Известия РАН. Энергетика, 2020, № 2, стр. 49-58

ВВЕДЕНИЕ

Вопросам утилизации радиоактивных отходов (РАО) в настоящее время уделяется достаточно много внимания [1, 2]. К сентябрю 2019 г., согласно данным Международного агентства по атомной энергии, в мире функционирует 449 энергетических ядерных реакторов, в том числе: в США – 96, Франции – 58, Китае – 48, Японии – 37, России – 36, Республике Корея – 25, Индии – 22, Англии – 15, Германии –7 [3].

Актуальность работы в области создания новых методик проектирования установок с ядерно-оптическим преобразованием (ЯОП) энергии, использующих в качестве топлива радиоактивные отходы (РАО), обусловлена:

• проведением в настоящее время работ по разработке новых ЯЭУ повышенной мощностью (свыше 1000 МВт) [4], которые после вывода из эксплуатации становятся радиоактивными объектами. Необходимо осуществлять замкнутый цикл получения и использования ядерного топлива, включая его утилизацию;

• отсутствием на сегодняшний день глубоких проектных проработок установок с ЯОП на основе РАО, включающих уровни внешнего и внутреннего проектирования (конструкционно-компоновочная, конструкционно-силовая схема, теплонапряженное состояние узлов и агрегатов, динамические характеристики) перспективных установок с ЯОП энергии отработанного ядерного топлива;

• отсутствием результатов проектных работ по техническому облику установок с ЯОП энергии, когда РАО или отработанное ядерное топливо (ОЯТ) являются первичным источником энергии;

• необходимостью исследования задачи энергетических, радиационных, теплофизических, массогабаритных характеристик установок ЯОП, создания проектного облика установок ЯОП, определения его массово-энергетических и динамических характеристик, разработки конструкционно-силовой схемы, моделей теплонапряженного состояния его узлов и агрегатов;

• необходимостью создания современного программного обеспечения для проведения расчётов внешнего и внутреннего проектирования в рамках единой электронной модели, позволяющей исследовать на каждом этапе проектирования массогабаритные и динамические характеристики установок ЯОП на ОЯТ с учетом теплонапряженного состояния узлов и оптимизировать их конструкцию.

Состав предлагаемой установки с ЯОП энергии ОЯТ (или РАО) может быть следующим [5, 12, 13]:

– активная зона с ампулами, заполненными ОЯТ, и прокачкой рабочей лазерно-активной среды (ЛАС), снабженная устройством теплоотвода;

– фотопреобразующая система с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), работающими под действием излучения из ЛАС;

– радиационная защита, расположенная вокруг активной зоны;

– система коммутации ФЭП;

– система контроля и управления;

– система регулирования и аварийной защиты.

На рисунке 1 приведена укрупненная схема установки утилизации РАО с ЯОП энергии радиоактивных отходов при утилизации.

Рис. 1.

Схема установки утилизации РАО с ЯОП преобразованием энергии отходов, t_1/2 – период полураспада, E_γ – энергия гамма-кванта.

Для поиска оптимального решения указанной задачи целесообразно провести оценки массовой доли ОЯТ, которую необходимо загрузить в установку с ЯОП, чтобы получить требуемую величину электрической энергии на выходе. Это позволит сформировать требования к узлам и агрегатам установки с ЯОП ОЯТ, ее конструкционно-компоновочной схеме, массогабаритным характеристикам, теплофизическому состоянию ее узлов и агрегатов, так как именно эти параметры определяют прочностные и динамические характеристики и позволяют определить проектный облик, сформировать конструкционно-силовую схему всей установки [9].

Такой подход предопределяет формирование системы многоуровнего проектирования установки с ЯОП ОЯТ:

– внешнее проектирование (энергофизическое и массоэнергетическое, которое определяет требования к характеристикам установки с ЯОП, обеспечивающей выполнение энергетической задачи);

– формирование технического облика установки с ЯОП и построение трехмерной твердотельной модели конструкционно-компоновочной схемы ее активной зоны (основного элемента с учетом полученных результатов исследования на этапе внешнего проектирования, используемых в конструкционном варианте);

– внутреннее проектирование (создание конструкционно-силовой схемы активной зоны установки с ЯОП);

– формирование технических решений по созданию трехмерной конечно-элементной модели конструкционно-силовой схемы установки с ЯОП на основе данных предыдущих уровней проектирования и исследование прочностных и жесткостных характеристик вариантов проектных решений с учетом теплонапряженного состояния агрегатов и узлов.

СИСТЕМА МНОГОУРОВНЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В РАМКАХ ЕДИНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЛИКА УСТАНОВКИ С ЯДЕРНО-ОПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Система многоуровневого проектирования установки с ЯОП на основе утилизации РАО в рамках единой электронной модели связывает:

– уровень внешнего проектирования с формированием рационального технического облика установки с ядерно-оптическим преобразованием энергии РАО (ОЯТ) и построением трехмерной твердотельной модели конструкционно-компоновочной схемы;

– уровень внутреннего проектирования (создание трехмерной модели конструкционно-силовой схемы с учетом теплонапряженного состояния агрегатов и узлов установки с ЯОП ОЯТ).

Это означает, что в рамках единой электронной модели необходимо осуществить исследование энергофизической и массоэнергетической задачи, теплонапряженного состояния с помощью пакета трехмерного конечно-элементного моделирования “MSC.Patran” [5, 9, 10] и динамики конструкции установки ЯОП с выходом на массово-габаритный анализ ее узлов и агрегатов.

На основании этого была разработана новая система многоуровневого проектирования в рамках единой электронной модели проектирования установки ЯОП энергии РАО, представленная на рис. 2.

Рис. 2.

Система многоуровневого проектирования установки по утилизации РАО с ЯОП энергии РАО.

Проектирование установки ЯОП на основе ОЯТ (РАО) начинается с внешнего уровня исследования ее энергофизических и массоэнергетических характеристик [9].

Внешний уровень проектирования включает следующие этапы:

– энергофизического и массоэнергетического проектирования;

– формирования проектного облика;

– исследования и проектирования геометрических характеристик агрегатов с учетом их теплового состояния (ампул с РАО – источника первичной энергии);

– построения трехмерной твердотельной модели конструкционно-компоновочной схемы установки (активной зоны).

Все этапы увязаны в единую цепочку, имеющую обратные связи (уточнение удельных масс агрегатов на трех последних этапах). Наличие обратной связи этапов позволяет совершать итерации по изменению массо-геометрических характеристик на уровне внешнего проектирования (так как проектирование ведется с учетом температурного режима агрегатов).

Входными данными для этапа «энергофизического проектирования» являются:

– основным источником проникающей радиации ОЯТ реакторов является γ-излучение Cs¹³⁷(период полураспада 30 лет) с энергией E_γ = 662 кэВ [11];

– в качестве активной среды задана смесь аргона и азота Ar–N₂ (в соотношении 45 : 1), излучающая преимущественно в диапазонах длин волн 350–410 и 750–1050 нм на переходах C → B и B → A молекулы азота N₂ соответственно [12, 13];

– ампула с ЯОТ характеризуется предварительно оцененными следующими геометрическими параметрами: диаметром d = 0.5 м и высотой h = 1 м;

– задается количество ампул (200–220 шт.);

– задается давление активной среды от 0.5 МПа до 1 МПа;

– задается гамма-активность жесткого ионизатора: скорость f = 8.6 × 10¹⁶ распадов/(м³ ⋅ с).

Более подробно связи и алгоритм этапа энергофизического проектирования приведены на рис. 3.

Рис. 3.

Этап энергофизического проектирования: линия 1 – обратная связь по влиянию полученных энергетических решений на оптимальные выходные параметры ЯОП установки по утилизации РАО; линия 2 – обратная связь по влиянию выходных параметров массоэнергетической модели на оптимальные выходные параметры ЯОП установки по утилизации РАО; линия 3 – выходные параметры этапа энергофизического проектирования (являются входными параметрами для массоэнергетической модели).

Массоэнергетическая модель проектирования представляет собой систему уравнений, связывающих параметры:

– зависимости удельной мощности P излучения и КПД смеси Ar–N₂ от концентрации азота [N₂] для давлений аргона 0.5 и 1 МПа при частоте ионизации ν = 10^–17 с^–1;

– зависимости оптимальной концентрации азота от частоты ионизации для различных полных давлений Ar–N₂-смеси;

– зависимости удельной мощности излучения P и КПД от температуры Ar–N₂ (45 : 1) смеси для различных частот ионизации ν;

– зависимости удельной мощности излучения P от давления Ar–N₂ смеси для различных частот ионизации. Концентрация азота в каждой расчетной точке задавалась оптимальной по КПД;

– зависимость нагрева Ar–N₂ смеси ΔT от скорости прокачки w через активный объем ЯОП при удельной мощности тепловыделения в q = 0.001; 0.1 и 1 Вт/см³;

– зависимость перепада температур от стенки к газу от скорости прокачки w через активный объем ЯОП при указанной удельной мощности тепловыделения;

– зависимость перепада температур внутри стенки ампулы от удельной мощности тепловыделения;

– зависимость мощности, требуемой для прокачки газовой смеси, через весь газодинамический контур ЯОП-установки, от скорости прокачки w газа.

Выходными данными являются варианты энергомассовых решений активной зоны установки ЯОП ОЯТ в зависимости от:

– удельной плотности мощности тепловыделения;

– давления газовой смеси;

– скорости движения газа.

В результате определяется поле параметров установки с ЯОП ОЯТ для расчета масс агрегатов, а именно:

– полный расчетный КПД смеси;

– однородность энерговыделения в газе;

– максимальная расчетная электрическая мощность;

– максимальная расчетная тепловая мощность тепловыделения в газе.

Исходя из величины расчетных масс установки ЯОП с ОЯТ, выбираются варианты, позволяющие осуществить генерирование требуемой электрической энергии. В результате формируются требования к величинам удельной массы ее агрегатов и узлов.

На рисунке 4 приведен алгоритм системного проектирования на этапе массоэнергетического исследования.

Рис. 4.

Этап массоэнергетического проектирования: линия 1 – обратная связь по влиянию полученных энергетических решений на оптимальные выходные параметры ЯОП установки по утилизации РАО; линия 2 – обратная связь по влиянию выходных параметров массоэнергетической модели на оптимальные выходные параметры ЯОП установки по утилизации РАО; линия 3 – выходные параметры этапа энергофизического проектирования (являются входными параметрами для массоэнергетической модели).

Формирование проектного облика установки ЯОП ОЯТ представляет собой исследование вариантов массоэнергетического проектирования по различным критериям (конструкторским, технологическим, стоимостным и так далее) и выбор оптимальных значений из вариантов полей полученных решений. В результате формируется проектный облик установки ЯОП с необходимым составом агрегатов и их масс (в первом приближении) для заданного энергетического режима. После выбора требуемых выходных параметров (на этапе проектного облика) происходит уточнение результатов на этапе энергофизического и массоэнергетического проектирования.

Входными данными этапа “проектирования массово-габаритных и массово-центровочных характеристик” являются результаты масс агрегатов установки с ЯОП ОЯТ, полученные на этапе формирования проектного облика.

Выходными данными являются массово-габаритные и массово-центровочные характеристики этих же агрегатов:

– тип конструкции – “газгольдер”;

– диаметр газгольдера;

– количество загружаемых ампул с РАО;

– объем газгольдера;

– количество подводящих патрубков газовой смеси;

– количество отводящих патрубков газовой смеси;

– силовые элементы для крепления газгольдера;

– масса азотно-аргоновой смеси для прокачки;

– количество теплообменников;

– массогеометрические характеристики ФЭП Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS);

– масса газгольдера с трубопроводами (подача и отвод газовой смеси).

Целью этапа “исследования и проектирования геометрических характеристик агрегатов установки ЯОП ОЯТ с учетом их теплового состояния” является исследование полей проектных решений геометрических характеристик активной зоны с учетом ее теплового состояния, которое в значительной степени влияет на конструкционно-компоновочную схему установки ЯОП радиоактивных отходов.

В результате исследования теплового состояния активной зоны установки ЯОП ОЯТ происходит уточнение ее геометрических и массовых характеристик по этапу “проектирования массово-габаритных и массово-центровочных характеристик”.

По завершении данных этапов переходят к этапу внутреннего проектирования узлов и агрегатов энергоустановки с ЯОП ОЯТ.

Входными данными для построения трехмерной твердотельной модели конструкционно-компоновочной схемы установки ЯОП ОЯТ являются следующие результаты предыдущих этапов внешнего проектирования: величины массово-габаритных, массово-центровочных характеристик агрегатов и ее проектный облик.

Конструкционно-компоновочная схема представляет собой совокупность конструкторских решений, полученных на предыдущих этапах внешнего проектирования и реализованных в трехмерной твердотельной модели, построенной в пакете трехмерного моделирования “SolidWorks” [10, 14] (“ProIngener”, “Unigaficks”).

Результатом проектирования является трехмерная твердотельная модель конструкционно-компоновочной схемы установки ЯОП ОЯТ, построенная в пакете “SolidWorks”. В результате построения конструктивно-компоновочной схемы происходит уточнение удельных масс агрегатов, за счет обратной связи величины γ вводятся в этап энергофизического и массоэнергетического проектирования, и осуществляется очередная итерация уровня внешнего проектирования.

Внутреннее проектирование подразумевает формирование технических решений по созданию трехмерной конечно-элементной (КЭ) модели конструкционно-силовой схемы установки ЯОП ОЯТ на основе результатов предыдущих уровней внешнего проектирования и исследование прочностных и жесткостных характеристик вариантов проектных решений трехмерной твердотельной модели конструкционно-компоновочной схемы с учетом теплонапряженного состояния узлов и агрегатов.

Для создания КЭ модели активной зоны установки ЯОП ОЯТ на этапе внутреннего проектирования используется пакет трехмерного конечно-элементного моделирования “MSC.Patran” [15–19] (универсальная интегрирующая среда для системного анализа, моделирования и проектирования). В качестве среды, в которой производится решение тепловых, прочностных и динамических задач, используется пакет “MSC.Nastran” [16–19] (комплексный пакет линейного и нелинейного анализа конструкций для решения тепловых, прочностных и динамических расчетов).

Внутренний уровень проектирования включает следующие этапы:

– создания трехмерной конечно-элементной модели конструкционно-силовой схемы;

– исследования прочностных и жесткостных характеристик “холодного” состояния активной зоны;

– исследования прочностных и жесткостных характеристик активной зоны при рабочих температурах;

– исследования прочностных и жесткостных характеристик в рамках полноценной электронной конечно-элементной модели установки ЯОП ОЯТ.

Входными данными для создания трехмерной КЭ модели конструкционно-силовой схемы являются: трехмерная твердотельная модель конструкционно-компоновочной схемы (созданная в системе твердотельного моделирования “SolidWorks”) и величины массово-габаритных и массово-центровочных характеристик агрегатов установки ЯОП ОЯТ, сформированные на уровне внешнего проектирования. Создание конструктивно-силовой схемы происходит по следующему принципу: производится экспортирование модели конструкционно-компоновочной схемы из системы твердотельного моделирования “SolidWorks” в систему конечно-элементного моделирования “MSC.Patran”.

На элементы конструкции, узлы и агрегаты накладываются характеристики свойств материалов. Проводится сравнение характеристик конечно-элементной модели (обратная связь на этапе внешнего проектирования). Для проведения расчетов к конечно-элементной модели прикладывается модель воздействия (модель нагрузок).

В пакете “MSC.Patran” КЭ модель установки ЯОП ОЯТ строится из групп, то есть, элементы конструкции, агрегаты и узлы находятся в одной модели, но разделены на группы. Для расчета прочностных и жесткостных характеристик “холодного состояния” используется пакет “MSC.Nastran”.

Входными данными для расчета прочностных и жесткостных характеристик ЯОП-установки с РАО является трехмерная КЭ модель конструкционно-силовой схемы, созданная в пакете “MSC.Patran” на предыдущем этапе внутреннего проектирования. Файл включает в себя КЭ модель, модель воздействия, условия закрепления и свойства материалов.

Пакет “MSC.Nastran” включает в себя два приложения:

1) тепловой анализ – “MSC.Nastran (Thermal)”;

2) прочностной и динамический анализ – “MSC.Nastran (Structural)”.

Так как расчет КЭ модели проводится без учета тепловых нагрузок, то используют приложение “MSC.Nastran (Structural)".

Так как в установке ЯОП ОЯТ одним из главных элементов является активная зона, где происходит генерирование излучения при ядерной накачке и его преобразование в электричество с помощью ФЭП, необходимо провести ее исследование в рамках полноценной КЭ модели конструкционно-силовой схемы.

По результатам исследования необходимо провести оптимизацию массово-габаритных характеристик активной зоны установки ЯОП ОЯТ и учесть их влияние на нее в целом – в рамках полноценной КЭ модели конструкционно-силовой схемы.

Выходными данными являются: поля перемещений, деформаций, а так же собственные частоты и формы колебаний с учетом теплонапряженного состояния.

По полученным результатам происходит уточнение удельных масс агрегатов и узлов установки ЯОП ОЯТ, за счет обратной связи величины γ вводятся в этап энергофизического массоэнергетического проектирования, осуществляется очередная итерация уровня внешнего проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана система многоуровневого проектирования энергоустановок ядерно-оптического преобразования энергии на основе отработанного ядерного топлива в рамках единой электронной модели.

2. Представлены алгоритмы проектирования на этапах внешнего проектирования – энергофизического и массоэнергетического.

3. Показана методика внутреннего проектирования узлов и агрегатов энергоустановки ЯОП ОЯТ на основе пакета “MSC.Nastran”.