Введение к работе
Появление нового комплекса космических задач, требующих для своей реализации десятков и сотен киловатт электрической мощности, ставит вопрос о создания энергетических установок большей мощности. Разрабатываемые в настоящее время коммерчески привлекательные электрогенерирующие системы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе апробированной в космосе наукоемкой термоэмиссионной технологии, в том числе для ядерных энергетических установок (ЯЭУ) прямого преобразования энергии нового поколения космического и наземного применения, способны перекрыть весь необходимый мощностной диапазон с приемлемыми эксплуатационными показателями. НИОКР по созданию термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения ведутся при значительном ужесточении технических требований по увеличению ресурса и выходной электрической мощности, повышению ядерной и радиационной безопасности. И хотя космические ЯЭУ с прямым преобразованием энергии уступают КЯЭУ с машинным преобразованием по полному к.п.д., но по системному критерию удельной массы (кг/кВтэл) они сопоставимы. До настоящего времени только термоэлектрические и термоэмиссионные космические ЯЭУ остаются единственными, прошедшими не только все стадии НИОКР, но и получившими реальный опыт использования в космосе.
Обоснование проектных решений при создании термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения выявило необходимость модернизации существующих расчетных методик и разработки современного программного обеспечения для проведения сопряженных расчетов тепловых и электрических характеристик электрогенерирующих каналов (ЭГК) и термоэмиссионных электрогенерирующих систем (ТЭС) с учетом реальной геометрической структуры их конструктивных элементов и разнообразия физических свойств материалов моделируемых устройств на основе математически корректных методов.
В настоящее время совершенствование методик расчета выходных характеристик ЭГК и ТЭС сводится, в основном, к сохранению созданных ранее методик и их адаптации под современную вычислительную технику. Отсутствие развития в данном направлении может существенно затруднить проектные работы по перспективным ЯЭУ прямого преобразования энергии со сложной геометрией конструктивных элементов. Поэтому одной из актуальных задач, возникающих при разработке и совершенствовании термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения, является развитие методик расчета, учитывающих как новые экспериментальные данные о характеристиках электродов, так и более сложную геометрическую структуру ЭГК, характеризующуюся большим набором тепловых сред разной теплопроводности, сложной формой электродных оболочек, коммутационных перемычек и других конструкционных элементов.
В настоящее время методы расчетно-проектного обоснования технических решений изменились коренным образом, благодаря развитию информационных технологий и численных методов анализа. Численные методы сделали возможным решение самых сложных задач для самых сложных физических моделей. Широкое распространение получили интерактивные программы графического представления информации, основанные на решении краевых задач математической физики с помощью метода конечных элементов, такие как ANSYS, COMSOL и другие. Это позволило более компактно описывать геометрические и физические свойства объектов по сравнению с ранее используемыми методами. В настоящее время численные методы и интерактивная графическая техника составляют единое целое в программах систем автоматизированного проектирования.
Таким образом, актуальность работы в области создания новых методик расчета электротеплофизических характеристик термоэмиссионных ЭГК и ТЭС, в первую очередь, обусловлена
проведением в настоящее время проектных работ по созданию термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения космического и наземного применения, а также термоэмиссионных энергоустановок с неядерными источниками тепла на основе природных видов ископаемого топлива;
ограниченной возможностью использования созданных ранее методик для расчета электротеплофизических характеристик ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов из-за одномерности математических моделей и существенных упрощений, лежащих в основе этих методик;
наличием большого объема экспериментальных данных о рабочем процессе высокоэффективного низкотемпературного ТЭП при отсутствии эффективной методики их использования в расчетных кодах;
необходимостью создания современного программного обеспечения проведения расчетов электротеплофизических характеристик ТЭС на основе математически корректных методов в рамках физически обоснованных моделей.
Цель диссертационной работы – модификация существующих и разработка новых методик трехмерного расчета электрических и тепловых характеристик термоэмиссионных ЭГК и ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов с использованием дискретных экспериментальных данных о вольтамперных характеристиках (ВАХ) термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) для обоснования проектных решений перспективных термоэмиссионных космических ядерных ЯЭУ, а также наземных энергетических установок (ЭУ) с ядерным или неядерным нагревом эмиттеров.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
анализ существующих методик расчета электротеплофизических характеристик ТЭС и определение направления их модификации для проведения работ в обоснование проектных решений ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения;
модификация существующего программного кода конечно-элементного анализа COMSOL с целью трехмерного моделирования электротеплофизических характеристик ЭГК и ТЭС для термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения с использованием дискретных экспериментальных данных о ВАХ ТЭП;
модификация методики использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП, основанной на аппроксимации многомерными функциями экспериментальных баз данных о ВАХ ТЭП;
расчет тепловых и электрических характеристик стационарного и переходного режима работы многоэлементного ЭГК и экспериментального лабораторного ТЭП в трехмерной геометрии с использованием экспериментальных ВАХ ТЭП, основанных на различных видах материалов электродной пары – W(110)-W(110) и Pt-ВХ2У.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что
разработан и применен новый подход к решению задачи трехмерного численного расчета тепловых и электрических характеристик термоэмиссионных ЭГК и ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов для перспективных ЯЭУ прямого преобразования энергии;
с помощью разработанной методики проведены новые расчеты в обоснование проектных решений ЭГК и ТЭС термоэмиссионных ЭУ с учетом реальной геометрической структуры конструктивных элементов и разнообразия физических свойств материалов моделируемых устройств;
впервые получены электрические и тепловые характеристики многоэлементного термоэмиссионного ЭГК в трехмерной геометрии внутри межэлектродного коммутационного пространства;
новый подход обеспечивает значительное повышение достоверности получаемых результатов и позволяет учитывать в расчете влияние технологии изготовления и рабочих условий работы электродной пары в составе ТЭП/ЭГК/ТЭС.
Практическая значимость проведенных исследований заключается в том, что
разработанный программный код конечно-элементного анализа COMSOL-ЭГК предоставляет пользователям полный спектр инструментов для трехмерного численного моделирования ЭГК и ТЭС термоэмиссионных энергоустановок нового поколения и позволяет существенно снизить временные затраты при проведении расчетов электротеплофизических характеристик ЭГК и ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов, в том числе для термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения;
при дальнейшем развитии программного кода COMSOL-ЭГК расчетная математическая модель ЭГК может быть усложнена путем присоединения других ЭГК из соседних рядов в составе активной зоны термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП), добавления модуля для расчета теплогидравлических и нейтронно-физических процессов в ЭГК и ТРП в целом, что позволит в перспективе разработанным программным кодом COMSOL-ЭГК заменить или верифицировать дорогостоящий и длительный натурный эксперимент численным;
важным практическим достоинством описываемого в работе расчетного кода является возможность прямого использования чертежей ЭГК и ТЭС, выполненных в среде автоматизированного проектирования AutoCAD.
Достоверность результатов и научных положений обеспечена применением современных алгоритмов решения краевых задач математической физики с помощью широко известного метода конечных элементов, использованием современных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП в широком диапазоне изменения параметров рабочего процесса, проведением большого объема вариантных расчётов и сравнением полученных результатов с ранее опубликованными данными. Результаты диссертации известны специалистам в области ЯЭУ прямого преобразования энергии и получили их одобрение.
Личный вклад диссертанта
Разработанные методы, выполненные расчетные исследования и представленные в диссертации результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор в рамках тематического сотрудничества с руководителем диссертации и специалистами Внереакторного исследовательско-испытательного комплекса (ВИИК) Центра исследований, испытаний и разработок в области космических ЯЭУ (ЦИИиР) ГНЦ РФ-ФЭИ самостоятельно разработал принципы модификации существующего программного кода конечно-элементного анализа COMSOL, в результате чего был получен новый программный код COMSOL-ЭГК, предназначенный для расчетной оптимизации выходных характеристик ЭГК и ТЭС в трехмерной геометрии. Предложил новый алгоритм аппроксимации экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП с эффективными электродными парами «эмиттер-коллектор» W(110)-W(110) и Pt-ВХ2У, который был реализован в программной среде MATLAB. Применил полученные алгоритмы аппроксимации в разработанном расчетном коде и получил основные результаты расчетной оптимизации электротеплофизических характеристик ЭГК и ТЭС в трехмерной геометрии.
Положения, выносимые на защиту
программный код конечно-элементного анализа COMSOL-ЭГК для расчета электротеплофизических характеристик ЭГК и ТЭС на основе трехмерной математической модели;
унифицированная путем сопряжения современных программных кодов COMSOL и MATLAB методика использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ ТЭП для расчетов электротеплофизических характеристик ЭГК и ТЭС, основанная на аппроксимации многомерными функциями банков экспериментальных данных;
результаты аппроксимации многомерными функциями экспериментальных баз данных о ВАХ ТЭП с эффективными электродными парами W(110)-W(110) и Pt-ВХ2У;
результаты расчетной оптимизации выходных электротеплофизических характеристик стационарного и переходного режима работы многоэлементного ЭГК и экспериментального лабораторного ТЭП в трехмерной геометрии.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межрегиональных конференциях и получили одобрение специалистов в области ЯЭУ прямого преобразования энергии:
-
III стратегическая сессия Школы ЯРБ. – Обнинск: НОУ «ЦИПК», 19 – 23 мая 2008г.
-
ХV школа-семинар по проблемам физики реакторов («Волга-2008»): «Актуальные проблемы физики ядерных реакторов – эффективность, безопасность, нераспространение. – М.: НИЯУ МИФИ, 22 - 24 сентября 2008г.
-
XI Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров – 2009». – Обнинск: НОУ «ЦИПК», 29 сентября - 2 октября 2009г.
-
Конкурс научных работ молодых ученых на соискание премии имени А.И.Лейпунского - 2010. – Обнинск: ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ», 31 декабря 2010г.
-
XXXI «Курчатовские чтения»-2012 в честь 20-летия ОАО «Концерна Росэнергоатом». – СПб.: НОУ ДПО «ЦИПК», 12 января 2012г.
-
X Межрегиональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Применение кибернетических методов в решении проблем общества XXI века». – Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 26-27 апреля 2012г.
-
Всероссийский межотраслевой молодежный научно-технический форум «Молодежь и будущее авиации и космонавтики». – М.: МАИ, 30 октября 2012г.
-
X Научно-техническая конференция «Молодежь в науке». – Саров.: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 7-9 ноября 2012г.
-
Научно-техническая конференция «Возможности использования ЯЭУ для решения задач ближнего космоса и снабжения напланетных станций и КА исследования дальних планет». – М.: ОАО «Красная Звезда», 29-30 ноября 2012г.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в шести публикациях. Три из них являются статьями в рецензируемых журналах из перечня ВАК («Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика» и «Научно-технический вестник Поволжья»).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации – 127 страниц. Диссертация содержит 42 рисунка, список использованной литературы включает 84 наименования.
