Инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают усовершенствованную перемешивающую решетку для малого модульного ядерного реактора (ММР), созданную под аддитивное производство. На сегодня она не имеет аналогов в мире. В будущем благодаря этой технологии электроэнергия в наиболее отдаленных и труднодоступных уголках России станет дешевле.
Экономическая эффективность АЭС с малыми модульными реакторами заключается в долгом цикле работы: единоразовая загрузка топлива позволяет им работать несколько лет без дозаправки. Это делает их более выгодными в использовании по сравнению с традиционными ТЭЦ и мазутными станциями — в том числе за счет снижения стоимости доставки топлива.
В основе таких реакторов — наиболее распространенные в атомной энергетике водо-водяные реакторы (ВВЭР). Их принцип действия заключается в нагреве воды под давлением за счет контакта с тепловыделяющими сборками, имеющими сотовую структуру. Важным компонентом такой сборки является перемешивающая решетка, задача которой — хорошо перемешивать теплоноситель и поддерживать равномерность теплотехнических характеристик потока.
При этом на поверхности тепловыделяющих элементов возникают пузырьки, которые могут привести к появлению зон кипения и перегреву. Поэтому второй задачей при модернизации перемешивающей решетки, помимо интенсификации теплообмена, является исключение этих зон кипения.
Уникальность разработки специалистов СПбПУ в том, что они первыми в мире сразу проектируют новое изделие под 3D-печать. Традиционные технологии производства, основанные на обработке цельного металлического листа, уже исчерпали свой потенциал для повышения эффективности. А аддитивные технологии, напротив, позволяют создавать детали со сложной внутренней геометрией, оптимизация которых существенно повышает гидродинамические и теплосъемные характеристики решетки.
В конечном итоге использование модернизированных перемешивающих решеток позволит снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии на 5%.
Об актуальности разработки рассказал заместитель директора инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» ПИШ «Цифровой инжиниринг» СПбПУ Николай Ефимов-Сойни.
«Разработка малых модульных ядерных реакторов — это работа на перспективу, на будущее, которую активно поддерживает государство при помощи своих программ. Ведь достижение технологического лидерства невозможно, если решать только те задачи, которые актуальны здесь и сейчас, — подчеркнул ученый. — Кроме того, в настоящее время в России реализуется национальный проект “Новые атомные и энергетические технологии”, который в том числе направлен на обеспечение суверенитета в атомной сфере и разработку малых модульных реакторов».
Проектирование перемешивающей решетки инженеры СПбПУ ведут на цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®, которая не имеет аналогов в России по объему представленных на ней цифровых и проектных решений. На сегодня их более 375 тысяч, в том числе для атомной отрасли.
Использование передовой технологии цифровых двойников позволяет не только снизить себестоимость разработки и производства изделия, но и уменьшить количество необходимых натурных испытаний за счет большого числа цифровых на специализированных стендах и полигонах.
Проект рассчитан на три года. Сейчас ученые разрабатывают:
- методологию цифрового проектирования, которая должна определить все необходимые показатели (в том числе физические), их влияние друг на друга и конечный результат;
- усовершенствованную конструкцию самой перемешивающей решетки с улучшенными показателями целевых функций.
Разработка цифровых технологий, обеспечивающих термопрочность, надежность, долговечность и эффективность ММР за счет интенсификации тепломассообмена в активной зоне ядерного реактора, проходит в рамках ключевого научно-технологического направления (КНТН-1) «Системный цифровой инжиниринг». Оно нацелено на создание технологий и продукции, превосходящих зарубежные аналоги, на основе цифровых двойников и цифровой платформы CML-Bench®.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
