Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 

 Профессор Б.Г. Гордон (gordon@secnrs.ru) 

В одной из своих давних статей я пошутил, что экспериментаторы в атомной энергетике постепенно вымирают, как мамонты. К сожалению, в последнее время этот процесс поддерживается  теми коллегами, от которых частенько можно услышать мнение, что роль и значение экспериментальных исследований в атомной сфере изменились: они трудны, дороги и, может быть, вообще излишни. Мол, возможности современной вычислительной математики и компьютерной техники столь велики и разнообразны, что все необходимые обоснования можно выполнить с помощью программных средств, в которых уравнения гидро- и газодинамики решаются, исходя из так называемых «первых принципов».

Подобные заявления звучат и от молодёжи, и от учёных моего поколения, мнения которых вполне достойны внимания. Хотя они сами уже не проводят ни экспериментов, ни расчётов, но участвуют в научном процессе и существенно воздействуют на академическую среду. 

Такая позиция в корне противоречит тому опыту, который я попытаюсь изложить в данных заметках. Как говорится: одни надевают наволочку на подушку, а другие – на голову. Ведь  каждому из нас собственные знания представляются уникальными и позволяют питать  иллюзию, что они могут оказаться полезными  и для других. Но ни в коем случае я не собираюсь навязывать свои взгляды, принимая лишь посильное участие в формировании научного климата в окружающей среде. Ведь я отношусь к той старой школе научных работников, в понимании которых экспериментальные исследования обязательны для изучения новых явлений,  установления истинности, проверки, верификации теоретических и расчётных результатов, но при этом вполне допускаю, что могу отстать от жизни и оказаться неправым.

Впрочем, для подкрепления своих представлений  воспользуюсь авторитетом широко известного академика П.Л.Капицы, лауреата нобелевской и ряда других премий. Так что, если я окажусь неправ, то находясь в престижной компании. В докладе 1962 года, давшем название книге /1/, содержатся его следующие мысли, воспринятые мной ещё со школьной скамьи.

«Разрыв между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой есть симптом серьёзных нарушений нормального развития науки».

«Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит ущерб прежде всего самой теории».

«Всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Гармоническое развитие теории и практики является абсолютно необходимым во всех областях естествознания».

Здесь и далее курсивом выделяются цитаты из соответствующих источников. Последовательность существительных в названии книги говорит сама за себя: эксперимент не случайно находится на первом месте, также как в названии хорошо известного журнала экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), редактором которого П.Л.Капица был долгое время. Будучи многосторонним учёным, он оставил весомые следы в разных фундаментальных и прикладных науках. Хотя приведённые цитаты сказаны им применительно к естествознанию, тем более подходят они к техническим наукам, особенно к теплофизике и гидродинамике, где многие представления основываются на эмпирических и полуэмпирических зависимостях.

 

Классификация экспериментальных установок

Мой собственный научный опыт полностью подтверждает высказанную выше позицию П.Л.Капицы. Доказывать необходимость экспериментальных исследований представляется мне попыткой ломиться в открытую дверь, но не могу исключить, что именно в настоящее время человечество обрело невиданные прежде возможности, и только моя возрастная  косность препятствует усвоению новых знаний. Надеюсь, что молодым читателям будет полезно самим оценить различные аргументы.

В начале своей работы в НТЦ БАЭ, переименованном впоследствии в НТЦ ЯРБ, в период 1987 – 1994гг. я руководил экспериментальной лабораторией, первоочередная из задач которой состояла в инвентаризации всей экспериментальной базы атомной энергетики. Результатом этой прежде невиданной организационной работы стал каталог экспериментальных установок, которые в начале 1990-х годов ещё могли бы использоваться в отечественной атомной энергетике. По завершении работы было сделано несколько публикаций, одна из которых /2/.

Это была уникальная деятельность, которую кроме нашей команды вряд ли кто сумел бы организовать в стране, так как именно недавно образованный Госатомэнергонадзор поставил такую задачу перед ещё более молодым центром. Так уж сложилось, что мы были выходцы из  школы ВТИ, где нас обучили строго исполнять все процедуры получения и представления результатов экспериментов, тщательно следовать практике научного исследования и все отклонения от правил немедленно делать достоянием гласности.

Собственно успех каталогизации экспериментальных установок был обусловлен тем, что известный профессор В.А.Сидоренко в её начале был заместителем начальника Госатомэнергонадзора, а на этапе её завершения – стал заместителем министра в Минатоме. Именно благодаря его авторитету и настойчивости открывались архивы, предоставлялись материалы старых отчётов и вполне открыто обсуждались достоинства и недостатки имевшихся результатов исследований.

Будучи по преимуществу экспериментатором я могу засвидетельствовать, что в дочернобыльские годы для получения описаний исследовательских стендов и опытных данных Гидропресса или Курчатовского института сотруднику  ВТИ нужно было проявить недюжинные усилия и дипломатические способности даже при наличии всех необходимых документов. Работникам же НТЦ БАЭ это оказалось значительно легче особенно при содействии В.А.Сидоренко.

Мы разослали специально подготовленный вопросник, отвечая на который владельцы стендов сами декларировали цели, задачи и научные области применения имевшихся установок. Окончательная версия каталога содержала сведения о, примерно, 240-ка стендов, практически, по всем направлениям научных исследований в атомной отрасли.

Это число было следствием серьёзных дискуссий и тщательного отбора. Общее количество установок, предложенных их владельцами и использовавшихся для экспериментальных обоснований объектов атомной энергетики в СССР, было раз в пять выше. Это утверждение легко проверить. Количество стендов, заявленных нами самими от лица НТЦ БАЭ и ВТИ, из которого родилась наша команда, было около 20-и. А всего только в одном ВТИ для атомной энергетики проводились исследования на более, чем сотне экспериментальных установок.

Для отбора и принятия решений была образована специальная комиссия, работу которой и организовывала наша лаборатория.  В те годы у многих экспериментаторов ещё сохранялась надежда на продолжение эксплуатации стендовой базы, на то, что хотя бы некоторые установки найдут применение в новых условиях, сложившихся в атомной отрасли после Чернобыльской аварии. Эту иллюзию питали и владельцы стендов, и члены комиссии. Был расчёт, что её авторитет и межведомственный статус позволят правильно распределить ресурсы на проведение экспериментальных исследований. Но 1990-е годы имели свою не предвиденную никем специфику (задержки зарплат, гиперинфляция, бартер и проч.), вследствие чего экспериментальная база атомной энергетики неуклонно сокращалась.

Разумеется, в настоящее время вся каталогизированная информация устарела и имеет чисто исторический интерес. Исключение может составить сама классификации, сделанная на всём массиве имевшихся в советской атомной энергетике экспериментальных установок. Нередко бывает так, что объекты исчезают, а их типология, систематизация сохраняются, как улыбка чеширского кота, оставаясь немым укором последующим поколениям.

Далее я попытаюсь кратко описать эту классификацию с комментариями, основанными на  моей собственной многолетней практике. Все установки были разделены на две основные группы: исследовательские и испытательные, как предложено в /2/. К последним относились два типа стендов. «Для испытания реального оборудования АС или её отдельных элементов, работы, направленные на модернизацию и совершенствование технологического оборудования и оптимизацию режимов её работы, – это стенды для испытаний насосов, арматуры, клапанов и т.п.». Испытательные установки другого типа служили  «для разработки и испытания специальной измерительной аппаратуры, служащей для исследования вышеперечисленных процессов».

Но большая часть экспериментальных установок относилась к научно-исследовательским стендам, классификация которых не раз публиковалась и представлена на рисунке.  Она, кстати сказать, вполне согласовывалась с представлениями зарубежных специалистов и соответствующими рекомендациями МАГАТЭ тех лет. Мы в лаборатории внимательно следили за многочисленными экспериментальными исследованиями за рубежом и активно участвовали в международных мероприятиях по совершенствованию отечественной стендовой базы.

Все исследовательские установки делились также на две группы: «для изучения отдельных процессов, происходящих на АС или в её элементах: теплогидравлических, ядерно-физических, радиохимических и т.д. На них исследуются, например, кризис теплообмена в трубах, константы химических реакций, процессы поглощения нейтронов и т.п.».

Ко второй группе относились так называемые «интегральные стенды для исследования на фрагментах оборудования АС эксплуатационных или аварийных режимов, где физические процессы проявляются совокупно, во взаимодействии: исследования на сборках, фрагментах, моделях».

Рабочие участки фрагментных стендов представляли собой части реального оборудования: многостержневые сборки различной высоты для изучения процессов в активных зонах реакторов, выгородки парогенераторов, секции теплообменников и т. д. Параметры их эксплуатации максимально приближались к номинальным. Все теплофизические реакторные стенды, как правило, были электрообогреваемыми, а их геометрические размеры, по возможности, также соответствовали реальному оборудованию.

Среди интегральных моделей отдельно выделялись крупномасштабные, структурно-подобные экспериментальные установки, которые в уменьшенных размерах моделировали целые системы АС: первый контур, второй контур, системы безопасности, СПОТ и т.п. Эти уникальные штучные стенды, по большей части, содержали элементы и модели подлинного оборудования: реактора, парогенератора, насосов и т.п. Зачастую они имели высотные отметки, соответствовавшие реальным реакторным установкам, требовали больших мощностей, затрат и разнообразных ресурсов. Поэтому эксперименты на таких стендах готовились долго, тщательно с тем, чтобы получить максимум полезной информации.

Рис. Классификация исследовательских экспериментальных стендов

Практически, в каждой стране, самостоятельно развивавшей атомную энергетику (США, Франции, Японии и др.), существовали подобные установки. Образовался своеобразный клуб международных организаций, имевших крупномасштабные, структурно подобные установки для PWR, BWR, ВВЭР, в который входил и СССР. Многообразие экспериментальных установок и тесное сотрудничество учёных, институтов и ведомств обеспечивали повышенное внимание к методам постановки опытов, технике измерений, интерпретации полученных результатов и т.п. /3/. Наряду с исследовательскими  стендами по возможности использовались результаты пуско-наладочных испытаний и переходных режимов на самих реакторных установках (РУ).

Всё сказанное выше относится преимущественно к атомной энергетике мирного назначения. Конверсионные ядерные реакторы адаптировались к атомной энергетике различными путями. Например, для реакторных установок подводных лодок на берегу сооружались полномасштабные ядерные стенды натурных размеров, максимально соответствовавшие конкретному объекту, иногда включавшие и реакторную, и паротурбинную установку. На них отрабатывались режимы эксплуатации и управления реальных ядерных энергетических установок, а также некоторые аварийные состояния, не нарушавшие целостности установок. Потом, когда эти реакторы «выползли на сушу», опыт их эксплуатации ложился в основу разработки реакторных установок для атомной энергетики.

Такая же логика была использована и при создании РБМК, для которого широко применялся опыт эксплуатации промышленных реакторов. Кстати сказать, этим объясняется то, что в каталоге экспериментальных стендов не было крупномасштабных установок для воспроизведения и изучения эксплуатационных и аварийных  режимов данного типа реакторов.

 

Предназначение экспериментов

Следует напомнить, что в СССР не было специальных атомных законов. Всё, что касалось военного применения атомной энергии, регулировалось соответствующими закрытыми нормативами. Мирное использование атомной энергии регламентировалось документами ЦК КПСС, Совета Министров и ведомственными актами, часть которых также имела разнообразные грифы секретности. В конце 1980-х годов общие тенденции демократизации советского общества и сближения с Западом оказывали определённое воздействие на законодательное обеспечение организации работ.

В те годы существовало чёткое разделение ответственности за разные виды деятельности в атомной энергетике. Например, для АС с ВВЭР научное руководство на всех этапах возведения АС и управление пуском осуществлял Курчатовский институт, генеральным конструктором реакторной установки был ОКБ «Гидропресс», оба предприятия тогда входили в Минсредмаш. Институты Минсредмаша разрабатывали конструкторскую документацию РУ, на его предприятиях производилось ядерное топливо и важнейшие элементы систем обеспечения безопасности, а большая часть теплотехнического оборудования проектировалась и создавалась на предприятиях Минэнергомаша, в состав которого входили такие известные исследовательские  институты, как ЦКТИ и ВНИАМ.  

Проектирование, сооружение АС и их последующую эксплуатацию осуществляло Минэнерго со своей мощной строительно-монтажной базой и такими исследовательскими институтами, как ВТИ, ВНИИАЭС, ЭНИН, ЭНИЦ и другие. Многие из перечисленных НИИ имели свой опыт изучения разнообразных теплотехнических процессов и собственные школы экспериментальных исследований, а наиболее старые, ещё довоенные институты (ВТИ, ЭНИН, ЦКТИ) обладали внушительными экспериментальными базами. Главным проектировщиком АС с ВВЭР были проектные организации Минэнерго: «Теплоэлектропроект», из которого позднее выделился «Атомэнергопроект», научное сопровождение и обеспечение которых осуществляли вышеперечисленные институты.

Таким образом, одни ведомства конструировали реакторные установки АС, производили для них важнейшее оборудование, другие – проектировали и строили АС в целом, а также обеспечивали их безопасность при эксплуатации.  Так что каждое министерство нуждалось в собственном комплексе экспериментальных исследований и вырабатывало свои требования к их назначению. Поэтому в каждом ведомстве опытные данные использовались для специфических, ведомственных целей и играли свои исключительные роли.

Тогдашние взаимоотношения ведомств наглядно характеризуются возникающими до сих пор дискуссиями по поводу причин Чернобыльской аварии. Многие сотрудники предприятий бывшего  Минсредмаша по сю пору искренно убеждены, что авария произошла по вине необразованного и недисциплинированного персонала АС. А работники эксплуатирующих организаций утверждают, что причины аварии крылись в неведении особенностей и сознательном сокрытии недостатков реакторной установки. Увы, оба правы!

Если, не дай Бог, крупная авария произойдёт сейчас, то среди её причин наверняка будут и  те характерные черты объектов, которые обсуждаются нами далее. Ведь сейчас, как и тогда, цели и приоритеты проведения экспериментальных исследований в каждом ведомстве формулируются по-своему, в соответствии с той мерой обязанности и значимости, которые возложены на каждого участника создания АС.

Важно подчеркнуть, что ответственность за проектирование, сооружение и безопасную эксплуатацию АС была возложена на организации Минэнерго, она устанавливалась и распределялась, в основном, ведомственными нормативными актами. В настоящее же время законодательно установлено /4/, что вся полнота ответственности за обеспечение безопасности при использовании атомной энергии лежит на эксплуатирующей организации. И, казалось бы, необходимость всех имевшихся исследований и обоснований должна осознаваться, в первую очередь, именно ею, и ей же следует культивировать их качество у всех соисполнителей и субподрядчиков. Для этого в Концерне Росэнергоатом организованы функциональные подразделения и в него входят специальные институты. Собственно ответственность за обеспечение безопасности возлагается во всём мире на эксплуатирующую организацию ещё и потому, что именно она владеет необходимыми финансовыми, людскими и материальными ресурсами, получаемыми за счёт продажи электроэнергии.

В состав стендовой базы, описанной в предыдущем разделе, входили экспериментальные установки различного предназначения, которое по-разному конкретизировалось самими учёными. Именно сформулированный нами тогда перечень целей экспериментальных исследований представляет интерес и сегодня.

Понятно, что, прежде всего, новый объект возникает в уме его создателя, и в первую очередь следует показать, что теоретическая идея реализуема в наличном материале, с помощью имеющихся средств и технологий. И  делается это преимущественно наглядным, опытным путём.

Затем нужно исследовать те физические, химические и прочие процессы, которые происходят при различных режимах эксплуатации объекта. И  сделать это можно только на экспериментальных установках, так как необходимо показать, что объект работоспособен, что используемые вещества и материалы совместимы друг с другом на достаточно длительном отрезке времени эксплуатации.  Для этого проводятся ресурсные испытания, изучаются условия естественной деградации, старения, влияния радиации, напряжения и т.п.

Так как объект состоит из целого ряда систем и элементов, должно быть экспериментально показано, что каждая его часть может существовать и быть работоспособной. Причём наименее совершенный элемент лимитирует существование и работоспособность всего объекта. Это напоминает охоту на волков с флажками: если где-то не окажется флажка, то туда-то и ускользнёт зверь. Вряд ли существование и работоспособность объекта могут доказываться чисто расчётными средствами.

И только потом следует показать, что объект безопасен для человека и окружающей среды, что проектные решения оптимальны, эксплуатационные и аварийные режимы управляемы и т.д.

В последующие годы мне неоднократно и по разным поводам приходилось формулировать цели научных исследований в атомной энергетике, основные из которых перечислены ниже и субъективно расставлены мной в порядке убывания приоритетов. Этот перечень является идеологической сердцевиной данной статьи:

1.      Изучение нейтронно-физических, теплофизических, физико-химических и других эксплуатационных и аварийных процессов в геометрии и оборудовании объекта, доказательства его существования.

2.      Обоснование  принятых проектных решений, обеспечивающих работоспособность объекта.

3.      Обеспечение и обоснование радиационной безопасности человека и ядерной безопасности объекта при всех режимах его эксплуатации.

4.      Оптимизация конструкций применяемого оборудования.

5.      Моделирование и отработка систем контроля, управления и запуска.

6.    Выбор и проверка натурных средств диагностики, измерения, контроля и автоматики.

7. Накопление опыта работы с новыми материалами, реальными теплоносителями,      оборудованием и т. п.

Иными словами, эксперименты проводились для того, чтобы объект был работоспособен, безопасен, автоматизирован, эксплуатировался оптимальным образом и т.п. Причём, совершенно очевидно, что для достижения всего веера целей нужно проводить разные эксперименты, в различной геометрии и масштабе, а некоторые из перечисленных целей вообще могут достигаться только экспериментальными методами. В советские времена это понимание культивировалось  всеми без исключения заинтересованными государственными ведомствами, отвечавшими за качество перечисленных свойств объекта.

Разумеется, необходимы экспериментальные исследования для научной поддержки регулирующего органа, но они погоду не делали и поэтому здесь не рассматриваются.

Важно отметить, что большинство энергетических реакторных установок имели теплоносителем воду, свойства которой и условия  взаимодействия с конструкционными материалами были хорошо известны из обычной теплоэнергетики. И, тем не менее, множество опытов ставилось для того, чтобы обеспечить выполнение режимных параметров, качество теплоносителя, прочность трубопроводов и другие характеристики объектов за всё время эксплуатации и в геометрии РУ.

Вместе с тем, высокая концентрация энергии на ядерных установках накладывала свои специфические требования к экспериментальным исследованиям. Именно высокая концентрация энергии на АС, важность воспроизведения аварийных сценариев и эмпирический характер теплогидравлических корреляций лежали в основе общемирового понимания необходимости сооружения достаточно дорогих и сложных в эксплуатации фрагментных и структурно-подобных крупномасштабных стендов для изучения ресурсных, эксплуатационных и аварийных режимов.

Надо напомнить, что в прежние годы существовала и такая точка зрения, что тяжёлые аварии на АС столь редки, что в принципе не могут быть предметом науки, так как не обладают такими необходимыми качествами объекта научного исследования, как повторяемость и воспроизводимость. Поэтому экспериментальное изучение аварийных режимов должно проводиться на установках максимально возможного, приближенного к реальности  размера.

Для развития науки очень важно сочетание конкуренции и сотрудничества разных ведомств и их институтов, у которых существуют свои цели, задачи и интересы, в обеспечение которых организуются собственные исследования. Конечно, расчётно-аналитические исследования значительно дешевле, удобней и быстрее экспериментальных, особенно крупномасштабных, так как не нуждаются в специфической инфраструктуре и логистике обеспечения экспериментов.

Те, кто хотя бы раз проводил экспериментальное исследование в области технических наук  самостоятельно от замысла до представления результатов в научных журналах, прекрасно понимают, о чём идёт речь. Чтобы создать теплофизическую экспериментальную установку, нужно иметь складские резервы материалов и оборудования, датчиков и вторичной аппаратуры. Нужны запасы воды, пара, сжатого воздуха, генераторы электроэнергии и другие источники веществ и энергии. Должен быть станочный парк и разнообразные специалисты, умеющие конструировать и создавать специфическую штучную продукцию: инженеры, токари, сварщики, слесари и т.п.  Надо иметь комплекс поверочных и калибровочных установок, на которых тарируются все измерительные средства. Или же нужна разветвлённая система аутосорсинга для выполнения всех требуемых работ и услуг. И, наконец, необходима команда экспериментаторов, способных организовать исследования и вдохнуть душу во всю эту технику.

Вместе с тем, следует помнить о существенных различиях в постановке стационарных и нестационарных экспериментов не только в методике измерений, но именно по их предназначению и последующей интерпретации результатов. Не надо забывать, что отнюдь не все эксперименты ставятся для сопоставления с расчётами, хотя, на мой взгляд, все расчёты нуждаются в экспериментальном подтверждении.

Всё сказанное выше имеет особенное значение для инновационных  объектов, прежде всего, тех, где используются новые материалы, теплоносители и параметры их эксплуатации. В этом случае необходимо проведение экспериментов для изучения отдельных эффектов, для исследования таких процессов, режимов и условий, в которых прежде не нуждалась практика использования атомной энергии. Поэтому особую роль играют интегральные эксперименты, в которых отдельные эффекты накладываются друг на друга и проявляются совместно: пределы прочности при эксплуатационных температурах, скорость химических реакций при номинальном давлении, коррозия под напряжением и т.п.

 Иногда кажется, что понимание многообразия целей экспериментов просто со временем утеряно. То, что опыт является основой  естествоиспытания забыто, и, по общему мнению, единственной очевидной целью экспериментов является только верификация программных средств, а это всего лишь один из пунктов  в вышеприведённом перечне целей.  Да и то потому, что в целом ряде федеральных норм и правил (ФНП) содержится требование аттестации кодов, используемых для обоснования безопасности АС. А в основе аттестации лежит процедура верификации расчётных результатов на базе экспериментов.

Но и она, на мой взгляд, упрощена и выхолощена в силу отсутствия необходимых экспериментальных установок. В послечернобыльский период, когда проблемы ядерной безопасности встали в полный рост, непременным и важнейшим этапом верификации были так называемые «проблемы безопасности», о которых сейчас не все даже имеют представление. Они организовывались на базе какого-то конкретного эксперимента, проведённого, как правило, на крупномасштабном  стенде.  Его результаты до времени были неизвестны участникам, выполнявшим расчёты, зато описание установки, исходные данные, начальные и граничные условия эксперимента рассылались всем участникам исследования проблемы безопасности.

Те проводили претестовые, «слепые» расчёты режима, и только потом получали доступ к опытным данным для сопоставления с расчётными результатами, корректировки кода и проведения уже посттестовых расчётов. И если программы для расчётов аварийных режимов ВВЭРов более-менее верифицировались на ряде установок Гидропресса, стендах ИСБ и ПСБ ВВЭР в ЭНИЦе, КС в Курчатовском институте, то для реакторов с инновационными реакторами, экзотическими теплоносителями и конструкционными материалами такие процедуры ещё предстоит провести. И не надо быть авгуром, чтобы предсказать прямую связь между новизной объекта и объёмом необходимых экспериментальных исследований.

 

Особенности расчётов

Среди используемых в атомной энергетике программных средств (ПС) особое место занимают те, которые претендуют на математическое моделирование реальных реакторных установок или их важнейших систем и элементов. Посредством этих ПС рассчитываются параметры аварийных режимов, чьи сценарии не могут быть воспроизведены на реальных объектах. В обычной теплоэнергетике осуществляется целый комплекс пусконаладочных испытаний, часть которых может служить для сопоставления с результатами верификационных расчётов. Но большинство таких испытаний просто невозможно провести на эксплуатируемых АС из-за высокой концентрации энергии в реакторах и опасности инициирования ядерных аварий.

Поэтому обоснования ядерной безопасности АС основываются на расчётах пределов повреждения твэлов и других критериев обеспечения безопасности при любых, в том числе, и аварийных режимах. Точность и правильность этих расчётов доказываются специальной системой верификации на базе всех имеющихся результатов экспериментов, необходимых для обоснования безопасности. Но так как эксперименты значительно более сложны, затратны, чем расчёты, и нуждаются в специальной инфраструктуре, то количество экспериментальных исследований снижалось обратно пропорционально развитию разнообразных ПС.

Их возможности возрастали в процессе совершенствования. Сначала это были коды наилучшей оценки (Best Estimate Codes), затем CFD коды (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика)  и, наконец, DNS коды (Direct Numerical Simulation – прямое численное моделирование). Надежды на то, что уравнения гидро- и газодинамики, решаемые, исходя якобы из «первых принципов», не нуждаются в полномасштабных экспериментальных обоснованиях, во многом связаны с появлением этих типов ПС. В частности, не раз доводилось слышать от весьма авторитетных учёных заявления, что применение DNS кодов позволяет отказаться от проведения экспериментов на так называемых интегральных установках, структурно подобных реальным объектам.

По своему возрасту и кругу занятий я не участвовал впрямую в расчётах по этим кодам и составил своё представление о них сугубо по косвенным признакам. По моему пониманию в отсутствие самосовершенствующихся программных средств в любом из них содержится только то, что заранее было заложено человеком. И эти коды своему распространению обязаны не каким-то математическим новшествам или последним достижениям теоретической физики, а взрывному развитию за последние годы компьютерной техники с её фантастическим  ростом быстродействия и памяти.

В этих кодах разными методами решаются те же уравнения Навье-Стокса, Эйлера или Громеки-Лэмба, что и в прежних программах, выбирая вид уравнений и метод их решения в зависимости от характера течения и целей расчёта. Просто при численном решении этих уравнений пространственные и временные интервалы разбиения потока могут быть весьма малыми, количество расчётных ячеек громадно и, соответственно, необходимы очень мощные и быстродействующие компьютеры. Однако хорошо известно, что множество проблем в расчётах связано не только с решением уравнений, но и с правильностью задания граничных условий, а в расчётах нестационарных процессов – и с начальными условиями. Для проверки этой правильности как раз и нужны разнообразные экспериментальные результаты.

Разноцветные движущиеся картинки так называемого «видео для начальства», с помощью которых представляются результаты расчётов по таким кодам, создают иллюзию точности и качества продуктов численного решения уравнений. Но понятно, что если в уравнениях CFD кодов произвольно использована модель турбулентности или в DNS кодах не учтено имеющее место какое-то воздействие, то результаты могут оказаться ошибочными. И, чтобы установить наличие этого воздействия, необходимо искать специальные доказательства и методы проверки, в числе которых должно использовать и эксперименты. Другое дело, что малость конечных разностей, объёмов или элементов, казалось бы, требует для сопоставления весьма чувствительных и тонких измерений, но всегда остаётся возможность сравнения по интегральным, усреднённым или конечным параметрам.

Вместе с тем, полезно напомнить, что так называемые «первые принципы» представляют собой не более, чем метафору, так как ни в каких нормативах не определены ни их состав, ни их содержание. По существу, речь идёт о законах сохранения массы, энергии, импульса, которые, как хорошо известно, сами являются не более, чем гипотезами, то есть нуждаются в постоянных экспериментальных и логико-математических доказательствах.

 Вследствие  различных обстоятельств мои международные контакты в последнее время существенно ограничены. Но будучи лично знаком с многими ведущими зарубежными специалистами в области расчётов аварийных режимов АС, легко могу себе представить их реакцию на публичное предложение где-нибудь на площадке МАГАТЭ или OECD  подменить экспериментальные исследования вычислительными методами. Даже если они основываются на наипервейших принципах.

Вместе с тем, голословные и завышенные ожидания от результатов компьютерных расчётов разрушают инфраструктуру, без которой экспериментальные исследования просто не могут проводиться. Эксперименты важны, как дыхание для человека: при длительном перерыве происходят необратимые явления во всём организме. Эйфория от возможностей расчётных обоснований потенциально опасна ещё и тем, что ограничивает потребность в исследованиях совместно протекающих процессов таких, как ресурсные испытания при эксплуатационных параметрах, термоциклическая прочность, коррозия под напряжением и т.п.

Во всяком случае, представляется очевидным, что посредством одних расчётов вряд ли возможно достижение в полном объёме тех целей, которые перечислены в предыдущем разделе. И согласно отечественному законодательству следить за этим, организовывать и финансировать необходимые исследования должна бы та эксплуатирующая организация, которая впоследствии будет отвечать за работоспособность, безопасность и эффективность объекта.

Заключение

Прекрасно, когда «расцветают все цветы» и широко развиваются расчётные и теоретические исследования. Но их  распространение нуждается в сопутствующем проведении необходимого комплекса экспериментов. И весь накопленный опыт непреклонно свидетельствует, что использование расчётно-вычислительных новаций не исключает эмпирических исследований, а по-прежнему, нуждается в согласованных с расчётами экспериментах, на которых проверяется правильность результатов обоих.

В последние годы в соответствии с законом /4/ и по инициативе Ростехнадзора широко развилась система руководств по безопасности (РБ), которые содержат, в частности, рекомендации «по проведению экспертиз и оценке безопасности». Собственно вся система аттестации кодов организована с помощью нескольких РБ, которые регулярно совершенствуются и пересматриваются. Но следует помнить, что таким путём достигается только одна цель из перечня, приведённого выше, – оценка обоснования безопасности, так как именно она находится в компетенции регулирующего органа. А эксплуатирующие организации согласно законодательству отвечают за достижение всех остальных целей.

Поэтому пока ещё живы те, кто помнят, зачем ставятся эксперименты, может быть, пришла пора для разработки не рекомендаций, а требований к организации экспериментальных обоснований реакторных установок, направленных на достижение всех перечисленных ранее целей в форме обязательного документа статуса ФНП. Эти требования основывались бы на  кумулятивном опыте специалистов и организаций разных ведомств в этой области, содержали бы перечень обязательных типов экспериментальных исследований, который включал бы в себя то, что иногда называют набором тестов, необходимых для аттестации. Такой документ, несомненно, препятствовал бы необоснованным новациям в этой весьма чувствительной и поэтому консервативной сфере. Инициатором и организатором разработки такого ФНП, в первую очередь,  могли бы стать организации, заинтересованные в достижении всего комплекса вышеперечисленных целей, а другие причастные организации, включая ФБУ «НТЦ ЯРБ», могли бы принять самое активное участие в этой деятельности.

Но возможно и иное развитие событий. В настоящее время много разговоров ведётся о цифровизации, о применении нейросетей, искусственного интеллекта и других информационных систем для адекватных обоснований ядерной безопасности АС. Может быть, мы, действительно,  находимся в самом начале некоего нового научного процесса, последствия которого пока ещё невозможно представить. Ведь прогнозы делаются не для того, чтобы предугадать будущее, а чтобы сделать следующий шаг в правильном направлении.

В конце концов,  наше поколение стало свидетелем возникновения целого ряда уникальных и необыкновенных технологий в космосе, ядерной физике, генетике, информатике и т.д. Поэтому нельзя исключать, что на наших глазах опять происходит чудо дивное – очередная дефлорация научной методологии, позволяющая отказаться от многих экспериментальных исследований в пользу расчётных.

Но развитие этой тематики остаётся за пределами моего опыта и данной статьи. А пока, так сказать: «Выпьем за эксперимент! Не чокаясь».

Литература

1. Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика. Изд. «Наука», М., 1997.

2. Гордон Б.Г., Уголева И.Р., Григорьев А.С. Отечественная  экспериментальная база атомной энергетики. Доклад на 8-й Всесоюзной конференции «Двухфазный поток-90», т. 1, стр. 316-317, Л.1990.

3. Гордон Б.Г. Моделирование теплогидравлических процессов на крупномасштабных исследовательских установках. Теплоэнергетика, № 6, 1993. 

4. Федеральный закон №170-ФЗ от 21.11.1995г. «Об использовании атомной энергии».