Математическое моделирование замкнутого уран-плутониевого топливного цикла на основе тепловых и быстрых реакторов с использованием программного комплекса CYCLE. Мосеев Павел Андреевич

Введение к работе

Актуальность работы

Определение возможных путей развития ядерной энергетики (ЯЭ), представляет собой весьма сложную задачу. Последние 60 лет, прогнозы развития ядерной энергетики в разных регионах мира изменялись в достаточно широких пределах.

При оценке тенденций развития ЯЭ необходимо учитывать изменяющиеся сложные макроэкономические условия, регулярно обновлять расчётные модели и учитывать современные технологии в ЯЭ - использовать только актуальные данные.

Вследствие этого, является крайне актуальным решение следующих проблем:

разработка новых и модернизация существующих программных комплексов для моделирования сценариев развития ЯЭ. Для выполнения расчётов сложных актуальных сценариев развития ЯЭ нужны современные функциональные программные комплексы с широкими расчётными и аналитическими возможностями, а также возможностью дальнейшего усовершенствования их функционала;

для проведения моделирования сценариев развития ЯЭ важна достоверность и полнота исходных данных. При анализе результатов расчёта, основанного на недостоверных данных и чрезмерно упрощённых моделях, можно прийти к неправильным выводам;

необходимо моделировать различные схемы двухкомпонентной ЯЭ с совместной работой тепловых (ТР) и быстрых реакторов (БР).

Моделирование открытого (ОЯТЦ) и замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) при помощи современных своевременно обновляющихся программных комплексов, которые имеют доступ к достоверным исходным данным, даёт широкие возможности для оценки развития ЯЭ в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективе, а также позволяет предусмотреть возникновение и решение проблем, связанных с переработкой отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и захоронением радиоактивных отходов.

Актуальность работы, также, обусловлена и тем. что благодаря разработанным программам и базам данных при анализе сценариев развития ядерной энергетики можно не ограничиваться парком реакторов одной страны - стаю возможным учитывать взаимодействие в рамках международного сотрудничества (экспорт реакторов, переработка ОЯТ, изготовление топлива, возврат ОЯТ для переработки и т.д.).

Цели и задачи работы

Целью работы является создание новых и развитие существующих математических моделей и программных инструментов для моделирования и исследования различных сценариев развития двухкомпонентной ЯЭ с ТР и БР.

Задачами исследования стали:

1. Изучение возможностей современных программных комплексов для моделирования развития ЯЭ;

2. Расширение функциональных возможностей программного комплекса (ПК) CYCLE:

разработка и применение методики управления складскими запасами плутония:

-і

апробация разработанной методики на расчётах тестовых сценариев развития ядерной энергетики;

улучшение эргономики CYCLE (модернизация программной оболочки, усовершенствование пользовательского интерфейса CYCLE);

модернизация программного модуля учёта переочистки плутония от америция в CYCLE. Апробация этого модуля;

разработка и реализация интегратора для CYCLE, вспомогательных расчётных программ и баз данных;

3. Разработка, наполнение и использование специализированной базы данных по гражданскому плутонию России;

4. Проектирование и разработка программной оболочки с модулями обработки данных для работы со специализированной базой данных по гражданскому плутонию России;

5. Проведение расчётных исследований различных сценариев развития двухкомпонентной ЯЭ и анализ полученных результатов.

Результаты работы, выносимые на защиту

1) Методика управления складскими запасами плутония в замкнутом топливном цикле
с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах, позволяющая существенно упростить и
ускорить создание сценариев интенсивного развития ЯЭ;

2. Программные модули для CYCLE, реализующие алгоритмы решения задач моделирования различных сценариев развития ядерной энергетики;

3. Специализированная база данных по гражданскому плутонию России (СБДП), необходимая для проведения аналитических исследований, подготовки данных для программного комплекса CYCLE и других программ, моделирующих ЯТЦ.

4. Программа для работы с СБДП с набором необходимых функций, позволяющих проверять и обрабатывать исходные данные, загружать информацию в базу данных, совершать многокритериальный поиск и производить пересчёт изотопного состава плутония на выбранный момент времени в будущем.

Научная новизна работы:

Впервые разработана и реализована в программном комплексе методика управления складскими запасами плутония с учётом изменения его изотопного состава в замкнутом топливном цикле с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах, которая позволяет упростить и ускорить создание сценариев развития ЯЭ;

Разработана, реализована и наполнена специализированная база данных по гражданскому плутонию России и некоторым другим материалам, важным для моделирования ЯТЦ;

Ряд расчётных программ объединён в общую расчётно-аналитическую платформу -программный интегратор, который позволяет проводить сложные многоплановые сценарные исследования в области замкнутого уран-плутониевого топливного цикла на основе тепловых и быстрых реакторов.

Достоверность

Достоверность результатов подтверждается расчетами тестовых сценариев развития ядерной энергетики и их согласием с аналогичными расчетами, выполненными с помощью других инструментов моделирования.

Основные результаты работы опубликованы в виде препринтов ФЭИ и статей в рецензируемых журналах, а также докладывались на конференциях.

Практическая значимость работы

Разработанные программные модули для программного комплекса CYCLE и методика управления складскими запасами плутония позволяют расширить область применения CYCLE при моделировании ЯТЦ и проводить расчетные исследования более широкого круга сценариев развития двухкомпонентной ЯЭ с ТР и БР в замкнутом ядерном топливном цикле.

Разработанная и реализованная методика позволяет существенно ускорить процесс формирования сценариев интенсивного развития ЯЭС с замкнутым ЯТЦ.

Разработанная специализированная база данных по гражданскому плутонию России широко применяется для проведения аналитических исследований, связанных с замыканием ядерного топливного цикла.

Апробация работы

1. Методики и дополнительные модули для программного комплекса CYCLE, внедрены в процесс работы и успешно применяются в АО «ЕНЦ РФ-ФЭИ имени А.И. Лейпунского» при создании и моделировании сценариев развития ЯЭ.

2. Программный комплекс CYCLE был зарегистрирован в государственном реестре программ для ЭВМ. Было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013660956.

3. Специализированная база данных по гражданскому плутонию и программа расчетными модулями были завершены и внедрены в организацию - заказчика работы (ВНИИНМ им. Бочвара, Москва) в конце 2014 года.

4. Расширение возможностей специализированной базы данных по гражданскому плутонию России было проведено в рамках проекта РФФИ №16-48-400297.

5) Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах и конференциях:
-Научно-технический форум "Нейтронно-физические и теплофизические проблемы

ядерной энергетики" «Нейтроника-2014», г. Обнинск.

-«Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015» Круглый стол. Основные направления проекта «ПРОРЫВ» и требования к подготовке кадров, г. Обнинск.

-Научно-технический форум "Нейтронно-физические и теплофизические проблемы ядерной энергетики" «Нейтроника-2015», г. Обнинск.

-Международной конференции INMM 2015, США.

-XIV Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров» ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2015. г. Обнинск.

-Конференция МАЕАТЭ по реакторам на быстрых нейтронах и соответствующим топливным циклам: "Устойчивое развитие ядерно-энергетических систем" (FR17). г. Екатеринбург, 2017 г.

Личный вклад автора

Автором предложена и внедрена в программный комплекс CYCLE методика управления складскими запасами плутония.

Автором улучшена эргономика программного комплекса CYCLE - разработан интуитивно понятный пользовательский интерфейс.

Автором модернизирован программный модуль учёта переочистки плутония от америция в CYCLE и проведена апробация работы этого модуля.

Автором спроектирована и создана специализированная база данных по гражданскому плутонию России.

Автором создана программа с интерфейсом пользователя, модулями обработки данных, извлекаемых из созданной базы данных по плутонию (СБДП), различными вариантами поиска данных и аналитическим модулем.

Автором выполнено первичное наполнение СБДП данными с мест хранения плутония.

Автором проведена апробация работы СБДП на примере ТВС Балаковской АЭС.

Автором разработан интегратор для объединения или эффективной организации работы ПК CYCLE, СБДП и вспомогательных программ.

Автором получены и проанализированы результаты всех расчетных исследований актуальных сценариев развития ЯЭ, представленных в диссертации.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 9 статей, из них 6 в научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 1 в Elsevier, 1 в Scopus, 3 препринта. Проведены 2 семинара и сделаны 6 докладов на конференциях.

Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации - 147 страниц, в том числе 78 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 93 наименования.