Дорожная карта проекта ПРОРЫВ Элементы дорожная карта

Дорожная карта проекта ПРОРЫВ

Элементы дорожная карта проекта ПРОРЫВ

Блоки дорожной карты проекта ПРОРЫВ

Четвертый семинар по разработке расчетных кодов в рамках частного проекта «Коды нового поколения» проекта «ПРОРЫВ» Моделирование ключевых технологических процессов замкнутого топливного цикла 2 октября 2014 ИБРАЭ РАН

Моделирование ключевых технологических процессов переделов ЗЯТЦ Назначение моделей – расчет и оптимизация технологических режимов проведения процесса и обоснование конструкторских решений. Описание аварийных режимов Разрабатываемые модели ключевых технологических процессов должны обеспечивать: Математическое описание процесса Определение основных (контролируемых) параметров Возможность оптимизации технологических режимов Обоснование конструкции аппарата и возможности масштабирования (необходимости тиражирования) 5

Принципиальная технологическая схема ПЯТЦ

Моделируемые технологические процессы

Модель аппарата вскрытия оболочек в жидком цинке под флюсом расплава KCl (стационарный режим) Задача модели: оптимизация улавливания выделяющихся в газовую фазу радионуклидов расплавом флюса при растворении твэлов Модель очистки газовых выбросов в расплаве флюса KCl включает: • • • Моделирование образования газовых включений в расплаве флюса Описание физико-химических процессов при взаимодействии газовой фазы с расплавом флюса Определение условий эффективной очистки газовых выбросов

Модель электрорафинирования в динамическом режиме Анодный шлам Твердый анод Газ Объем электролита Диффузионный слой на границе с твердым анодом Диффузионный слой на границе с жидким катодом Диффузионный слой в жидком аноде Жидкий катод Диффузионный слой в жидком катоде Жидкий анод 9

Разработка модели регенерации электролита в стационарном режиме • Подобрана программа Fact. Sage 6. 4 для построения диаграмм состав-температура в солевых системах эвтектическая соль (Li. Cl-KCl)-Cs. Cl-Sr. Cl 2. • Проведены измерения температур плавления этих систем при нарастании содержания Cs. Cl и Sr. Cl 2 от 1 до 10 масс. %. Показано удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных. • Разрабатывается физическая модель послойной кристаллизационной регенерации электролита. Физическая модель процесса регенерации электролита Фазовая диаграмма (масс. %) эвтектика (Li. Cl-KCl) (90)-Sr. Cl 2 (5)-Cs. Cl(5) Понижение температуры плавления системы: расчетное- 90 С, экспериментальное-80 С. Для оценки эффективности регенерации электролита используется классическое уравнение: С 0 – исходная концентрация примеси Сw – концентрация примеси в данной части слитка W 0 – общая масса слитка W – доля закристаллизованной части расплава

Растворение ОЯТ или продуктов пирохимического передела Цель работы: определение основных параметров, определяющих скорость растворения металлических U-Pu частиц в азотной кислоте и основных закономерностей процесса растворения Модель растворения включает • • • Анализ валентных состояний U и Pu в сильнокислых нитратных растворах Обоснование образования переходного пористого слоя, стабилизация толщины переходного слоя Определение динамики растворения металлического массива и пористого слоя в зависимости от макроскопических констант

Газоочистка на аппарате БРУНС в стационарном и динамическом режимах • • • Задачи модели: Расчет кинетики химических реакций в жидкой и газовой фазах первой зоне БРУНС Расчет диффузии между жидкой и газовой фазой в первой зоне БРУНС Определение взаимодействия с засыпкой жидкой фазы в второй зоне БРУНС Расчет динамики изменений содержания окислов азота в газовой фазе в второй зоне аппарата Учет зависимости характеристик процесса в жидкой фазе от концентрации азотной кислоты Расчет всего аппарата в целом

Модель экстракционного аффинажа лигатуры U и Pu в динамическом режиме Задача модели: сопоставительный анализ протекания нестационарных (переходных) равновесных процессов, приводящих к движению фронта компонентов при изменении режима Модель позволяет рассчитывать стационарные и переходные режимы работы экстрактора с учетом возможного образования третьей фазы при аффинаже U-Pu лигатуры. 13

модель экстракционного аффинажа лигатуры U и Pu в динамическом режиме Проведенный стендовый эксперимент показал отсутствие запредельного режима Распределение компонентов в «запредельном» режиме Расчет Эксперимент в головном экстракторе по плутонию при наличии его по урану. В результате исследований было выявлено, что границы схемы IMPUREX гораздо шире, чем предполагалось ранее. В результате модельных расчетов представляется интересным провести дополнительные исследования граничной области работы головного экстрактора для выявления зависимостей, позволяющих управлять процессом IMPUREX, что может снизить затраты на производство, а также изучить распределение Тс и Np в этом режиме, сопоставив с моделью. 14

Модель регенерации экстрагента в статическом режиме Задача модели: расчет работы экстракционного каскада (экстрактора) в стационарном режиме распределения урана в карбонатной среде, которая позволяет рассчитать распределение по потокам схемы урана и примесей, содержащихся в экстрагенте, при использовании различных реагентов Программное обеспечение выполнено в виде консольного приложения. Ввод/вывод данных осуществляется через текстовый файл. Формат текстового файла любой (например: . ini, SGML, HTML, XML, TXT и т. п. ) 15

Моделирование динамических режимов процессов фракционирования РЗЭ и ТПЭ ü Переходный дискретного уравнений режим типа экстракционного представляется гидродинамической процесса системой модели в аппаратах дифференциальных идеального смешения, описывающих отдельно камеру смешения и камеру разделения потоков водной и органической фаз. ü Для моделирования стационарных и переходных процессов экстракционного фракционирования актинидов и РЗЭ выделены компоненты ВАО, концентрация которых превышает 1 мг/л: U, Pu, Np, Am, Cs, Sr, Y, Zr, Tc, Mo, Ru, Rh, Pd, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Pr, Pm, а также HNO 3 и реагенты – комплексообразователи и высаливатель (нитрат аммония): H 2 C 2 O 4, АГК, АУК, ДТПА, (NH 4)2 CO 3, NH 4 NO 3. 16

Результаты расчетов переходных режимов процесса фракционирования ТПЭ и РЗЭ диамидом дипиридилдикарбоновой кислоты (Dyp-7) Переходный процесс в аппарате после отключения потока экстрагента; показано изменение суммарной концентрации актинидов в водной фазе на ступенях аппарата; исходные концентрации соответствуют номинальному режиму Переходный процесс в аппарате после восстановления потока экстрагента Изменение концентраций актинидов, РЗЭ и HNO 3 в рафинате и реэкстрактах при выводе процесса на номинальный режим. Начальные условия – ступени заполнены водой и раствором Dyp-7 в F-3. 17

Результаты расчетов переходных режимов модифицированного SETFICS-процесса Концентрации актинидов, РЗЭ и HNO 3 в выходных продуктах в процессе перехода к номинальному режиму. Начальные условия – ступени заполнены водой и КМФО+ТБФ в F-3 18

Моделирование хроматографического разделения Am-с. M Алгоритм моделирования системы ВКХ включает: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. расчет состава элюента; расчет зоны элюента для рабочей температуры; определение режима элюирования (элютивный/вытеснительный режим); расчет зоны сорбированного комплексона; определение порядка вымывания относительно зоны сорбированного комплексона; расчет зоны разделяемых компонентов; определение порядка вымывания металлов относительно друга; выбор удерживающих и/или разделяющих ионов; определение числа полос разделения (объем разделительной части относительно сорбционной); 10. определение числа теоретических тарелок. 19

Модель получения порошков актинидов СВЧ-денитрацией Принципиальная схема установки СВЧ-денитрации: 1 - баллон с Ar-H 2 смесью; 2 ‑ емкость– реактор, 3 - микроволновая печь; 4 – конденсатор-абсорбер Технологическая схема процесса 20

Модель получения смешанных оксидов актинидов методом СВЧ-денитрации Блок-схема проведения расчетов Алгоритм проведения расчетов: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Проведение балансовых расчетов для всех компонентов реакций для каждого процесса; Расчет термодинамических характеристик реакций; Импорт кинетических характеристик всех химических реакций Расчет продолжительности всех стадий процесса, включая нагрев системы до рабочей температуры; Формирование выходящих продуктов для каждой операции с определением их характеристик; Формирование суммарного потока отходящих газов; Расчет интегральных характеристик процесса: потребляемая мощность, продолжительность процесса 21

Разработка модели обращения с тритийсодержащим продуктом (стационарный режим) Блок-схема расчета • • • Схема колонны изотопного обмена • Расчет стационарного режима для области малых концентраций дейтерия (легкая вода) Оптимизационный расчет параметров процесса ü температуры ü величины относительного отбора тритиевого • • Два варианта реализации процесса Построение профиля концентраций по колонне • концентрата Реализация на Visual Basic for Applications Вывод данных в Microsoft Excel Автоматическое создание графиков

Модель упаривания ВАО и САО в динамическом режиме Задача модели: расчет распределения HNO 3 в процессах упаривания ВАО и САО с учетом процесса разложения аммония формальдегидом и ректификации азотной кислоты, содержащей в качестве микрокомпонентов плавиковую и уксусную кислоты Модель позволяет оценить коэффициент очистки HNO 3 на стадии ректификации от микрокомпонентов; рассчитывает динамический режим при упаривании ВАО и САО с одновременным разложением азотной кислоты или аммония формальдегидом. 23

Отверждение (остекловывание) ВАО гидрометаллургического передела в «горячем» тигле Задачи модели: определение условий получения однородной матрицы (боросиликатного стекла) в тигле Модель остекловывания ВАО позволяет: • • Технологическая схема процесса остекловывания ВАО гидрометаллургического передела в боросиликатное стекло с использованием аппарата «горячий» тигель Анализ теплофизических свойств расплава боросиликатного стекла (плотность, вязкость) Баланс тепловых и материальных потоков в аппарате • Определение критериев возникновения замкнутых конвективных потоков в расплаве стекла

Модель карботермического синтеза в стационарном режиме Модель разрабатывается на основании результатов массспектрометрического анализа, полученных ОАО «ВНИИНМ» в процессе карботермического синтеза нитридного топлива 25

Модель прессования таблеток в стационарном режиме Задача модели: разработка модели для расчета характеристик «сырой» таблетки в зависимости от характеристик порошка (состав порошка, размер частиц, насыпная плотность) и условий нагружения Методика моделирования, основанная на уравнениях механики сплошной среды с учетом релаксации напряжений в пористом веществе 26

Создания расчетного кода оптимизации и диагностики технологических процессов (КОД ТП) Назначение модели - имитация работы технологической схемы ПЯТЦ с целью исследования работоспособности, управляемости и оптимизации как отдельных процессов, узлов и установок, так и технологической схемы ПЯТЦ, а также систем контроля и управления элементами схемы и ПЯТЦ в целом, с возможностью последующего использования результатов разработки создаваемого кода в полномасштабной АСУТП.

Структурная схема КОД ТП 28

29

Моделирование емкостного оборудования, трубопроводов, насосов-дозаторов Концентрация cout компонента на выходе из аппарата (и во всех его точках): v – объемный расход вещества V – объем аппарата w – скорость реакции по i-му веществу Скорость свободного истечения жидкости при постоянном напоре: к – коэффициент местного сопротивления при протекании жидкости через отверстие Δh, Δp – разность уровней и давлений соответственно Напор, развиваемый насосом и передаваемый жидкости: h. Г – высота, на которую поднимается жидкость h. П – гидравлическое сопротивление трубопроводов 30

Модель центробежного экстрактора 31

Концепция модели линейного кристаллизатора 32

Автоматизированный стенд выпарной установки

Результаты моделирования выпарного узла

Концепция модели пирохимического выделения 35

Моделирование каналов измерения Структура модели: Выражения для формирования сигнала помехи: - нормально распределенная случайная величина, с заданными - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение - нормально распределенная случайная (методом Мюллера) величина с - измеряемое значение переменной - сигнал помехи - равномерно распределенные случайные величины (конгруэнтным методом) - измеренное значение переменной Модель дискретизации: Дискретизация по времени: Модель первичного преобразования: - дискретный отсчет Статическая характеристика: - отсчет после квантования Квантование по уровню: - импульсная функция - ошибка округления до ближайшего значения кванта - цикл дискретизации и шаг квантования Модель приведения к шкале: Ограничения: Динамика измерения: - текущее и предыдущее значения переменной на выходе нормирующего преобразователя (НП) - верхняя и нижняя граница сигнала на выходе НП - верхняя и нижняя граница шкалы датчика - мин. и макс. значения квантованного сигнала - постоянная времени датчика (инерционность) - масштабирующий коэффициент и смещение 36

ВЫВОДЫ 1. Работы ведутся в соответствии с дорожной картой ЧП «Коды нового поколения» и с ТЗ, утвержденным в декабре 2013 г. 2. На данном этапе актуализации ТЗ не требуется 3. Тестирование (верификация) всех разрабатываемых будет осуществляться на создаваемых лабораторных или прототипных установках в соответствии с ДК проектов «Пристанционный модуль» , «Спец. нитка» , «Плотное топливо» и «Обращение с РАО» 4. При необходимости аттестации или лицензирования потребуется разработка механизма и критериев лицензирования, в связи с отсутствием практики лицензирования подобных ПК или их отдельных модулей в настоящее время 37