Ydinreaktorifysiikan mallinnusohjelmistot

Reaktorisydämen neutronien kulkeutumisen ja ketjureaktion ymmärtäminen on olennaista jokaisessa ydinvoimalan kehitysvaiheessa – varhaisesta konseptisuunnittelusta turvallisuusanalyyseihin ja viranomaislisensointiin. 

Ydinenergiasektori on laajenemassa pienoisydinreaktoreihin, uudenlaisiin reaktorikonsepteihin ja fuusioenergiaan. Samalla kasvaa tarve laskentaohjelmistoille, jotka soveltuvat myös näiden innovatiivisten ratkaisujen suunnitteluun. 

VTT:n Serpent ja Kraken tarjoavat reaktorifyysikoille, suunnitteluinsinööreille ja turvallisuusanalyytikoille joustavan alustan niin vakiintuneiden kuin uusienkin reaktoriteknologioiden suunnitteluhaasteiden ratkaisuun. 

Monte Carlo -menetelmään perustuva transport-laskenta mahdollistaa jatkuvaenergisen neutroni- ja fotonilaskennan ilman deterministisille laskentakoodeille tyypillisiä rajoitteita. Niinpä Serpentiä voidaan hyödyntää monenlaisten reaktorityyppien ja -ongelmien mallintamiseen. 

Serpentillä voi mallintaa tavanomaisia kevytvesireaktoreja, pienoisydinreaktoreja, sulasuolareaktoreja ja muita kehittyneitä konsepteja, jotka ovat haastavia perinteisillä laskentamenetelmillä. 

Serpentiä voidaan käyttää itsenäisesti neutroniikka- ja säteilysuojalaskentaan. Kraken laajentaa Serpentin käyttöä kytkettyihin ongelmiin sekä tarjoaa esi- ja jälkiprosessointityökaluja esimerkiksi fuusio- ja säteilysuojalaskentaan.  

Serpentiä käytetään myös neutroniikkalaskennassa tarvittavien homogenisoitujen moniryhmävakioiden tuottamiseen, esimerkiksi käytettäessä Kraken-ympäristön Ants-nodaalineutroniikkakoodia. Serpent tukee myös CAD-pohjaisia geometriasyötteitä. 

Kraken mahdollistaa kaksi toisiaan täydentävää lähestymistapaa reaktoriytimen analysointiin. Tarkka laskentatapa hyödyntää Serpentin jatkuvaenergistä Monte Carlo -menetelmää tarkimman mahdollisen arvion saavuttamiseksi. 

Serpent voi myös tuottaa dataa pelkistetylle laskentamallille. Koska molemmat hyödyntävät samaa laskentakehystä, tarkan laskennan ratkaisu voi toimia pelkistettyjen laskujen varmennuksena. 

Joustavuudesta on hyötyä, sillä alustavat kartoituslaskelmat voidaan ajaa tavallisella työasemalla, kun taas yksityiskohtaisemmat analyysit voivat vaatia erillisiä laskentaklustereita. 

Fissioreaktorimallinnus: Kytketyt ongelmat, joissa neutroniikka, terminen hydrauliikka ja polttoaineen käyttäytyminen mallinnetaan yhdessä. Kraken hallitsee kytketyt ongelmat vakaasta tilasta polttoainekiertoon ja transienttisimulaatioihin. Yhden laskentamallin avulla voit tehdä useita erilaisia analyysejä, joten mallinnukseen kuluu vähemmän työaikaa. 

Fuusioneutroniikka: Serpentillä voit laskea tritiumin hyötäminen, arviot reaktorikomponenttien neutroniannoksista, lämpökuormat ja aktivaatioanalyysit. Kraken laajentaa näitä toiminnallisuuksia kytkemällä neutroniikan jäähdytevirtauksen mallinnukseen. 

Säteilysuojalaskenta: Serpent tukee säteilysuojausta ja suunnittelun arviointia Monte Carlo -transport-laskennalla, joilla voit tutkia neutroni- ja gammasäteilyn kulkeutumista materiaalien ja rakenteiden läpi. Ohjelmisto mahdollistaa sujuvan työnkulun lähdetermien tuottamisesta säteilytransport-laskentaan mahdollisimman vähäisillä approksimaatioilla.

Serpent ja Kraken on alun perin kehitetty ratkaisemaan teknisiä haasteita, joita VTT:n omat ydinalan asiantuntijat ovat kohdanneet työssään. Niiden avulla on toteutettu mm. suomalaisten ydinvoimaloiden turvallisuusanalyysejä. 

Serpent on ollut julkisessa jakelussa yli viisitoista vuotta, ja sen kansainvälinen käyttäjäkunta kattaa satoja organisaatioita ja tuhansia käyttäjiä tutkimus-, akateemisissa ja kaupallisissa sovelluksissa. Kraken on uudempi, mutta rakentuu suoraan Serpentin vakiintuneelle pohjalle. 

VTT:llä on käynnissä laadunvarmistusohjelma, jonka tavoitteena on valmistella Serpent NQA-sertifiointiin. Sertifiointi helpottaa ohjelmiston hyödyntämistä viranomaislisensoinnissa, vaikka lopullista lisensointiin tarvittavaa laskentaa ei tehtäisikään yksinomaan Serpentillä. 

Ydinalan laadunvarmistus on meille ensisijaisen tärkeää. Ohjelmistomme on jo laajassa käytössä, ja käyttäjäpalaute on poikkeuksetta myönteistä. Laadunvarmistuksen kehittämiseksi käynnistimme vuonna 2025 erillisen QA-ohjelman, jonka tavoitteena on lisätä suunnittelijoiden, operaattoreiden ja viranomaisten luottoa Serpentin laskennan tarkkuuteen. 

Serpent ja Kraken asennetaan paikallisesti Linux-tietokoneille. Laskentavaatimukset vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan: yksinkertaisemmat laskelmat onnistuvat modernilla kannettavalla tietokoneella, kun taas laajamittaiset Monte Carlo -simulaatiot voivat vaatia omia laskentaklustereita. 

Lisenssit ovat määräaikaisia. Hinnoittelu määräytyy lisenssijakson pituuden ja käyttäjämäärän mukaan. Ei-kaupalliseen tutkimukseen ja opetukseen lisenssit ovat saatavilla maksutta OECD/NEA Data Bankin ja RSICC:n kautta. 

Tekninen tuki on saatavilla erillisenä palveluna VTT:n kehitystiimiltä – samoilta asiantuntijoilta, jotka kehittävät ohjelmistoa ja käyttävät sitä päivittäin.