В СПбПУ завершили разработку цифрового двойника тепловыделяющих сборок ядерных реакторов

Москва, 21 мар - ИА Neftegaz.RU. Специалисты инжинирингового центра Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) завершили 3-летний проект по разработке цифровых двойников тепловыделяющих сборок (ТВС) водо-водяных ядерных ректоров – ТВС-К PWR и ТВС ВВЭР.
Об этом сообщила пресс-служба ПИШ СПбПУ.

Работы выполнялись на цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® по заказу компании ТВЭЛ (управляющая компания Топливного дивизиона госкорпорации).

Тезисы руководителя ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» А. Боровкова:

• 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.

За 3 года работ инженеры Петербургского Политеха разработали виртуальные испытательные стенды и полигоны (ВИС и ВИП) для 4-гранных (ТВС-К PWR) и 6-гранных (ТВС ВВЭР) тепловыделяющих сборок: ВИС Гидродинамика, ВИС Прочность, ВИП Безопасность - ТУК и ВИП Безопасность – ОР СУЗ.

Созданный инженерами-политехниками ВИС Гидродинамика позволил:

• подтвердить соответствие результатов цифровых испытаний натурным;
• благодаря балансировке матрицы требований, целевых показателей и ресурсных ограничений (основного элемента цифрового двойника) взаимоувязать сотни математических и компьютерных моделей,
• 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.

Тезисы замдиректора Инжинирингового центра (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ Н. Ефимова-Сойни:

• 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.

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 1^го 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;
• 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.

Цифровая платформа CML-Bench®

Цифровая платформа разработки и применения цифровых двойников как высокотехнологичных промышленных изделий / продуктов, так и технологических / производственных процессов их изготовления, система управления деятельностью в области системного цифрового инжиниринга.

На базе Цифровой платформы CML-Bench® разрабатываются проекты для высокотехнологичных отраслей промышленности: двигателестроение, энергомашиностроение, атомное, нефтегазовое, специальное и железнодорожное машиностроение, атомная энергетика, ТЭК, авиастроение и вертолетостроение, включая беспилотные летательные аппараты, автомобилестроение, включая электротранспорт, судостроение и кораблестроение, включая морскую технику, медицину, спорт высших достижений и др.

В конце 2022 г. платформа CML-Bench® в рамках реализации проекта по созданию автоматизированной системы цифрового инжиниринга была развернута на серверах компании Центротех–Инжиниринг (входит в контур управления ТВЭЛ госкорпорации Росатом).

Цифровая платформа CML-Bench® легла в основу системы управления данными и процессами расчетных и экспериментальных научных исследований УРАНИЯ, используемой на предприятиях госкорпорации Росатом.