В Передовой инженерной школе СПбПУ завершили разработку цифрового двойника тепловыделяющих сборок ядерных реакторов

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 ректоров – ТВС-К PWR и ТВС ВВЭР. Работы выполнялись на цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® по заказу компании «ТВЭЛ» – головной компании 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 высокотехнологичных промышленный изделий 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 передовой технологии цифровых двойников в атомной промышленности снижает не только себестоимость разработки и производства, но и обоснованно уменьшает количество необходимых натурных испытаний на основе большого числа цифровых испытаний на специализированных цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах. Для этого используются математические и компьютерные модели, которые прошли процедуры верификации и валидации и обладают высоким уровнем адекватности мультидисциплинарным физико-механическим процессам в промышленных изделиях»,
  – 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 цифровые (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»,

– ВИП «Безопасность – ОР СУЗ».

Разработанный инженерами ПИШ СПбПУ цифровой (виртуальный) испытательный 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 цифровых (виртуальных) испытаний ТВС согласуются с результатами натурных испытаний и опытом эксплуатации.

• «На виртуальном испытательном стенде "Прочность" мы создали высокоадекватную компьютерную модель ТВС и провели цифровые испытания, аналогичные одному 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 и изучения текущего НДС ТВС для обоснованного внесения изменений в конструкцию и обеспечения 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 ВИП «Безопасность – ТУК». Он позволяет проводить цифровые испытания конкретных видов ТУК в соответствии с требованиям МАГАТЭ. Применение цифрового (виртуального) полигона позволит разрабатывать новые конструкции / типы ТУК, которые будут проходить все необходимые натурные испытания с первого раза. Также инженеры ПИШ СПбПУ оптимизировали конструкцию транспортно-упаковочных контейнеров, уменьшив их массу и количество сварочных швов, и таким образом повысили уровень технологичности производства при удовлетворении требованиям прочности.

Кроме того, для системы управления и защиты (ОР СУЗ) инженеры ПИШ СПбПУ создали математические и компьютерные модели движения теплоносителя в направляющих каналах и разработали алгоритм оптимизации конструкции гидротормоза как для прямолинейных, так и для криволинейных (искривленных) каналов, которые сформировали ВИП «Безопасность – ОР СУЗ».

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.