер физической зоны ;
 – температура физической зоны [K].
Затем в цикле по всем нуклидам зоны задаются:
 – имя нуклида (в целочисленном представлении);
 – ядерная концентрация нуклида ( в единицах [число ядер)/барн] ),
 – температура нуклида [K].

Вектор MAC массива CONST содержит имена групповых констант (значение параметра MACRO в задании для модуля INCON).  Допустимые типы констант:

ENERGY – групповые границы,
VG – среднегрупповые скорости,
D – коэффициенты диффузии,
SIY – сечения увода из группы,
NSF – сечение образования нейтронов в процессе деления
CHI – спектр  деления,
SIT – полное сечение,
SIE – сечение упругого рассеяния,
SIC – сечение поглощения нейтронов,
SIF – сечение деления,
SIZ0 – сечение замедления,
SIGTR0 – матрица межгрупповых переходов, 0-момент,
SIGTR1 – матрица межгрупповых переходов, 1-момент,
SIGEL0 – матрица упругих переходов, 0-момент
SIGS – моменты сечения рассеяния “само в себя”,
SIGPQ  – матрица моментов межгрупповых переходов.

          Все перечисленные выше массивы используются подпрограммой TRSX_I, которая с помощью системных процедур GREAD, GREADK [13] запрашивает их из архива и преобразует в  файл c именем, определяемым значением параметра dat. В Приложении А приведены результаты теста подпрограммы TRSX_I,  содержащие фрагмент задания  для пакета РЕАКТОР и соответствующий ему файл исходных данных для программы подготовки констант TRANSX.

          Подпрограмма TRSX_C на основе данных библиотеки микроконстант в формате MATXS, путь к которой задается параметром lib,  рассчитывает блокированные по зонам микро- и макроскопические сечения, и формирует из них выходной файл GOXS. Формат  GOXS ( другие его названия – MACRXS, SNXEDT) является входным для системы программ решения решения уравнения переноса ONEDANT/TWODANT[16], что в дальнейшем может найти полезное применение. В пакете РЕАКТОР он не используется непосредственно, а преобразуется в архивные массивы с помощью подпрограммы TRSX_O (см. ниже). Если в списке параметров MACRO заказан расчет матрицы упругих переходов SIGEL0,  формат файла GOXS немного отличается от стандартного: вслед за полной матрицей межгрупповых переходов записывается  матрица упругого рассеяния (специальная редакция программы TRANSX для пакета РЕАКТОР).  В этом случае файл GOXS, естественно, не может быть использован программами, не входящими в пакет.

           Файл GOXS может содержать следующие типы макросечений и специальных величин для нейтронов (в принятых в формате файла обозначениях):

TOTAL  - полное сечение

ABS – сечение поглощения

NUSIGF – сечение образования нейтронов в процессе деления

CHI – групповой спектр деления

TRD – транспортное сечение

TOT0 – нулевой момент полного сечения

TOT1 – первые момент полного сечения

ELAS – сечение упругого рассеяния

MUEL – средний косинус упругого рассеяния
INEL – полное сечение неупругого рассеяния

FTOT – полное сечение деления

N2N – сечение реакции

N3N – сечение реакции

NNA – сечение реакции 

NNP – сечение реакции 

NG – сечение радиационного захвата 

NP – сечение реакции

NA - сечение реакции

ND – сечение реакции 

NT – сечение реакции 

          Подпрограмма TRSX_O преобразует эти данные в массивы констант, заказанные в списке параметров MACRO. Доступ к данным файла GOXS осуществляется с помощью процедуры GETGOXS. Требуемые макроконстанты рассчитываются из макросечений по формулам:

Общий принцип упорядочивания данных в массивах – “группа – материалы – моменты”.

При формировании  массива SIGTR0, содержащего нулевой момент матрицы межгрупповых переходов, создаются два вспомогательных векторных параметра JEND и JDN в массиве CONSTS. Длина векторов равна числу энергетических групп NGROUP.

Вектор JDN содержит числа переходов  в каждую группу.

Вектор JEND содержит конечные адреса записей для каждой группы  в массиве SIGTR0. Под конечным адресом записи понимается номер слова  в массиве SIGTR0, в котором записано последнее значение макросечения перехода, относящееся к данной группе. Таким образом, в слове с номером NGROUP вектора JEND записана длина массива SIGTR0.
Структура массива SIGEL0 совпадает с SIGTR0, поэтому для ее описания используются те же вектора JEND и JDN.

Для массива SIGTR1 формируются аналогичные вспомогательные векторные параметры JEND1 и JDN1.

Откорректированный массив управляющих параметров CONSTS  вновь записывается в архив.
Массив SIGPQ состоит из блоков. Каждый блок содержит моменты сечений для всех материалов одного из переходов. Структура данных блока для перехода из группы NP в группу NQ (NP№NQ):
NP – номер начальной группы g’,

NQ – номер конечной группы g,
LMOM(IZON),IZON=1,NTYPZ – число моментов для каждой зоны,
LENG – полная длина вектора моментов,
SPQ(L,IZON),L=1,LMOM(IZON),IZON=1,NTYPZ – массив моментов сечений переходов.

Запись массивов в архив производится с помощью системных процедур GWRITE, GWRITEK [13].

3.     Запуск модуля TRSX

Заказ 30-групповой библиотеки MATXS осуществляется присвоением параметрам модуля INCON следующих значений:
namlib   MATXS -  тип   библиотеки
ngroup  30            - число нейтронных групп

          Модуль TRSX вызывается оператором:

===TRSX 0

          Параметры модуля TRANSX:
dat   - имя входного файла модуля
lib     - путь к библиотеке сечений MATXS

          Работа модуля завершается операторами:
FINISH

===CLOSER 0
          Типовая схема расчета  выглядит следующим образом:
– инициализация архива данных - модуль TASK;
– ввод геометрических параметров рассчитываемой системы  - модули GEOM2D ( R-Z геометрия) или
   CHART (HEX-Z геометрия);
– ввод физических параметров среды ( состав, температуры ) -   модуль INCON;
– расчет блокированных макро- и микроскопических констант -  модули GND (GNDL) (библиотека БНАБ-78) или TRANSX ( MATXS);
– ввод параметров расчета нейтронных потоков  - модуль INFLUX ;
–  расчет групповых потоков – модули DIFRZ (R-Z геометрия) или DIFF2D (HEX-Z геометрия)
– расчет изменения состава – модуль BURNUP 
    и т.д.

Литература

1.V.I.Arzhanov, A.V.Voronkov. REACTOR – Program System for Neutron-Physical Calculations. Proc. International Topical Meeting; Advances in Mathematics, Computations and Reactor Physics; Pittsburgh, USA, Vol.5,April 28 – May 2, 1991.

2.Л.П.Абагян, Н.О.Базазянц, М.Н.Николаев, А.М.Цибуля. Групповые константы для расчета реакторов и защиты. М.,Энергоиздат, 1981

3.ABBN-90 and COSYST2 Computing Technology Collection. RSICC, DLC-182/ABBN-90, ORNL.

4.Г.Н. Мантуров, М.Н. Николаев, А.М. Цибуля. Система групповых констант БНАБ-93. Часть 1: нейтронные и фотонные ядерные константы. Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерные константы, вып.1, 1996.

5.А.В.Воронков, В.И.Журавлев, Е.Г.Натрусова. GNDL – групповая библиотека нейтронных данных. ВАНТ, сер. Ядерные константы, вып.5(59), стр. 10, Москва, 1984 г.

6..A.V. Voronkov, V.I. Zhuravlev et al. GNDL – a Program System of Group Constants to Provide Calculations of Neutron and Photon Fields. Advances in Mathematics, Computations and Reactor Physics, Pittsburgh, PA, USA, 1991

7.P.F.Rose and C.L.Dunford .ENDF-102, Data Formats and Procedures for the Evaluated Nuclear   Data File, ENDF-6,  Brookhaven National Laboratory report BNL-NCS-44945, (July 1990)

8..E.MacFarlane et al.  NJOY 94.10 Code System for Producing Pointwise and Multigroup Neutron and Photon Sections form ENDF/B Data. RSIC Peripheral Shielding Routine Collection, PSR-355

9.R.E.MacFarlane   TRANSX-2:  A  Code   for   Interfacing   MATXS   Cross-Section     Libraries to  Nuclear  Transport  Codes,LA-12312-MS    (1992)

10.В.В.Синица, А.В.Воронков GNPDL-30/19: Библиотека нейтронно-фотонных групповых констант для расчета быстрых реакторов и радиационой защиты. Часть 1. Структура микросечений. Препринт ИПМ РАН (в печати), Москва, 2000

11.В.В.Синица, А.В.Воронков GNPDL-30/19: Библиотека нейтронно-фотонных групповых констант для расчета быстрых реакторов и радиационой защиты. Часть 2. Подготовка макроконстант. Препринт ИПМ РАН (в печати), Москва, 2000

12.А.В.Вороноков,В.И.Аржанов Принципы построения пакета РЕАКТОР. Препринт ИПМ РАН №2, Москва,1995

13.В.И.Аржанов, А.В.Вороноков Машинно-независимый архив для решения прикладных задач математической физики. Препринт ИПМ РАН №7, Москва,1996

14.Пакет прикладных программ РЕАКТОР.Описание модулей версии пакета для расчета нейтронно-физических характеристик ядерных реаторов в диффузионном приближении. Отчет ГНЦ РФ ФЭИ, инв.№1007, Обнинск, 1999

15.Инструкция для пользователя пакета прикладных программ РЕАКТОР. Отчет ГНЦ РФ ФЭИ, инв.№     Обнинск, 1999

16.RSIC,  TWODANT - One- and Two - Dimensional, Multigroup, Discrete- Ordinates Transport Code System,  - RSIC Computer Code Collection, Code Number CCC-547, ORNL,1990

ПРИЛОЖЕНИЕ.  Результаты теста подпрограммы TRSX_I 

Фрагмент задания TEST.DAT для модулей INCON, TRANSX пакета REACTOR:

===INCON 0

CONSTS CALC,MACMIC,DIF,PHYS,LAMBDA

NAMLIB MATXS

NGROUP 30

NTYPZ   3

KPRINT  0

TYPZ  TEMZON,1.,1200.,

      U-235 ,0.1694E-4,.,U-238 ,0.5518E-2,.,PU-239,0.628837E-3,.,

      PU-240,0.285661E-3,.,PU-241,0.1265E-3,.,PU-242,0.6199E-4,.,

TYPZ  TEMZON,2.,900.,

      NA    ,0.8630E-2,.,FE    ,0.1284E-1,.,CR    ,0.2830E-2,.,

      NI    ,0.1510E-2,.,MO    ,0.2480E-3,.,

TYPZ  TEMZON,3.,900.,

      PB    ,0.305E-1,.,

MACRO ENERGY,VG,D,SIY,NSF,CHI,SIC,SIF,SIGTR0,SIGTR1,SIE,SIT,SIZ0

MICRO SA,SC,SF

SA    U-235,U-238,PU-239,PU-240,PU-241,PU-242

SC    U-235,U-238,PU-239,PU-240,PU-241,PU-242

SF    U-235,U-238,PU-239,PU-240,PU-241,PU-242

LAMBDA PU-241,1.4722E-9

FINISH

===CLOSER 0

===TRSX 0

DAT TRANSX.INP

LIB _MATXS

FINISH

===CLOSER 0

Файл исходных данных TRANSX.INP, сформированный подпрограммой TRSX_I:

task= TEST.DAT    lib=MATXS

$card 2: options

$ iprint  iout iprob  iset iform itime idecay itrc icoll initf

     1     5     0     1     1     1     0     0     0     0

$card 3: parameters

$ ngroup  nl ntabl   nup  nthg  nmix  nreg nmixs   ned  neds

   -30     6    68     0     0     3     3    99    35    45

$card 3a: path

* _MATXS\*/

$card 4: mix names

   *M001* *M002* *M003*

$card 5: region and heterogeneity specs

$    hregn   rtemp    rvol  ihet

    *Z001*  1200.0     1.0     0  /

    *Z002*   900.0     1.0     0  /

    *Z003*   900.0     1.0     0  /

$card 6: remap instructions (abs(initf) > 11)

$card 7: mix specification

$ imix  ireg       hmix      dens

     1     1  *U235*      1.69400e-05 /

     1     1  *U238*      5.51800e-03 /

     1     1  *PU239*     6.28837e-04 /

     1     1  *PU240*     2.85661e-04 /

     1     1  *PU241*     1.26500e-04 /

     1     1  *PU242*     6.19900e-05 /  

     2     2  *NA*        8.63000e-03 /

     2     2  *FE*        1.28400e-02 /

     2     2  *CR*        2.83000e-03 /

     2     2  *NI*        1.51000e-03 /

     2     2  *MO*        2.48000e-04 /

     3     3  *PB*        3.05000e-02 /

$card 8: edit names

*chi*    *trd*    *tot0*   *tot1*   *elas*   *muel*   *inel*   *ftot*  

*n2n*    *n3n*    *nna*    *nnp*    *ng*     *np*     *na*     *nd*    

*nt*     *U235A*  *U238A*  *PU239A* *PU240A* *PU241A* *PU242A* *U235C* 

*U238C*  *PU239C* *PU240C* *PU241C* *PU242C* *U235F*  *U238F*  *PU239F*

*PU240F* *PU241F* *PU242F*                                             

$card 9: edit specifications

    3  *ntot0*     1.0  /       

    4  *ntot1*     1.0  /      

    5  *nelas*     1.0  /      

    6  *mubar*     1.0  /      

    7  *ninel*     1.0  /      

    8  *nftot*     1.0  /      

    9  *n2n*       1.0  /      

   10  *n3n*       1.0  /      

   11  *nna*       1.0  /      

   12  *nnp*       1.0  /      

   13  *ng*        1.0  /      

   14  *np*        1.0  /      

   15  *na*        1.0  /      

   16  *nd*        1.0  /      

   17  *nt*        1.0  /      

   18  *ntot0*     1.0  *U235* 

   18  *nelas*    -1.0  *U235* 

   18  *ninel*    -1.0  *U235* 

   19  *ntot0*     1.0  *U238* 

   19  *nelas*    -1.0  *U238* 

   19  *ninel*    -1.0  *U238* 

   20  *ntot0*     1.0  *PU239*

   20  *nelas*    -1.0  *PU239*

   20  *ninel*    -1.0  *PU239*

   21  *ntot0*     1.0  *PU240*

   21  *nelas*    -1.0  *PU240*

   21  *ninel*    -1.0  *PU240*

   22  *ntot0*     1.0  *PU241*

   22  *nelas*    -1.0  *PU241*

   22  *ninel*    -1.0  *PU241*

   23  *ntot0*     1.0  *PU242*

   23  *nelas*    -1.0  *PU242*

   23  *ninel*    -1.0  *PU242*

   24  *ng*        1.0  *U235* 

   25  *ng*        1.0  *U238* 

   26  *ng*        1.0  *PU239*

   27  *ng*        1.0  *PU240*

   28  *ng*        1.0  *PU241*

   29  *ng*        1.0  *PU242*

   30  *nftot*     1.0  *U235* 

   31  *nftot*     1.0  *U238* 

   32  *nftot*     1.0  *PU239*

   33  *nftot*     1.0  *PU240*

   34  *nftot*     1.0  *PU241*

   35  *nftot*     1.0  *PU242*

*stop*