Атомная «цифра»
От первых ЭВМ для АЭС — к современным ИТ-продуктам
Цифровые технологии воспринимаются большинством людей как современные и инновационные. Но база для современных достижений была заложена еще в 60–70-е годы прошлого века, когда появились первые ЭВМ — громоздкие, занимающие по несколько больших залов, по современным меркам малопроизводительные, но при этом решавшие нетривиальные задачи. В этой статье мы расскажем об истории использования вычислительных машин в атомной промышленности. Разумеется, перечисленные программы и использовавшиеся на АЭС ЭВМ и УВМ — это не исчерпывающий список, но он может дать представление о начале цифровизации и ее развитии во времена СССР. Сейчас развитие цифровых технологий — важное направление деятельности «Росатома», которое включает в себя создание программных комплексов и суперкомпьютеров, цифровых тренажеров, систем виртуальных атомных объектов, центров обработки данных и многое другое.
Первая для второй
Белоярскую АЭС можно по праву считать второй промышленной атомной станцией в СССР. Конечно, в Северске Томской области работала Сибирская АЭС, запущенная в 1958 году, и хронологически она стала второй по счету, но все же получение электроэнергии и тепла было для нее побочным продуктом: основной задачей реакторов ЭИ-2 («Энергетический Иван»), АДЭ-3, АДЭ-4 и АДЭ-5 была наработка оружейного плутония. А Белоярскую АЭС изначально строили для выработки электроэнергии. Реакторы АМБ-100 и АМБ-200 стали эволюционным продолжением реактора АМ-1 Обнинской АЭС.
Первой вычислительной машиной для реакторной установки стала ЭВМ «Карат», созданная для реактора АМБ-200. ЭВМ «Карат» была сделана еще на ламповой элементной базе (сейчас вместо ламп в производстве техники используются микросхемы) и занимала несколько больших залов. Кстати, «Карат» — это звуковая аббревиатура, складывающаяся в значимое слово. Расшифровывалось это название как «Комплексная Автоматизация Реактора АТомного».
Юрий Маслеников, один из разработчиков «Карата», вспоминал: «Цифровая система для БАЭС проектировалась в основном как чисто информационная система, отображающая состояние реактора и оборудования без функций управления (кроме положения графитовых стержней). Но она контролировала все параметры работы реактора, все действия операторов на пульте управления и, выполняя распечатку всего этого на опломбированном телетайпе, выполняла функцию черного ящика».
Отладкой «Карата» занимался в том числе Николай Куликов, который специально обучался навыкам работы с ЭВМ в Ленинграде: «Система «Карат» предназначалась для сбора информации и в случае отклонений должна была выдавать сигнал на БЩУ (блочный щит управления). ЭВМ занимала огромное помещение, самая «умная» часть приехала из Ленинграда, сигнализация была смонтирована на БЩУ в виде огромнейших табло, часть оборудования изготавливалась по спецзаказу на Украине. А я все это увязывал между собой».
«Я участвовал в доработке «Карата»: например, сделал так, чтобы она работала без постоянного контроля со стороны оператора. Мы с коллегами придумали массу хитростей, чтобы между двумя ЭВМ постоянно осуществлялся обмен информацией. Они работали параллельно: если сбилась одна, то автоматически работала вторая. Создатель «Карата» был поражен: «Как так, машина работает без оператора?!» Также мы «научили» систему рассчитывать технико-экономические показатели в режиме онлайн. Вместе с ПТО разработали техзадание, затем нашу разработку внедрила лаборатория “Карат”», — рассказывал Николай Куликов.
Оба реактора — и АМБ-100, и АМБ-200 — были остановлены досрочно из-за некоторых конструктивных особенностей, а ЭВМ «Карат» пострадала в 1978 году, и ее впоследствии не восстановили. Но эксплуатация реакторов АМБ помогла получить ценный опыт для разработки АЭС большой мощности.
Надежная «СКАЛА»
В конце 60-х годов ХХ века встал вопрос о том, что для реакторов РБМК также необходима автоматизация системы управления. И разработчиков ЭВМ «Карат» пригласили для создания новой вычислительной системы. Кстати, сам термин «автоматизация» возник в связи с применением средств вычислительной техники.
В начале 1970-х годов во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) была разработана система централизованного контроля (СЦК) «СКАЛА». Расчеты показали, что использование этой системы на реакторе РБМК позволит увеличить его мощность на 10–15%.
«СКАЛА» состояла из управляющего вычислительного комплекса УВМ «В-3М», что расшифровывалось как «управляющая вычислительная машина», и комплекса оборудования связи СЦК «СКАЛА» с объектом. Отличие управляющих вычислительных машин от ЭВМ заключалось в том, что они «в масштабе реального времени осуществляли обработку реальных сигналов сложных электротехнических комплексов и управление этими комплексами».
Внедрение началось с Ленинградской АЭС и было закреплено документом, который впоследствии получил название «Решение пяти министров». Его подписали министры Минсредмаша, Минрадиопрома, Минприбора, Минэлектротехпрома и президент АН СССР. В документе содержалось обоснование использования для автоматизации именно УВМ «В-3М» и указание на возможность масштабирования проекта на другие АЭС.
Серию вычислительных машин БЭСМ и ЭВМ М-220 разработал Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР. Первые модели (БЭСМ-1 и БЭСМ-2) были еще ламповыми: 4 тыс. электронных ламп и 5 тыс. полупроводниковых диодов.
На момент создания БЭСМ-1 (Большая электронно-счетная машина) стала самой быстродействующей машиной в Европе и одной из самых быстродействующих ЭВМ в мире: средняя производительность составляла 10 тыс. операций в секунду. БЭСМ-4 выполняла операции уже со скоростью 20 тыс. операций в секунду и занимала площадь около 65 м2. БЭСМ-6 представляла собой первую советскую суперЭВМ на элементной базе второго поколения, то есть уже не на лампах, а на транзисторах. Быстродействие ЭВМ М-220 составляло 28 тыс. операций в секунду, а размещалась она на площади около 100 м2.
Цифры и факты
К задачам вычислительного комплекса УВМ «В-3М» относились прием цифровых и аналоговых сигналов, обработка получаемой информации, выдача управляющих воздействий на другие устройства системы и выдача информации персоналу с помощью телетайпов, устройств быстродействующей печати. Для повышения надежности УВМ «В-3М» включает два взаиморезервирующих комплекта — A и B.
Комплекс оборудования связи обеспечивал прием сигналов, характеризующих состояние объекта, а также выдачу управляющих сигналов в другие системы автоматизации и на средства отображения информации, расположенные на БЩУ.
Впоследствии системы «СКАЛА» были установлены на всех АЭС с реакторами РБМК, а в конце 80-х годов прошлого века началась разработка системы следующего поколения — «СКАЛА-микро».
ВВЭРным путем: от суперЭВМ до мини-решений
Для расчета различных параметров реакторов ВВЭР использовались специальные программы. Так, например, одной из важных задач при разработке был выбор системы регулирования, ограниченный необходимостью компенсации больших запасов реактивности с характерными для ВВЭР большим диапазоном изменения температуры топлива и необходимостью работы в режиме маневрирования мощностью в соответствии с изменением нагрузки, а также малыми длинами миграции нейтронов в сочетании с трудностями размещения большого числа подвижных стержней — поглотителей нейтронов. Первые эксперименты показали необходимость создания трехмерной методики расчета полей нейтронов и распределения энерговыделения в активной зоне реактора ВВЭР. С этой целью была создана серия программ БИПР, начиная с БИПР-1, разработанной в 1962 году. Программа позволяла рассчитать критичность, эффекты и коэффициенты реактивности, эффективность органов управления реактором, а также учитывать физические явления, которые происходят в процессе эксплуатации. Программа БИПР-5 уже позволяла моделировать все возможные состояния активной зоны реактора ВВЭР. Она предполагала установку на трехадресных ЭВМ М-220 или БЭСМ-4, БЭСМ-6. Интересны некоторые названия подпрограмм БИПР-5. Так, подпрограмма для нештатного управления регулирующими стержнями называлась «СПУСК», а подпрограмма нестационарного отравления реактора ксеноном и самарием получила название «СМЕХ».
Мини-ЭВМ класса СМ использовались не только на энергоблоках с реакторами ВВЭР, но и в космических исследованиях. Например, с их помощью производилась обработка радиолокационных изображений поверхности планеты Венера.
Коротко
На АЭС применялись не только мощные вычислительные устройства. Расчеты, касающиеся систем внутриреакторного контроля (СВРК), осуществлялись на ЭВМ СМ-2М. Создавались эти ЭВМ в Институте электронных управляющих машин им. И. С. Брука (ИНЭУМ). СМ расшифровывается как «система малых» (ЭВМ). Комплексом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по СМ ЭВМ занималось более 30 институтов и предприятий СССР, Болгарии, Венгрии, ГДР, Кубы, Польши, Румынии и Чехословакии. Международное сотрудничество позволило унифицировать и сделать универсальными ряд технических и программных решений. «При разработке моделей Единой системы и СМ ЭВМ была поставлена цель обеспечить в максимальной мере их совместимость с ЭВМ, разработанными в других странах. Такая цель вполне оправданна, поскольку в противном случае наша вычислительная техника была бы изолирована от мировых достижений в области компьютерной технологии и, в частности, принципиально не имела бы доступа к накопленному в мире программному обеспечению», — рассказывал Борис Наумов, руководивший разработкой СМ ЭВМ.
Параметры ЭВМ СМ-2М покажутся нам более чем скромными: 256 Кб оперативной памяти, разбитой на четыре раздела по 64 Кб, и два процессора. Но эти «малыши» справлялись не только с расчетами, необходимыми для систем внутриреакторного контроля, но и могли рассчитать изотопный состав топлива. Для решения этих задач были разработаны программы «Гиндукуш», «Хортица», «Капри», «Курилы», получившие названия в честь географических объектов — горной системы в Центральной Азии, острова на Днепре, острова в Тирренском море, островов между Камчаткой и Хоккайдо.
«ГЕФЕСТ» для бридеров
Когда было принято решение о строительстве промышленного реактора БН-600, для обоснования безопасной эксплуатации быстрых натриевых реакторов с урановым и уранплутониевым топливом был разработан комплекс программ трехмерных нейтронно-физических расчетов «ГЕФЕСТ» (напомним, что Гефестом звали древнегреческого бога огня). Высокое качество расчетного сопровождения во многом обусловлено природой быстрого реактора, в данном случае БН-600. В отличие от реакторов с тепловым спектром нейтронов, в быстром реакторе мгновенные и запаздывающие нейтроны деления, а также поглощаемые нейтроны находятся почти в одном и том же энергетическом диапазоне быстрых нейтронов, поэтому можно уверенно гомогенизировать расчетную ячейку. Эти причины обусловливают успешное прогнозирование поведения реактора расчетными программами, созданными на базе диффузионного приближения без учета анизотропии взаимодействия нейтронов и гетерогенности среды.
Первоначально программу разрабатывали для ЭВМ ЕС-1055. Эта электронно-вычислительная машина производилась в Германии с 1979 года и была составной частью Единой системы ЭВМ стран социалистического сотрудничества — ЕС ЭВМ-2. Аппаратная основа всех компьютеров типа ЕС — платы с микросхемами размером 140 × 150 мм (так называемые ТЭЗ — типовые элементы замены, или «радиоэлектронные модули 1-го уровня»). Стандартная конструкция ЕС ЭВМ — стойка, в ней 3 рамы по 6 панелей в каждой, 40 типовых элементов замены (ТЭЗ) в панели. Эта ЭВМ занимала уже гораздо меньше места по сравнению с предыдущими аналогами, но все равно была гораздо больше, чем современные ПК.
Комплекс «ГЕФЕСТ» позволял комплексно исследовать состояние реактора, например мощность ТВС, линейную мощность твэлов, скорость реакции деления и захвата, плотность потока и флюенс нейтронов. С тех пор «ГЕФЕСТ» неоднократно переаттестовывался под разные модификации активной зоны и постоянно совершенствовался, в том числе для испытаний нитридного топлива в рамках проекта «Прорыв». А для БН-800 была создана новая версия комплекса «ГЕФЕСТ».
Сегодня и завтра
Сегодня «Росатом» уделяет большое внимание цифровизации, выпуску ПО, развитию необходимой ИТ-инфраструктуры для обеспечения технологического суверенитета страны. Госкорпорация ставит перед собой амбициозную задачу — достижение к 2030 году глобального лидерства по ряду технологий на мировом рынке цифровых решений.
Залогом успешной работы в области цифровизации является научно-технический потенциал, накопленный атомной отраслью за 80 лет развития. Еще в ходе реализации советского атомного проекта был выполнен колоссальный объем математических вычислений. Позднее стал вопрос об их автоматизации. Так постепенно нарабатывались необходимые ИТ-компетенции.
В настоящее время «Росатом» разрабатывает и активно развивает собственные цифровые решения. Стратегическая цель их внедрения — повышение эффективности производственных и технологических процессов в атомной отрасли и в компаниях — партнерах госкорпорации.
Актуальный портфель цифровых решений «Росатома» включает ряд инновационных продуктов: решения для математического моделирования физических процессов в промышленности; комплекс сервисов для управления городской средой; решение для управления жизненным циклом изделий в промышленности; специализированные приложения с интеграцией ИИ. Перечисленные цифровые решения «Росатома» включены в реестр отечественного ПО в соответствии с текущими требованиями к программным продуктам, направленным на импортозамещение и укрепление технологического суверенитета России.
В рамках деятельности, связанной с искусственным интеллектом, реализуются пилотные проекты в таких направлениях, как предиктивная аналитика, компьютерное зрение в промышленных задачах, роботизация бизнес-процессов.
В настоящее время в портфеле «Росатома» более 60 цифровых продуктов, решений и услуг по таким приоритетным направлениям, как «Математическое моделирование и НИОКР»; «Управление предприятием и производством»; «Цифровая инфраструктура»; «Управление сооружением крупных инженерных объектов»; «Информационная и физическая безопасность»; «Цифровизация городских сервисов и процессов»; «Системная интеграция и разработка ПО». Заказчики ИТ-решений «Росатома» — ведущие компании, лидеры стратегических отраслей российской экономики.
