Разработан цифровой двойник тепловыделяющих сборок "ТВС-Квадрат" и "ТВС-ВВЭР"
Специалисты инжинирингового центра Передовой инженерной школы "Цифровой инжиниринг" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) завершили трехлетний проект по разработке цифровых двойников тепловыделяющих сборок (ТВС) водо-водяных ядерных реакторов - ТВС-К PWR и ТВС ВВЭР. Работы выполнялись на цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® по заказу компании "ТВЭЛ", входящей в состав Топливного дивизиона госкорпорации "Росатом".
"К современным разработкам тепловыделяющих сборок для ядерных реакторов предъявляются высокие технические требования, повышенные требования к безопасности и экономической эффективности. Цифровые двойники позволяют оптимизировать работу существующих ТВС и разрабатывать более эффективные конструкции со значительной экономией средств и времени, поскольку до 70% затрат приходится на этап проектирования. Использование технологии цифровых двойников в атомной промышленности снижает не только себестоимость разработки и производства, но и уменьшает количество необходимых натурных испытаний", - отметил эффект от применения технологии цифровых двойников в атомном машиностроении проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ "Цифровой инжиниринг" Алексей Боровков.
За три года работ инженеры Петербургского Политеха разработали виртуальные испытательные стенды и полигоны (ВИС и ВИП) для четырехгранных (ТВС-К PWR) и шестигранных (ТВС ВВЭР) тепловыделяющих сборок: ВИС "Гидродинамика", ВИС "Прочность", ВИП "Безопасность - ТУК" и ВИП "Безопасность - ОР СУЗ".
Созданный инженерами-политехниками виртуальный стенд "Гидродинамика" позволил подтвердить соответствие результатов цифровых испытаний натурным и благодаря балансировке матрицы требований, целевых показателей и ресурсных ограничений (основного элемента цифрового двойника) взаимоувязать сотни математических и компьютерных моделей и проверить эксплуатацию тепловыделяющих сборок как в штатных, так предаварийных режимах работы. Таким образом, инженеры подтвердили, что созданный цифровой двойник может быть использован для дальнейшей оптимизации ТВС.
ВИС "Прочность" разработан для прогнозирования напряженно-деформированного состояния (НДС) ТВС при эксплуатационных нагрузках. ТВС работает в сложных условиях, характеризующихся различными изменяющимися во времени факторами. К ним относятся неравномерность температурных полей по высоте сборки, неравномерное распределение полей флюенса нейтронов для наиболее выгоревшей ТВС, вызывающее изменение геометрических размеров элементов конструкции, ползучесть под действием температуры и радиации, усилие осевого поджатия и действие потока теплоносителя. Инженеры ПИШ СПбПУ разработали универсальные алгоритмы и провели цифровые испытания НДС ТВС-К и ТВС ВВЭР. Полученные результаты в ходе виртуальных испытаний ТВС согласуются с натурными испытаниями и опытом эксплуатации.
"На виртуальном испытательном стенде мы создали высокоадекватную компьютерную модель ТВС и провели испытания, аналогичные 1 году эксплуатации ТВС. Полученные результаты напряженно-деформированного состояния, такие как перемещение сборок, деформации радиационного роста и терморадиационной ползучести согласуются с опытом эксплуатации. Эти данные нужны для понимания текущего НДС ТВС для внесения изменений в конструкцию для поддержания необходимого уровня прочности", - прокомментировал заместитель директора Инжинирингового центра (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ Николай Ефимов-Сойни.
Характеристикам транспортно-упаковочных комплектов (ТУК) уделяется особенное внимание в связи с тем, что к безопасности транспортировки тепловыделяющих сборок предъявляются очень высокие требования. Разработчики Передовой инженерной школы СПбПУ, используя возможности цифровой платформы CML-Bench® и мощности суперкомпьютерного центра "Политехнический", создали виртуальный испытательный полигон. Он позволяет проводить цифровые испытания конкретных видов ТУК согласно требованиям МАГАТЭ. Применение виртуального полигона позволит разрабатывать новые конструкции/типы ТУК, которые будут проходить все необходимые натурные испытания с первого раза. Также специалисты ПИШ СПбПУ оптимизировали конструкцию транспортно-упаковочных контейнеров, уменьшив их массу и количество сварочных швов, и таким образом повысили технологичность производства при удовлетворении требованиям прочности.
Кроме того, для системы управления и защиты (ОР СУЗ) инженеры ПИШ СПбПУ создали математическую модель движения теплоносителя в направляющих каналах и разработали алгоритм оптимизации конструкции гидротормоза как для прямолинейных, так и для криволинейных (искривленных) каналов.
Также инженеры Передовой инженерной школы СПбПУ выполнили многокритериальную оптимизацию конструкции и расположения перемешивающих решеток по высоте ТВС для повышения интенсификации теплообмена и снижения неравномерности подогрева теплоносителя по сечению тепловыделяющих сборок.
Источник:
