Analysis of using complex mathematical models to design nuclear power plants with liquid metal coolant

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире наблюдается растущий интерес к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ) с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ). Следует отметить, что реактор на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем (СВТ) признан одной из шести перспективных реакторных технологий, предлагаемых в рамках международного проекта «Generation-IV International Forum» (GIF) в качестве основы ядерной энергетики будущего. Программа «Generation-IV», впоследствии преобразованная в крупный международный проект GIF, создана в 2000 г. с целью организации международного сотрудничества по разработке перспективных ядерных энергетических систем и установок четвертого поколения. В составе участников проекта GIF Аргентина, Канада, Франция, Япония, Республика Корея, ЮАР, Великобритания, США, Китай и Россия.

В нашей стране после вывода из эксплуатации последней АПЛ проекта 705К в 1997 г. не осталось действующих ЯЭУ с СВТ. Разрабатывавшиеся в конце восьмидесятых годов прошлого века проекты ЯЭУ с ЖМТ на практике реализованы не были.

На сегодняшний день в России вновь активно ведутся работы по реализации проектов ЯЭУ с данным типом теплоносителя. Реализуются проекты таких энергетических реакторов с СВТ, как СВБР-100, БРЕСТ-ОД-300 [1].

Целесообразность использования эвтектического сплава свинец–висмут (РЬ ~44 %, Вi ~56 %) в качестве теплоносителя обусловлена его физико-химическими и термодинамическими свойствами, позволяющими в наиболее полной степени удовлетворить требованиям, предъявляемым к паропроизводящим установкам (ППУ) в составе транспортных ЯЭУ. Особенно это касается массогабаритных характеристик, маневренности и безопасности [2].

Невысокая температура плавления СВТ (~125 °С) обеспечивает возможность ремонта оборудования и перегрузки топлива без дренирования, при поддержании его в жидком состоянии при температуре 160−180 °С за счет работы системы обогрева теплоносителя.

Решение об использовании транспортных ЯЭУ с ЖМТ может быть принято по результатам конкурсного проектирования установок с различными типами ЯЭУ с учетом испытаний и эксплуатации наземных стендов-прототипов.

Научно-технический задел, накопленный при освоении ЯЭУ с ЖМТ для АПЛ, позволил создать базу для разработки инновационной реакторной свинцово-висмутовой технологии, удовлетворяющей требованиям к реакторам ХХI в. [2].

ПРОБЛЕМА «ЗАМОРАЖИВАНИЯ ― РАЗМОРАЖИВАНИЯ» ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В 1958 г. первая отечественная ЯЭУ с ЖМТ (стенд «27/ВТ») была выведена на энергетический режим работы. Стенд «27/ВТ» представлял собой наземный прототип ППУ АПЛ проекта 645 [3, 4]. По результатам эксплуатации стенда «27/ВТ» в 1959 г. на Северном машиностроительном предприятии состоялась закладка первой и единственной АПЛ проекта 645 «К-27», изображенной на рис. 1 [3].

 

Рис. 1. Атомная подводная лодка проекта 645 (URL: http://atominfo.ru, публикация «ОКБ ГИДРОПРЕСС отмечает 70-летний юбилей»).

Fig. 1. Nuclear submarine Project 645 (URL: http://atominfo.ru, see GIDROPRESS Research Facility Celebrates Its 70th Anniversary).

 

При эксплуатации АПЛ проекта 645 важной практической проблемой явилось обоснование возможности многократного «замораживания ― размораживания» СВТ, что могло потребоваться при длительных выводах АПЛ из эксплуатации. Исключению повреждения ППУ при переходе СВТ из жидкого в твердое состояние и дальнейшем его охлаждении до температуры окружающей среды способствуют небольшая усадка СВТ при затвердевании и достаточно высокая пластичность при низкой прочности в твердом состоянии. Для безопасного «размораживания» ППУ был отработан специальный регламент температурно-временного режима разогрева, проверенный на крупномасштабных моделях и ППУ правого борта АПЛ проекта 645 после ее длительного пребывания в «замороженном» состоянии. Однако этот режим не был внедрен в практику в связи с принятым в середине 90-х гг. решением о прекращении дальнейшей эксплуатации АПЛ этого типа [2].

На первом этапе освоения ППУ с ЖМТ была применена паровая система обогрева РУ, что в итоге привело к существенным сложностям при монтаже и эксплуатации установки, снижало ее надежность и делало практически невозможным ввод в действие ЯЭУ после затвердевания теплоносителя в трубопроводах.

Нужно сказать, что свойство СВТ затвердевать при 125 °С в некоторых случаях играло и положительную роль. Например, при хранении отработанного «замороженного» СВТ формируется дополнительный защитный барьер на пути выхода радиоактивности в окружающую среду.

В дальнейшем опыт, полученный при эксплуатации АПЛ «К-27», был использован при создании АПЛ следующего поколения. Для отработки и испытаний ППУ был построен наземный стенд-прототип «КМ-1» и семь АПЛ с ППУ с СВТ по проектам 705 и 705К [1], одна из которых изображена на рис. 2.

 

Рис. 2. Атомная подводная лодка проекта 705К (URL: http://atominfo.ru, публикация «ОКБ ГИДРОПРЕСС отмечает 70-летний юбилей»).

Fig. 2. Nuclear submarine Project 705K (URL: http://atominfo.ru, see GIDROPRESS Research Facility Celebrates Its 70^th Anniversary).

 

Основным недостатком ЯЭУ с ЖМТ следующего поколения явилось наличие сложного и громоздкого берегового комплекса, в который должны были входить специальная котельная для поддержания сплава ЖМТ в жидком состоянии и электроподстанция, обеспечивающая корабль электропитанием с нестандартными электротехническими характеристиками (по частоте и напряжению).

Теплообмен в жидких металлах имеет свои особенности, в значительной степени обусловленные их высокой теплопроводностью и, соответственно, низким значением числа Прандтля. При низких значениях числа Прандтля понятие теплового пограничного слоя, который в данном случае распространяется до центра канала, теряет смысл. При изучении теплообмена жидких металлов, прежде всего, в области теплоотдающей поверхности следует учитывать поведение примесного состава жидкометаллического теплоносителя у поверхностей его циркуляции для номинального режима и при отклонениях от режима нормальной эксплуатации, а также осуществлять контроль за его состоянием [4].

Таким образом, оптимальному решению вопросов создания и отработки алгоритмов разогрева и охлаждения СВТ, с учетом особенностей гидродинамики и теплообмена в жидкометаллических теплоносителях, должно способствовать создание комплексных математических моделей, которые позволили бы исследовать работу ЯЭУ с ЖМТ в различных динамических режимах, особенно на режимах пуска и расхолаживания, учитывая изменение агрегатного состояния СВТ.

Также стоит отметить, что использование электрической системы обогрева теплоносителя вместо паровой значительно снизит требования, предъявляемые к береговым системам обеспечения.

Таким образом, для опережающей отработки транспортных ЯЭУ и проведения комплексных испытаний и исследований до начала их серийного производства необходимо создавать комплексные математические модели. Каждый эксперимент с ЯЭУ сначала должен быть отработан на компьютерной модели. Это позволит безопасно и с малыми затратами исследовать поведение СВТ на таких режимах, как пуск и расхолаживание, для последующей отработки алгоритмов «замораживания ― размораживания» теплоносителя.

Созданная теплогидравлическая математическая модель должна использоваться для последующей разработки и отладки алгоритмов управления в составе системы управления.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ОТЛАДКЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЯЭУ

В процессе создания комплексных систем управления технических средств транспортных ЯЭУ следует учитывать опыт разработки цифровых систем последних заказов и, в частности, необходимость сокращения сроков стендовых, швартовных и ходовых испытаний за счет уменьшения объема доработок функционального программного обеспечения (ФПО), непосредственно реализующего алгоритмы управления в штатной аппаратуре. В настоящее время, когда программное обеспечение системы управления проходит отладку и настройку на испытательном стенде или работающем объекте, издержки тестовой эксплуатации считаются неизбежными.

Наиболее рациональное решение постулируемых проблем ― использование технологий, которые, с одной стороны, должны быть совместимы с существующими и не приводить к их кардинальному изменению, а с другой ― обеспечить повышение качества алгоритмов и ФПО [5]. Основное направление повышения качества — это автоматизация всего комплекса работ по созданию ФПО с отработкой алгоритмов управления на комплексных математических моделях объекта до поставки аппаратуры системы обогрева СВТ на заказ.

Комплект аппаратуры функционирует во взаимодействии с имитатором объекта управления, в качестве которого используется математическая модель, созданная с помощью различных инструментально-программных средств. Соответственно, повышение качества ПО приведет к значительному уменьшению объема отладочных работ при подготовке и проведении межведомственных и приемосдаточных испытаний.

Существенное повышение качества алгоритмов управления и контроля может быть достигнуто на основе автоматизации работ по созданию ПО с отработкой алгоритмов на комплексных динамических математических моделях объекта до поставки аппаратуры системы управления на заказ, а впоследствии ― при внесении модификаций и корректировок в ПО. Целесообразность такого подхода была отмечена академиком В.А. Василенко более двадцати лет назад в работах по сквозной интеграции технологии создания систем управления ЯЭУ, и с тех пор такие предприятия, как ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова», АО «Концерн «НПО Аврора», АО «ОКБМ Африкантов» и АО «СПМБМ «Малахит», ведут работы в данном направлении.

Математические модели помогают понять процессы, устанавливая качественные и количественные характеристики их состояний и предсказать динамику интересующих в данных процессах характеристик. Это, в свою очередь, неизбежно связано с необходимостью исследования допустимости различных режимов работы, оценки, отработки алгоритмов управления и прогнозирования технического состояния. Причем особого внимания требует моделирование потенциально опасных переходных режимов, таких как пуск и расхолаживание ЯЭУ, и процессов, связанных с нарушением нормальных условий эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в последние годы комплексов НИР и ОКР подготовлена научно-техническая база для создания нового поколения автоматизированных РУ с ЖМТ на инновационных решениях, обладающих повышенной ядерной и радиационной безопасностью, надежностью, улучшенными массогабаритными и эксплуатационными характеристиками. Разработанные технические решения направлены на устранение недостатков РУ с ЖМТ, выявленных при их эксплуатации в составе выведенных из строя АПЛ.

Для опережающей отработки ЯЭУ и проведения комплексных испытаний и исследований до начала их серийного производства необходимо создавать комплексные математические модели. Каждый эксперимент с ЯЭУ сначала отрабатывается на компьютерной модели. Это позволяет безопасно и с малыми затратами исследовать поведение реактора на различных режимах, включая аварийные, для последующей отработки алгоритмов управления.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: А.А. Горбачев — сбор, анализ и обработка материала, написание текста статьи; А.А. Иванов — редактирование статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. Personal contribution of each author: A.A. Gorbachev, collection, analysis and processing of material, writing the text of the article; A.A. Ivanov, article editing.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

About the authors

Aleksandr A. Gorbachev

Saint Petersburg Marine Engineering Bureau «Malachite»

Author for correspondence.
Email: Dark1messiah@mail.ru

design engineer, 1st category

Russian Federation, 18 Frunze street, 196135, Saint Petersburg

Aleksandr A. Ivanov

Saint Petersburg Marine Engineering Bureau «Malachite»

Email: Alekzander-ivanov@yandex.ru

design engineer, 1st category

Russian Federation, 18 Frunze street, 196135, Saint Petersburg

References

Supplementary files