«Механика необратимых деформаций» (стр. 2 из 3)

Кроме обязательного существования критической массы есть еще одна характерная особенность использования ядерного топлива, связанная с теми физическими условиями, в которых оно находится в реакторе. Под действием интенсивного ядерного излучения, высокой температуры и, в особенности, в результате накопления продуктов деления происходит постепенное ухудшение физико-математических, а также ядерно-физических свойств топливной композиции (смеси топлива и сырья). Топливо, образующее критическую массу, становится непригодным для дальнейшего использования. Его приходится периодически извлекать из реактора и заменять свежим. Извлеченное топливо для восстановления первоначальных свойств должно подвергаться регенерации. В общем случае - это трудоемкий, длительный и дорогой процесс.

Для реакторов на тепловых нейтронах содержание топлива в топливной композиции относительно небольшое - всего несколько процентов. Для реакторов на быстрых нейтронах соответствующая концентрация топлива значительно выше. Частично это связано с уже отмеченной необходимостью увеличивать вообще количество топлива в реакторе на быстрых нейтронах для создания критической массы в заданном объеме. Главное же заключается в том, что отношение вероятностей вызвать деление атома топлива или быть захваченным в атоме сырья различно для разных нейтронов. Для быстрых нейтронов оно в несколько раз меньше, чем для тепловых, и, следовательно, содержание топлива в топливной композиции реакторов на быстрых нейтронах должно быть соответственно больше. Иначе слишком много нейтронов будет поглощаться атомами сырья и стационарная цепная реакция деления в топливе окажется невозможной.

Причем при одинаковом накоплении продуктов деления в реакторе на быстрых нейтронах выгорит в несколько раз меньшая доля заложенного топлива, чем в реакторах на тепловых нейтронах. Это приведет соответственно к необходимости увеличить регенерацию ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах. В экономическом отношении это даст заметный проигрыш.

Но кроме совершенствования самого реактора перед учеными все время встают вопросы о совершенствовании системы безопасности на АЭС, а также изучение возможных способов переработки радиоактивных отходов, преобразования их в безопасные вещества. Речь идет о методах превращения стронция и цезия, имеющих большой период полураспада, в безвредные элементы путем бомбардировки их нейтронами или химическими способами. Теоретически это возможно, но в настоящий момент времени при современной технологии экономически нецелесообразно. Хотя может быть уже в ближайшем будущем будут получены реальные результаты этих исследований, в результате которых атомной энергии станет не только самым дешевым видом энергии, но и действительно экологически чистым.

Постановка задачи.

В данной работе рассмотрен тепло-гидравлический расчет тепловыделяющей сборки ядерного реактора, с последующим расчётом НДС чехла, нагруженного внешним распределенным давлением и подвергнутого неравномерному нагреву.

Рисунок 1

Расчётная модель тепловыделяющей сборки включает в себя модели чехла и теплоносителя.

За модель чехла взята шестигранная оболочка с размерами: радиус вписанной окружности 34,5 мм, толщина стенки 2 мм, длинна 1504 мм. Температура наружной поверхности чехла 200 °С, давление на внешних стенках 16 МПа. Ограничение перемещений по оси ОZ для поверхности, ориентированной со стороны подачи теплоносителя.

Рисунок 2

За модель теплоносителя взята шестигранная призма с 91 продольными цилиндрическими отверстием в областях установки тепловыделяющих элементов.

Размеры модели теплоносителя: радиус вписанной окружности 34,5 мм, диаметр отверстий 6,18 мм, длинна модели 1500 мм. В качестве теплоносителя используется вода со свойствами: плотностью 997 кг/м³ и коэффициентом теплоемкости 4181.7

Скорость теплоносителя на входе 10 м/с и температура от 453 до 493 К с шагом 10. Граничные условия для теплоносителя по наружной поверхности (ориентированной со стороны контакта со стенками чехла): температура 473 К и коэффициент теплопередачи 50 . По поверхности цилиндрических отверстий (ориентированных в областях установки тепловыделяющих элементов) тепловой поток на единице поверхности задается в виде функции 2200000000*0.00309*cos((π*1.5)/(1.5+0.4)*z/1.5). Давление на выходе теплоносителя 16 МПа.

Рисунок 3

Для решения поставленной задачи был выбран метод конечных элементов, реализованный в программном пакете ANSYS. Он позволяет быстро, наглядно и достаточно точно поэтапно произвести тепло-гидравлический расчёт и расчёт НДС сборки.

Для реализации расчёта были использованы программные пакеты для расчёта задач гидродинамики и механики деформированного твёрдого тела расчётной платформы ANSYS Workbench.

ANSYS Workbench является платформой для разработки и интеграции программных продуктов ANSYS, Inc., а также для адаптации уже существующих расчетных комплексов. ANSYS Workbench позволяет объединить графический интерфейс приложений и обеспечить работу с базами данных этих программных продуктов в рамках одного проекта.

Для решения задач вычислительной гидродинамики компания ANSYS, Inc. предлагает два CFD-пакета: ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®. Оба пакета содержат расширенный набор моделей турбулентности, решателей, библиотеку материалов (жидкость/газ). Комплексы позволяют моделировать течения жидкости в объектах с подвижными границами (клапаны, поршни и т. п.), а также в связке с ANSYS® Mechanical™/Structural™ решать задачи взаимодействия жидкости и твердого тела (FSI).

Также одной из основных задач при проектировании изделий является обеспечение прочности и надежности изделия при эксплуатационных нагрузках. Пакет ANSYS представляет широкий спектр решений для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, динамического анализа, оценки температурного состояния узлов и выполнения связанных расчетов. Эти возможности комплекса в разной мере представлены лицензиями ANSYS® Mechanical™, ANSYS® Structural™, ANSYS®

Professional™ NLS, ANSYS® Professional™ NLT и ANSYS® DesignSpace™.

Решение.

В первую очередь следует построение моделей в SolidWorks с учётом приведенных геометрических параметров и объединение их в сборку «теплоноситель-чехол» (рисунок 2). Далее, построенная модель импортируются в ANSYS.

Решение задачи в ANSYS разделяется на два этапа: решение тепло-гидравлической задачи и задачи НДС. Для начала производим полный конечно-элементный тепло-гидравлический расчёт теплообмена между внешними стенками твелов и жидкостью. Для расчёта оставляем активной только модель теплоносителя (воды). Данный этап расчёта производится в модуле Fluid Flow (CFX). Разбиваем модель на конечные элементы(рисунок 4), с последующим заданием свойств теплоносителя, приведенных ранее.

Рисунок 4

Задаем параметры модели необходимые для расчета: скорость и температуру воды на входе, и давление на выходе, температуру и коэффициент теплопередачи по наружной поверхности и функциональное распределение теплового потока по поверхности цилиндрических отверстий (стенок твелов)(рисунок 5 и 6).

Рисунок 5 Рисунок 6

Производим расчет поставленной задачи.

Рисунок 7

Исходя из заданного нами теплового излучения виде функции от длины твела были полученные следующие результаты тепло гидравлического расчета сборки ТВС.

Рисунок 8 Нагрев на поверхности твелов.

Рисунок 9 Температура воды на выходе.

На рисунке 8 виден перегрев твелов в пристеночной зоне, это связанно с большим гидродинамическим сопротивлением у стенок сборки и меньшей скоростью течения жидкости(рисунок 10).

Рисунок 10 Скорость течения воды.

Результаты расчета импортируем для дальнейшего решения температурной и прочностной задач.

Импортированная температура на стенки чехла выглядит следующим образом(рисунок 11).

Рисунок 11

Импортированное давление на стенки чехла выглядит следующим образом (рисунок 12).

Рисунок 12

Произведя расчет для 5 значений температуры жидкости на входе. Построена диаграмма зависимостей интенсивности напряжений, эквивалентных напряжений, температуры на выходе (диаграмма 1 и таблица 1).

Таблица 1

Температура воды на входе	453°К	463°К	473°К	483°К	493°К
Интенсивность напряжений	105 Мпа	92 Мпа	113 Мпа	134 Мпа	155 Мпа
Эквивалентные напряжения	92 Мпа	85 Мпа	104 Мпа	124 Мпа	143 Мпа
Температура на выходе	498°К	508°К	518°К	528°К	538°К

Диаграмма 1