Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов (ВНИИНМ) им. Бочвара разрабатывает топливные оболочки из композита на основе карбида кремния. Экономить время и деньги на экспериментах ученым помогает цифровой двойник технологии.
Толерантное топливо с карбидкремниевыми оболочками позволит не просто минимизировать, а полностью исключить риск пароциркониевой реакции — основной причины почти всех прошлых аварий на АЭС. Но материал этот капризный, хрупкий, изготовить из него твэльные трубы по технологии, отработанной на металлах, нельзя. Во ВНИИНМ предложили другой метод: из карбидкремниевого волокна плетется каркас, его пропитывают матричным материалом на основе того же карбида кремния. Базовая технология есть, но перед разработчиками еще много вопросов. Под каким углом наматывать волокна при плетении? Какая оптимальная толщина монолитной части карбида кремния? Как добиться герметичности оболочки? Найти ответы поможет цифровой двойник, которым занимается инженер ВНИИНМ Алексей Сорокин.
Он программист и физик, учился в Московском энергетическом институте на кафедре инженерной теплофизики. На третьем курсе попал в группу по моделированию, начал разрабатывать расчетные коды по теплогидравлике и теплофизике. Во ВНИИНМ его пригласили на конкретную задачу — численное моделирование поведения твэла с композитной оболочкой.
«Двойник — это набор цифровых расчетных моделей, — объясняет Алексей Сорокин. — Под него набрана библиотека свойств материалов — оболочки, концевого элемента твэла и их паяного соединения. Готовы численные модели механических испытаний и основных составляющих твэла. По мере получения данных цифровой двойник будет пополняться моделями».
Двойник уже помогает сократить количество экспериментов. Алексей Сорокин приводит пример: «Не нужно изготавливать 20 дорогостоящих образцов с разным углом намотки волокна и исследовать механические характеристики каждого. Можно их смоделировать расчетным путем, определить оптимальный угол намотки».
Работает это так. Экспериментаторы исследуют образец и описывают исходную геометрию, процесс нагружения и силу сопротивления образца приложенной нагрузке. Алексей Сорокин воссоздает в расчетном коде численную модель механического испытания, верифицирует — и можно проводить численное исследование и подбирать оптимальные параметры. «Например, эксперимент на растяжение трубчатого образца. Я сделал модель, попал в экспериментальные данные. Дальше провел исследование и выяснил, в какой конфигурации плетения прочностные характеристики будут лучше, дал обратную связь технологам», — рассказывает Алексей Сорокин.
Разработчики карбидкремниевых оболочек думают, как добиться газонепроницаемости твэлов в процессе эксплуатации. Есть идея добавить промежуточный слой металлического лайнера из штатного сплава Э110. Цифровой двойник поможет рассчитать его толщину.
Алексей Сорокин проводит расчеты, используя зарубежный код Abaqus, основанный на методе конечных элементов (МКЭ). Параллельно с другими моделерами (так себя называют специалисты по компьютерному моделированию) разрабатывает импортозамещающие коды «Стартап» и ПК3D.
Цифровой двойник технологии изготовления оболочек твэла на основе карбида кремния будет развиваться вместе с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами по проекту в целом. «Любая новая информация, любое новое испытание должны дополнить двойник, расширить цифровую модель объекта, — говорит Алексей Сорокин. — Полностью готов двойник будет, когда мы внедрим технологию в производство. Она, конечно, будет все время совершенствоваться: в отрасли ведь постоянно идет борьба за повышение энергоэффективности ядерного топлива».
Разработка композитных топливных оболочек во ВНИИНМ началась в 2014 году. На конец прошлого года изготовлены 55 образцов 11 типов газонепроницаемых труб-оболочек длиной до 500 мм с разной архитектурой плетения, способами уплотнения каркаса, режимами осаждения карбидкремниевой матрицы и интерфазного слоя.
Вехой стали первые в России реакторные испытания оболочек из карбида кремния. Прошлым летом в НИИ атомных реакторов завершился первый цикл облучения в исследовательском реакторе БОР-60. Испытания проходили при температуре до 360 °C. К 2030 году специалисты ВНИИНМ должны сделать оптимизированные герметичные газонепроницаемые оболочки твэлов длиной до 1 м и провести комплекс дореакторных испытаний, проверить совместимость с ядерным топливом.