Известия РАН. Энергетика, 2020, № 2, стр. 49-58
К вопросу о системном проектировании и проектном облике установки по утилизации отработанного ядерного топлива с ядерно-оптическим преобразованием энергии
И. Н. Хиблин 1, А. В. Карелин 2, В. В. Онуфриев 3, *, В. В. Синявский 4
1 Научно-производственная корпорация “Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы” им. А.Г. Иосифьяна
Москва, Россия
2 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
Королев, Россия
3 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Россия
4 Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С.П. Королёва
Королев, Россия
* E-mail: onufryev@bmstu.ru
Поступила в редакцию 17.02.2020
После доработки 25.02.2020
Принята к публикации 27.02.2020
Аннотация
Накопление радиоактивных отходов (РАО) и отработанного ядерного топлива (ОЯТ) требуют поиска новых способов утилизации их с целью снижения их количества в Земной экосфере. В этой связи перспективным способом рассматривается утилизация РАО с применением ядерно-оптического преобразования (ЯОП) энергии РАО в электрическую. В работе приведена система многоуровневого проектирования энергетической установки с ядерно-оптическим преобразованием энергии на основе РАО (энергетическая утилизация). Рассмотрены уровни проектирования, их взаимосвязь и алгоритм проектирования энергетической установки на основе единой электронной модели в среде “MSC.Patran”. Результаты работы могут быть полезны при разработке установок с ЯОП.
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.
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.
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 Eγ = 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.
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.
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”.
Список литературы
Мальковский В.И., Юдинцев C.В., Гупало В.С. Оценка безопасной изоляции твердых радиоактивных отходов в приповерхностных хранилищах //Атомная энергия, 2019. Т. 126. № 2. С. 102–108.
Баторшин Г.Ш., Кириллов С.П., Мясоедов Б.Ф. и др. Комплексное выделение ценных компонентов из техногенных радиоактивных отходов как вариант создания рентабельного ЗЯТЦ // Вопросы радиационной безопасности. 2015. № 3. С. 30–36.
МАГАТЭ. Информационная система по энергетическим реакторам (IAEA. PRIS). [Электронный ресурс] (Дата обращения 16.12.2019). https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/ O-perationalReactorsByCountry.aspx
Ашурко Ю.М., Гулевич А.В, Клинов Д.А. и др. Реализация критериев для реакторных систем четвертого поколения в проекте БН-1200 // Атомная энергия, 2018. Т. 125. № 6. С. 311–318.
Карелин А.В., Хиблин И.Н., Амелин Л.А., Широков Р.В. Теплофизические ограничения ЯОП – установки для утилизации радиоактивных отходов // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. – М.: ФГУП “НПП ВНИИЭМ”, 2010. Т. 117. № 4. С. 43–51.
Основные элементы Solid works. Solid works Russia. 2012. 550 с.
Большаков В., Бочков А., Сергеев А. 3D-моделирование в AutoCAD, КОМПАС-3D, SolidWorks, Inventor, T-Flex. 2011. 328 с.
Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчеты механических конструкций в системе MSC. Patran/Nastran. Ч. 1. 2003. 129 с.
Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчеты механических конструкций в системе MSC.Patran / Nastran. Ч. 2. 2003. 87 с.
Руководство пользователя по MSC.Patran. 2008. 162 с.
Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под. ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. ISBN 5-283-04013-5
Карелин А.В. Физические основы реактора-лазера. М.: ФГУП ''НПП ВНИИЭМ'', 2007. 260 с.
Чолах С.И., Новоселов Ю.Н., Карелин А.В. Способ преобразования энергии излучения радиоактивных отходов в электрическую энергию. Патент № 2388087, регистр. (публ.) 27.04.2010 г. Бюлл. 12
MSC. Patran 2008 г. 1. Thermal User’s Guide. 2008. 802 c.
MSC.PATRAN for Advanced Users. 2009. 112 c.
MSC/NASTRAN Basic Dynamic Analysis. 2008. 321 c.
MSC/NASTRAN Dynamic Analysis. Seminar notes. 2010. 148 c.
MSC/NASTRAN Quick Reference Guide.2008. 266 c.
MSC/NASTRAN Linear Static Analysis. User’s guide. 2003. 792 c.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Энергетика