КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-79-00249
НазваниеРазработка каскадных схем для эффективного получения изотопо-модифицированных материалов для топливных циклов перспективных ядерных реакторов и других приложений
РуководительСмирнов Андрей Юрьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словаРазделение изотопов, функциональные материалы, разделительный каскад, изотопомодифицированные материалы, многокомпонентная смесь, многопоточный каскад, регерированный уран
Код ГРНТИ58.29.15
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Цель проекта - разработка математических моделей и методик расчета и оптимизации многопоточных каскадов и их комбинаций для разделения многокомпонентных изотопных смесей. Данные каскады могут быть реализованы на основе центробежной технологии разделения изотопов, которая широко применяется в РФ. В случае практической реализации подобных каскадов они могут позволить эффективно решить проблемы получения высококонцентрированных изотопов промежуточных масс, а также обогащения выделенного из отработавшего ядерного топлива регенерированного урана с учетом требований стандартных спецификаций по содержанию четных изотопов урана (U-232,234,236).
Актуальность работы обусловлена тем, что разделение многокомпонентных изотопных смесей становится все более значимой и масштабной задачей для разделительных производств, наряду с обогащением урана. В последние десятилетия расширяется применение изотопно-модифицированных материалов в различных приложениях (медицина, ядерная энергетика, фундаментальные физические исследования, биология, геология, электроника и другие). В таких материалах содержание изотопов химических элементов отличается от природных значений. Изменение состава изотопной смеси происходит в процессе ее разделения каким-либо методом. В РФ значительное распространение получил газоцентрифужный метод, который в настоящее время используется для получения около сотни стабильных изотопов чуть более 20 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Помимо этого газовые центрифуги используются для повышения удельной активности радиоактивных изотопов (например, C-14, Ni-63, Kr-85, Sn-121m). Для получения необходимого количества продукта с требуемой концентрацией используют многоступенчатые разделительные установки, называемые каскадами, представляющими собой последовательно-параллельное соединение газовых центрифуг.
При этом, при разделении многокомпонентных изотопных смесей зачастую интерес представляет получение изотопов, имеющих промежуточное массовое число в ряду массовых чисел изотопов разделяемой смеси. Поскольку именно такие изотопы часто оказываются наиболее востребованными в приложениях. Например, в медицине применяются изотопы криптона ( Kr-82, Kr-83, Kr-84), ксенона (Xe-129) и кислорода (O-17) , в ядерной энергетике – изотопы никеля (Ni-62) и свинца (Pb-206), в полупроводниковой технике – изотопы кремния (Si-29) и германия (Ge-72). Помимо этого изотопы промежуточных масс являются стартовым материалом для получения радиоактивных изотопов, которые широко используются в ядерной медицине. Одним из ярких примеров является Mo-98, на основе использования которого в качестве мишени в ускорителях с нейтронным источником возможно получить радиоактивный изотоп Mo-99, применяемый в последующем для генерации изомера Tc-99m. Данный изомер технеция-99 широко применяется в диагностических процедурах с использованием радиофармпрепаратов.
Предлагаемые в проекте многопоточные каскады являются одним из перспективных вариантов решения проблемы эффективного получения высоконцентрированных изотопов промежуточных масс. Идея многопоточных каскадов для решения таких задач активно обсуждается в профессиональном сообществе в последние годы. Принцип работы подобных каскадов заключается в том, что изотопы промежуточных масс концентрируются, как правило, на внутренних ступенях каскада. Показано, что варьированием ключевых параметров каскада (например, отношения потока отбора к потоку питания, величин потоков питания ступеней каскада и др.) можно увеличить концентрацию целевого промежуточного изотопа внутри каскада. Включением дополнительного выходящего потока из ступени с максимальной концентрацией изотопа промежуточной массы можно извлечь продукт с требуемой концентрацией. Теория подобных каскадов получила развитие в последние годы. Однако в ней до сих пор отсутствует разработанный обобщенный универсальный подход, позволяющий определять наилучшую схему концентрирования того или иного промежуточного изотопа, а также отсутствуют методики оптимизации подобных схем.
Помимо эффективного получения стабильных изотопов промежуточных масс многопоточные схемы каскадов и их комбинации оказываются востребованными в такой актуальной для ядерной энергетики задаче, как обогащение регенерированного урана (регенерата урана), составляющего большую часть (90-95%) отработавшего топлива реакторов на тепловых нейтронах. Использование регенерированного урана может позволить заметно сократить объем захоронения ядерного топлива и уменьшить расход природного урана при получении топлива энергетических реакторов на тепловых нейтронах. Однако регенерат урана является многокомпонентной смесью ввиду присутствия в его составе искусственные изотопы урана (в первую очередь, U-232,236), что затрудняет его использование, поскольку получаемое топливо должно отвечать требованиям стандартной спецификации низкообогащенного урана. Следовательно, для решения проблемы эффективного обогащения регенерата необходима коррекция его изотопного состава по изотопам U-232,236. В опубликованных за последние 10 лет работах выдвинуто несколько идей решения проблемы обогащения регенерата урана в многопоточных каскадах, использование которых позволяет получать низкообогащенный уран требуемого качества. Однако каждая их предложенных схем имеет свои недостатки, вследствие чего до сих пор отсутствует ответ на вопрос о том, какую их схем следует использовать. В этой связи работы, направленные на поиск новых вариантов многопоточных каскадных, позволяющих нивелировать недостатки ранее предложенных схем, представляются крайне актуальными.
Таким образом, работа посвящена решению актуальных для теории и практики разделения многокомпонентных изотопных смесей задач. В рамках проекта планируется проведение работ по обобщению и критическому анализу существующих на сегодняшний день способов решения указанных выше проблем и разработка по результатам исследований новых способов выделения промежуточных компонентов и обогащения смесей регенерированного урана с тем, чтобы максимально использовать накопленный потенциал центробежной технологии разделения изотопов для получения функциональных материалов для актуальных приложений и эффективного замыкания топливного цикла перспективных энергетических реакторов.
В этом контексте расчетно-теоретические исследования физических закономерностей изотопо-селективного массопереноса в разделительных каскадах и оптимизация подобных процессов при разделении смесей регенерированного урана и стабильных изотопов, которые будут решаться в рамках данного проекта, являются важной составной частью общей задачи эффективного обеспечения перспективных реакторных установок топливом и функциональными материалами и могут внести вклад в общую теорию разделения многокомпонентных изотопных смесей в каскадах газовых центрифуг.
Ожидаемые результаты
1. Математические модели многопоточных каскадных схем и их последовательных соединений (двойных каскадов).
2. Методики и алгоритмы расчета и оптимизации параметров многопоточных каскадов по выбранным критериям эффективности для поиска наилучших способов эффективного разделения смесей стабильных изотопов с выделением промежуточных компонентов, востребованных в качестве функциональных материалов для ядерной энергетики и других приложений, а также повторного обогащения регенерированного урана для производства топлива реакторов ВВЭР с максимальной экономией природного урана.
3. Результаты анализа данных численных экспериментов, проведенных с целью выявления закономерностей массопереноса в предложенных в проекте многопоточных каскадах, в том числе выявление взаимосвязей ключевых параметров каскадов (число разделительных элементов -центрифуг, величина расхода исходного вещества, отнесенная к величине потока продукта и др.).
4. Результаты оптимизации параметров предложенных каскадных схем по заданным критериям эффективности. Сравнительный анализ предложенных в проекте схем каскадов и их прототипов по ключевым экономическим характеристикам работы разделительного каскада на примере получения высококонцентрированных стабильных изотопов, востребованных в конкретных приложениях (например, Kr-82, Kr-83, Kr-84, W-183, Xe-129 и др.).
5. Обобщение результатов выполненного проекта с целью оценки их значимости для общей теории разделения многокомпонентных смесей в каскадах и решения задач получения стабильных изотопов и обогащенного регенерированного урана для производства ядерного топлива и функциональных материалов перспективных реакторных установок. Оценка возможности патентования предложенных в проекте моделей.
6. Рекомендации и предложения по практическому использованию результатов проведенных исследований и их дальнейшему развитию.
Запланированные направления исследований по проекту отражают современные тенденции развития теории каскадов для разделения изотопных смесей, что следует из анализа публикаций основных мировых научных конкурентов за последние годы. Соответствие результатов планируемого исследования мировому уровню следует из того, что автором настоящей заявки в также в последние годы опубликована серия статей в российских (переводных) и зарубежных высокорейтинговых журналах (включая 1 статью в журналах из первого квартиля), посвященных тематике исследования. Кроме того, за последние 5 лет автор лично являлся руководителем или исполнителем в научных проектах, поддержанных различными фондами, по схожей тематике.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1) Предложена схема одиночного многопоточного каскада, позволяющая осуществить одновременное концентрирование двух изотопов промежуточных массовых чисел до концентраций выше, чем предельно достижимые на выходах ординарных каскадов. В качестве объекта исследования рассмотрена модель Q-каскада, которая была обобщена на случай наличия двух областей расширения потока, в которых извлекают потоки дополнительных потоков отбора. на основе анализа результатов вычислительных экспериментов, проведенных на примере разделения смеси изотопов вольфрама природного состава показана возможность одновременного концентрирования изотопов W-183 и W-184 до концентраций 70 и 80%, соответственно. Следует отметить, что достигаемые значения концентраций указанных изотопов значительно превышают теоретические пределы достижимых для этих же изотопов концентраций в концевых выходящих потоках. При этом величины дополнительных отборов могут составлять от 50 до 70 % и выше от величины основного (концевого) отбора каскада. Данные каскадные схемы потенциально применимы для выделения промежуточных компонентов из смесей с числом компонентов не менее 3-7.
2) Разработаны физические принципы одновременного концентрирования нескольких изотопов промежуточных масс в различных выходящих потоках комбинации многопоточных каскадных схем. В частности, рассмотрен вариант комбинации двойных каскадов, имеющий 5 выходящих потоков. Предлагаемая схема представляет собой последовательное соединение двух каскадов: первый имеет 4 выходящих потока, два из которых направляют на вход последующего каскада, который, в свою очередь, имеет 3 выходящих потока. Разработаны математические модель и методика расчета параметров подобной схемы, реализованная в виде программного кода. Проведенные вычислительные эксперименты показали возможность эффективного выделения промежуточных компонентов в такой каскадной схеме с одновременным получением высоких концентраций и изотопов крайних по массовым числам.
Описанные в работе принципы построения каскадной схемы могут быть обобщены на случай выделения промежуточных компонентов из смесей с большим или меньшим числом компонентов.
3) Предложена трехкаскадная схема для обогащения смеси выделенного из ОЯТ регенерированного урана, позволяющая получить продукт, удовлетворяющий ограничениям по всем четным изотопам урана, и одновременно расходующая на его производство заданное количество регенерата урана. Последнее необходимо для полного замыкания цикла по урану и корректного контроля за оборотом делящихся материалов при экспортных поставках топлива. С использованием теории каскадов для разделения изотопов был проиллюстрирован принцип действия предложенной схемы каскада для обогащения регенерированного урана, испытавшего несколько циклов облучения. Продемонстрировано соответствие всем заданным условиям и ограничениям в согласии с международными стандартами.
Анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что даже в случае обогащения многократно рециклированного урана предложенная схема позволяет обеспечить 100% возврат регенерата в воспроизводство топлива с одновременным получением НОУ, отвечающего всем требованиям по содержанию четных изотопов. При этом предложенная схема обеспечивает большую, чем большинство простейших схем обогащения регенерата экономию природного урана (на уровне 15%).
Публикации
1. Мустафин А.Р., Смирнов А.Ю., Цень Ш., Сулаберидзе Г.А., Борисевич В.Д., Тянь Д. Objective function at optimization of separation cascades AIP Conference Proceedings, V. 2101, paper 020008 (2019) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5099600
2. Смирнов А.Ю., Гусев В.Е., Сулаберидзе Г.А., Невиница В.А. A method to enrich reprocessed uranium with various initial contents of even-numbered isotopes AIP Conference Proceedings, V. 2101, paper 020006 (2019) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5099598
3. Фомин Д.Н., Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А., Мустафин А.Р. Каскады с расширением потока для одновременного концентрирования промежуточных компонентов Атомная энергия, - (год публикации - 2019)
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Разработаны методики оптимизации одиночных каскадов и систем каскадов (многокаскадных схем) различного типа. Рассмотрены примеры одно-, двух- и трех каскадных схем. Предложенные методики апробированы как для оптимизации систем модельных каскадов (на примере Q-каскадов), так и для систем используемых в практике разделения стабильных изотопов прямоугольных каскадах. В основе разработанных методик лежат современные стохастические методы оптимизации, в частности, методы "роя частиц" и "пчелиного роя". Среди основных результатов разработаны методики оптимизации двух- и трехкаскадных схем, составленных как из модельных Q-каскадов, так и из прямоугольных каскадов (каскадов с одинаковыми потоками питания ступеней). В качестве примеров разделяемых смесей рассмотрены смеси изотопов свинца, вольфрама, криптона, молибдена и ксенона. Показана возможность эффективного одновременного концентрирования сразу четырех изотопов многокомпонентных смесей и получения их с концентрациями не ниже 90%. Применение оптимизации позволило найти наилучшие параметры многокаскадных схем при одновременном концентрировании сразу нескольких изотопов до концентраций выше 90%. Полученные результаты подтвердили высказанные теоретические предположения об эффективном одновременном концентрировании различных изотопов промежуточных масс в предложенных каскадных схемах.
В качестве одно из примеров рассмотрена четырехкомпонентная смесь изотопов свинца, для которой показана возможность фактически полного разделения на 4 потока в трехкаскадной схеме, в каждом из которых сконцентрирован один из четырех изотопов указанной смеси с концентрацией на уровне 99%. При этом в литературе известны схемы, которые позволяют одновременно концентрировать до близких значений концентраций только 2 изотопа свинца - Pb-206, Pb-208 (до концентраций 99,0% и 85,1%, соответственно). Сравнение оптимальных параметров разработанных схем с известными ранее в литературе схемами показало, что ни одна из известных схем не позволяет одновременно эффективно концентрировать до четырех изотопов.
2. Предложена трехкаскадная схема обогащения регенерированного урана для получения низкообогащенного урана, отвечающего требованиям по содержанию четных изотопов (U-232, U-234, U-236). Указанные требования являются следствием необходимости выполнения условий по радиационной безопасности, а также сохранения нейтронно-физических характеристик ядерного топлива. При разработке схемы помимо ограничений на содержание четных изотопов также было учтено условие полного возврата материала в цикл, то есть, когда на производство 1 кг свежего топлива расходуется весь регенерированный уран, выделенный из 1 кг ОЯТ. Подобное условие может быть важно в контексте экспортных поставок топлива, когда баланс ядерных материалов важен с точки зрения соблюдения режима нераспространения ядерных материалов. Кроме того, только при выполнении данного условия будет возможно говорить о реальном замыкании топливного цикла по урановой составляющей.
Для предложенной схемы разработана методика расчета и оптимизации ее параметров. Анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что даже в случае обогащения многократно рециклированного урана предложенная схема позволяет обеспечить 100% возврат регенерата в воспроизводство топлива с одновременным получением НОУ, отвечающего всем требованиям по содержанию четных изотопов. Оценены материальные потоки при наработке 21 тонны товарного НОУ в такой схеме. Показано, что она производит меньшее количество обедненного урана (примерно на 3%), чем штатный каскад для обогащения природного урана для получения эквивалентного НОУ. При этом предложенная схема обеспечивает большую, чем большинство простейших схем обогащения регенерата экономию природного урана, которая в последних в среднем составляет около 15%.
3. Обобщены результаты, полученные в рамках проекта в 2018-2020 годах и намечены направления развития исследований по данной теме. Предложенные в процессе реализации проекта схемы каскадов с двумя отборами и трехкаскадные схемы для одновременного концентрирования сразу нескольких изотопов при разделении многокомпонентных смесей дополняют существующую теорию многопоточных и многокаскадных схем. Важным результатом являются разработанные методики оптимизации таких многокаскадных и многопоточных схем, которые в дальнейшем могут быть развиты и адаптированы для поиска эффективных способов концентрирования промежуточных изотопов многокомпонетных смесей при решении конкретных прикладных разделительных задач. Таким образом, результаты проекта имеют также важное методическое и прикладное значение, открывают возможность для дальнейшего развития предложенных подходов в теории каскадов для разделения многокомпонентных смесей стабильных изотопов.
Предложенная в проекте многокаскадная схема обогащения регенерированного урана дополняет спектр известных до этого схем обогащения регенерата урана и представляет интерес для дальнейшего изучения, поскольку на ее основе возможно развить подходы к оптимизации таких многокаскадных схем, реализующих обогащение одного изотопа, с одновременным выполнением ограничений на другие (U-232,234,236).
4. Разработанные в проекте методики численного расчета и оптимизации параметров многокаскадных и многопоточных схем каскадов могут быть востребованы и использованы в расчетных отделах на разделительных производствах, включая крупнейший в РФ комбинат по производству стабильных изотопов методов газовой центрифуги – ПО «ЭХЗ» (г. Зеленогорск, Красноярский край), а также внедрены в учебный процесс в ВУЗах, осуществляющих подготовку студентов по специальностям, связанным с физикой разделения изотопных и молекулярных смесей, в частности в НИЯУ МИФИ, УрФУ, НИУ ТПУ и других.
Публикации
1. Азизов Т.Э., Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А. Оптимизация прямоугольного каскада центрифуг для разделения многокомпонентных смесей стабильных изотопов Атомная энергия, - (год публикации - 2020)
2. Азизов Т.Э., Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А., Мустафин А.Р. Optimization of a system of square cascades for efficient concentration of intermediate isotopes IOP Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020)
3. Гусев В.Е. Multy-cascade enrichment schemes for reprocesseduranium recycling IOP Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020)
Возможность практического использования результатов
Проведенная работа носила теоретический характер. Однако результаты реализованных в проекте вычислительных экспериментов обосновывают преимущества предложенных в проекте многокаскадных и многопоточных схем как для эффективного концентрирования изотопов промежуточных массовых чисел при разделения многокомпонентных смесей стабильных изотопов, так и при обогащении регенерированного урана для решения задачи топливообеспечения энергетических реакторов на тепловых нейтронах. Безусловно, выдвинутые идеи требуют дальнейшей технологической проработки и техники-экономического обоснования, но в случае успешной реализации данных мероприятий и внедрении предложенных решений в практике разделения стабильных изотопов и обогащения регенерированного урана, это может оказать положительный экономический эффект и упрочить лидерские позиции Российской Федерации на мировом рынке изотопной продукции и услуг в области ядерного топливного цикла. Кроме того, вследствие возможного удешевления изотопной продукции, она сможет найти более широкое применение и на внутреннем рынке, особенно, например, в сфере медицинских исследований и ядерной медицины. Последнее напрямую связано с развитием социальной сферы и здравоохранения, а также стимулирует более широкое использование изотопной продукции и в других областях.