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», 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.