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 20-79-00152
НазваниеОптимизация стационарного и нестационарного массопереноса в многокаскадных схемах для получения стабильных изотопов и обогащения регенерированного урана
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 | 07.2020 - 06.2022 |
Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «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, изотопо-модифицированные материалы, разделительный каскад, многокомпонентная смесь, функциональные материалы, двойной каскад, многокаскадная схема, регерированный уран
Код ГРНТИ58.29.15
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку и оптимизацию моделей стационарного и нестационарного массопереноса в многокаскадных разделительных установках с целью выявления оптимальных режимов разделения изотопов и получения целевых продуктов с наименьшими потерями разделительных мощностей и рабочего вещества.
Тенденцией развития отрасли разделения изотопов является все более широкое внедрение изотопо-модифицированных материалов в различные сферы человеческой деятельности. В дополнение к традиционно используемым в ядерной энергетике обогащенному урану и некоторым стабильным изотопам, обогащенные изотопы тех или иных химических элементов находят применение в медицине, биологии, электронике, физических исследованиях и промышленности. Их используют как в качестве материалов с заданными физическими или ядерно-физическими свойствами, так и в качестве "меченых" атомов, а также сырья для производства радиоактивных изотопов с целью использования в диагностических и терапевтических процедурах в медицине. Важно отметить, что зачастую различные изотопы одного и того же химического элемента востребованы в целом ряде приложений (молибден, кадмий, ксенон, криптон, цинк и др.) и, следовательно, с точки зрения повышения эффективности процесса и снижения удельных затрат на него представляется целесообразным организовать их одновременное концентрирование в одной разделительной установке. Подобный процесс может быть реализован на базе центробежного метода разделения, на основе которого возможно получение около сотни стабильных изотопов. Однако для этого потребуется более сложные установки, чем традиционно используемые трехпоточные (питание, отбор, отвал) каскады центрифуг, а именно многокаскадные схемы, представляющие собой последовательные соединения нескольких трехпоточных каскадов. Их использование может позволить получать одновременно несколько (три и более) изотопов разделяемых смесей с относительно высокими концентрациями. На текущий момент двойные каскады используют преимущественно для концентрирования одного компонента, имеющего промежуточное массовое число, поскольку такие изотопы затруднительно получить с высокими концентрациями при использовании одиночного трехпоточного каскада. Но до сих пор отсутствует обобщенная теория многокаскадных, на основе которой возможно было бы выбирать оптимальные варианты многокаскадных схем для решения конкретных задач получения ряда изотопов одного и того же химического элемента. Кроме того, практически полностью отсутствует теория управления переходными процессами в таких схемах, что также является немаловажным, поскольку условия нестационарного режима работы каскада, в частности, время выхода на стационар могут оказывать заметное влияние на эффективность процесса в целом.
В связи с вышесказанным разработка моделей стационарного и нестационарного массопереноса в многокаскадных схемах для разделения многокомпонентных смесей изотопов неурановых элементов является актуальной задачей для теории разделения изотопов в каскадах.
Отдельное внимание в настоящее время уделяют поиску эффективного решения задачи обогащения выделенного из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) регенерированного урана. Обогащение данного материала осложнено появлением в его составе возникших в процессе облучения топлива в реакторе искусственных изотопов урана U-232,236. Их содержание в "свежем" ядерном топливе строго регламентировано, согласно требованиям международных спецификаций. Выбор оптимального способа обогащения данного материала в каскадах центрифуг, позволяющего минимизировать потери ценного изотопа U-235 и возникающих отходов в виде фракции, загрязненной четными изотопами урана, позволит сократить объемы захоронения ОЯТ и сэкономить 20-25% природного урана при обеспечении топливом реакторов на тепловых нейтронах. Следовательно, решение этой задачи является важной вехой на пути к замыканию топливного цикла и улучшению ресурсообеспеченности ядерной энергетики. Опубликованные за последние годы работы исследователей в этой области свидетельствуют о том, что наиболее эффективные варианты решения проблемы обогащения регенерата основаны на применение двойных или тройных каскадных схем. Основная причина состоит в том, что в отличие от ранее предложенных модификаций одиночных каскадов для решения той же задачи, многокаскадные схемы позволяют более эффективно отделять четные изотопы урана от U-235. Данная особенность позволяет применять их в том числе для обогащения составов регенерата с повышенным содержанием изотопов U-232,236, что актуально в случае многократного рецикла урана в топливе энергетических реакторов, когда за несколько циклов в регенерате накапливается большая масса указанных изотопов. С другой стороны одной из основных проблем двойных каскадов для обогащения регенерата является наличие отдельного потока отхода, в котором сконцентрированы U-232,234,236 и неминуемо часть U-235. Данный отход представляет опасность с точки зрения радиационной и ядерной безопасности, поэтому одним из вариантов его утилизации предлагается перемешивать его с обедненным ураном и направлять на последующее долговременное хранение. Однако в этом случае будет "потеряна" и значительная масса целевого изотопа U-235, что в целом снижает эффективности использования регенерата. Следовательно, поиск модификации многокаскадной схемы обогащения регенерированного урана, минимизирующей потери изотопа U-235, также представляется актуальной и научно-значимой задачей.
Таким образом, целью проекта является разработка обобщенной теории многокаскадных схем и подходов к их оптимизации в стационарном и переходном режимах для решения актуальных задач одновременного концентрирования нескольких изотопов одного и того же химического элемента, а также по сути аналогичной задачи коррекции изотопного состава регенерированного урана с минимизацией потерь значимого для энергетики изотопа U-235. Достижение заявленных целей проекта направлено на поиск подходов к снижению удельных затрат при производстве изотопной продукции, что при соответствующем внедрении в практике разделения изотопов методом газовой центрифуги в дальнейшем может обеспечить увеличение объемов производства и потребления изотопной продукции в таких значимых для экономики отраслях, как энергетика, электроника, медицина и другие.
Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта предполагается получить следующие результаты:
1. Результаты анализа физических закономерностей стационарного массопереноса в различных многокаскадных схемах для разделения смесей стабильных изотопов и обогащения регенерированного урана.
2. Обоснование выбора вариантов многокаскадных схем для одновременного концентрирования нескольких изотопов промежуточных масс и рекомендации относительно применения каждой из них с учетом специфики поставленной задачи.
3. Рекомендации относительно выбора многокаскадной схемы для обогащения регенерата урана различного исходного состава и снижения потерь U-235 вследствие его очистки от четных изотопов для однократного и многократного рецикла при следующих условиях: а) одновременное выполнение ограничений на концентрации четных изотопов; б) обеспечение заданного расхода регенерата на единицу массы товарного продукта с максимальным возвратом изотопа U-235; в) минимизация массы нештатных отходов при обогащении регенерата.
4. Математические модели стационарного и нестационарного массопереноса в последовательном соединение нескольких каскадных схем (двойные и тройные каскады) для решения таких задач, как (а) обогащение регенерированного урана с учетом требований к содержанию изотопов U-232,234,236 в продукте; (б) одновременное концентрирование нескольких изотопов промежуточных и крайних массовых чисел посредством одной многокаскадной установки.
5. Методики и алгоритмы расчета и оптимизации параметров многокаскадных схем по выбранным критериям эффективности для поиска наилучших способов эффективного разделения смесей стабильных изотопов с одновременным концентрированием нескольких изотопов одного и того же химического элемента, востребованных в различных приложениях, а также повторного обогащения регенерированного урана для производства топлива реакторов ВВЭР с максимальной экономией природного урана и минимизацией отходов.
6. Методики и алгоритмы расчета и оптимизации параметров многокаскадных схем для обогащения регенерированного урана с одновременной минимизацией потерь делящегося изотопа U-235. Оценка влияния исходного изотопного состава регенерированного урана на эффективность решения задачи на основе многокаскадных схем.
7. Методики и алгоритмы расчета и оптимизации параметров многокаскадных схем в условиях переходного (нестационарного) режима с целью сокращения его времени и минимизации отходов производства, получаемых на данной стадии процесса. Оценка возможности выделения изотопов промежуточных масс в условиях переходных процессов.
8. Результаты оптимизации параметров предложенных каскадных схем по заданным критериям эффективности. Результаты сравнения эффективности различных комбинаций одиночных каскадов, предложенных в работе, между собой и с ранее предложенными схемами для решения схожих задач. Оценка возможности одновременного получения сразу нескольких изотопов с высокими концентрациями для использования в различных приложениях (на примере смесей молибдена, кадмия, ксенона и др.).
9. Рекомендации по практическому использованию результатов проекта, включая оценку полноты решения задач и эффективности предложенных подходов с точки зрения их дальнейшего воплощения в практике разделения многокомпонентных изотопных смесей в каскадах центрифуг с целью получения изотопо-модифицированных материалов с заданными свойствами для различных приложений, включая энергетику и медицину, а также обогащения регенерированного урана для производства ядерного топлива энергетических реакторов в условиях замыкания топливного цикла.
Из анализа публикаций основных мировых научных конкурентов по данной тематике следует, что развитие теории многокаскадных схем для эффективного разделения многокомпонентных изотопных смесей, включая задачи получения высоких концентраций изотопов промежуточных масс и выделения регенерированного урана, является одной из актуальных тенденций в данной области. Соответствие результатов планируемого исследования мировому уровню следует из того, что автором настоящей заявки за последние пять опубликована серия статей в российских (переводных) и зарубежных высокорейтинговых журналах (включая 3 статьи в журналах из первого квартиля), посвященных тематике исследования, а также зарегистрирован 1 действующий патент на способ изотопного восстановления регенерированного урана в многокаскадной схеме. Помимо этого за последние 5 лет автор лично являлся руководителем или исполнителем в научных проектах, поддержанных различными фондами, включая РНФ, по схожей тематике.
Результаты предлагаемого проекта в дальнейшем могут быть использованы в технико-экономических исследованиях с целью выбора наиболее эффективных способов решения задач получения стабильных изотопов для медицины, промышленности, электроники и других социально- и экономически-значимых отраслей, а также задачи обогащения регенерированного урана для использования в составе различных вариантов ядерного топлива. Решение подобных задач призвано подтвердить лидирующие позиции РФ, как ведущего поставщика на мировом рынке изотопной продукции и обогащенного урана.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках выполнения первого этапа проекта выполнены следующие работы и получены следующие результаты:
1) Проанализированы различные варианты соединения нескольких каскадов в схемы для концентрирования различного числа изотопов разделяемых смесей. Предложена оригинальная методика расчета и оптимизации двух- и трехкаскадных схем, основанная на комбинировании методов оптимизации непрерывно и дискретно меняющихся параметров многокаскадных схем. Оптимизация осуществляется по многоцикловой схеме, которая позволяет одновременно варьировать различные варианты соединения каскадов в конечную схему, целочисленные и вещественные переменные (параметры), определяющие условия разделения в каскаде. Разработанная методика дополняет ранее предложенные методики оптимизации систем каскадов и может быть обобщена на случай произвольного числа каскадов, соединенных различными способами. В качестве критерия оптимизация выбран суммарный поток, отнесенный к сумме всех выходящих потоков схемы. Однако методика позволяет использовать и другие критерии оптимизации.
С использованием предложенной методики проанализирована эффективность разделения смесей с различным числом компонентов в двух- и трехкаскадных схемах, показана возможность одновременного концентрирования нескольких изотопов многокомпонентных смесей в выходящих потоках многокаскадных схем. Апробация проведена на примере смесей природных изотопов неона, кремния, свинца, вольфрама, кадмия, криптона, теллура и других. В частности, с использованием предложенной методики для двухкаскадной схемы была показана теоретическая возможность фактически полного разделения (до 99%) компонентов трехкомпонентной смеси изотопов кремния.
Использование трехкаскадной схемы позволяет полностью разделить на компоненты четырехкомпонентные смеси. В случае разделения смесей с большим числом компонентов трехкаскадная схема позволяет преимущественно обогатить четыре изотопа разделяемой смеси и получить их концентрации на уровне выше 80%.
2) Предложена методика расчета и оптимизации прямоугольного каскада с дополнительным отбором, позволяющая находить оптимальную конфигурацию прямоугольного каскада для концентрирования выбранного промежуточного изотопа в дополнительном отборе, при одновременном получении относительно высоких концентраций крайних компонентов разделяемых смесей в выходящих потоках на концевых ступенях каскада. Подобный каскад является альтернативой двойным каскадам при решении задачи концентрирования выбранного промежуточного изотопа разделяемой многокомпонентной смеси. Каскад с дополнительным отбором позволяет получить относительно высокую концентрацию выбранного промежуточного изотопа, при одновременном концентрировании двух крайних по массовым числам изотопов.
На основе предложенной методики проведено сравнение по критерию минимума суммарного потока оптимальных конфигураций двухкаскадной схемы и прямоугольного каскада с дополнительным отбором на примере решения задачи одновременного концентрирования трех изотопов модельной смеси. Результаты сопоставления параметров оптимального двойного каскада и ПК с дополнительным отбором показали, что двухкаскадная схема является более эффективной с точки зрения выбранного критерия (суммарного потока, нормированного на сумму выходящих потоков каскадной схемы).
3) Предложена модификация двойной каскадной схемы для обогащения регенерированного урана с использованием каскада с «расширением» и трехпоточного каскада для обогащения природного урана. В качестве дополнительного разбавителя четных изотопов в схеме использован обедненный уран. Для предложенной схемы разработана методика расчета и оптимизации по следующим критериям эффективности: экономия природного урана и перерасход работы разделения по отношению к соответствующим характеристикам для штатного каскада, обогащающего природный уран в открытом топливном цикле.
Показано, что предложенная схема позволяет получать низкообогащенный уран товарного качества при использовании регенерированного урана с повышенным исходным содержанием четных изотопов, в первую очередь, U-232. Это свидетельствует о применимости схемы в условиях многократного рецикла. При этом в схеме отсутствует неизрасходованный регенерированный уран при получении заданного количества продукта – товарного НОУ, что упрощает контроль за балансом делящихся материалов в цикле.
Вычислительные эксперименты показали, что в предложенной модификации может быть достигнута заметная экономия природного урана в цикле (до 28%), по сравнению со случаем обогащения природного урана для получения НОУ эквивалентного качества. При этом затраты работы разделения лишь на 1-2% превышает соответствующие затраты для открытого топливного цикла на природном уране. Достигнутая величина экономии природного урана превышает соответствующие величины для ближайших аналогов предложенной схемы и стремиться к теоретическому пределу экономии для реакторов на тепловых нейтронах, которая лежит в диапазоне 25-35%, в зависимости от исходного содержания U-235 в поступающем на обогащение регенерате.
4) Полученные в результате первого года реализация проекта результаты могут найти применение как в расчетных группах на разделительных производствах, так и в учебной и научно-исследовательской работе при подготовке студентов и аспирантов по специальностям, связанным с физикой разделения изотопных и молекулярных смесей.
Публикации
1. Азизов Т.Э., Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А. Оптимизация двух- и трехкаскадных схем для эффективного разделения стабильных изотопов Атомная энергия, - (год публикации - 2021)
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1) Разработаны методики и алгоритмы расчёта переходных процессов в предложенных вариантах трёхкаскадных схем (три каскада газовых центрифуг, соединенных различными способами) для одновременного концентрирования нескольких изотопов при разделения стабильных изотопов. Для моделирования таких систем каскадов была построена математическая модель, основанная на адаптации к рассматриваемым задачам моделей переходных процессов в одиночном каскаде с тремя внешними потоками. Предложенные методики реализованы в виде программного кода, позволяющего моделировать переходные процессы в различных системах каскадов, а также визуализировать полученные данные. Проверка корректности работы написанного программного кода была проведена на основе доступных данных по переходным процессам в одиночных трехпоточных каскадах.
С использованием разработанного программного кода проведено моделирование переходных процессов в системах из трёх прямоугольных каскадов для одновременного концентрирования нескольких компонентов при разделении смесей стабильных изотопов. В качестве примеров смесей рассмотрены смеси изотопов вольфрама, свинца и хрома. При описании нестационарных процессов в рассмотренных системах каскадов исходили из предположения о мгновенном установлении потоков. Сами значения как межступенных, так и внешних потоков брали из расчёта стационарных параметров рассмотренных каскадных схем. Анализировали два варианта каскадных схем: 1) схема, в которой второй и третий каскады подсоединены к обоим выходам каскада 1; 2) схема, в которой все три каскада соединены последовательно. Также рассматривали 2 варианта соединения каскадов. Первый – это прямое соединение, второй – это соединение каскадов через буферные емкости. В первом случае подразумевали, что каскады начинают работать одновременно (синхронно), во втором случае второй (или третий) каскады начинают работать только с момента, когда буферная емкость будет заполнена. Во втором случае второй и третий каскады начинают работать позже первого.
Для рассмотренных систем каскадов было оценено полное время установления, построены зависимости концентраций компонентов в выходящих потоках каскадов в различные моменты времени. Отдельно проведено изучение характера влияния размера буферной емкости между каскадами на время установления стационарного режима в таких системах каскадов. Полученные результаты позволили сделать вывод о характерных временах установления стационарных значений концентраций в таких системах каскадах, а также выявить возможности влияния на это время за счёт варьирования параметров схемы. Как показали результаты исследования полное время установления в трехкаскадной схеме зависит от размеров буферных емкостей, установленных между каскадами. В некоторых примерах эта зависимость носила монотонно спадающий характер. Причем разница во времени между граничными значениями в рассмотренном диапазоне изменения объема буферной емкости могут составлять как несколько единиц, так и несколько десятков процентов. На основе таких особенностей и была разработана методика оптимизации длительности переходного процесса в таких каскадных схемах.
2) Разработана методика моделирования переходных процессов в предложенной в рамках первого года реализации проекта двухкаскадной схеме обогащения регенерированного урана, состоящей из трехпоточного каскада, обогащающего природный уран для получения разбавителя, и так называемого каскада с "расширением", который играет ключевую в обогащении и очистке от чётных изотопов регенерированного урана. Проведенная серия расчётов для такой схемы позволила оценить время установления в такой каскадной схеме и масштабы потерь целевого компонента уран-235 за этот период.
Публикации
1. Азизов Т.Э., Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А. Comparison study of schemes for separation of intermediate isotope components IOP Journal of Physics: Conference Series, 2147(1):012006 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2147/1/012006
2. Гусев В.Е. On the problems of reusing reprocessed uranium by enrichment in schemes based on ordinary cascades IOP Journal of Physics: Conference Series, 2147(1):012006 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2147/1/012004
3. Смирнов А.Ю., Палкин В.А., Чистов А.В., Сулаберидзе Г.А. A Method for Purifying Reprocessed Uranium from Even Isotopes under Conditions of Multiple Recycle Nuclear Engineering and Technology, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.net.2022.05.007
4. Смирнов А.Ю., Чистов А.В., Сулаберидзе Г.А. Сравнение оптимальных каскадов с дополнительными отборами для разделения многокомпонентных смесей стабильных изотопов Atomic Energy, - (год публикации - 2022)
Возможность практического использования результатов
Рассмотренные при реализации первого года проекта каскадные схемы для одновременного концентрирования нескольких компонентов при разделении стабильных изотопов, а также двухкаскадная схема обогащения регенерированного урана в совокупности с оригинальными методиками расчета и оптимизации их параметров дополняют существующие инструменты и методы теории каскадов для разделения многокомпонентных изотопных смесей.
Разработанная методика оптимизации может быть обобщена на случай произвольного количества каскадов с различным вариантом их соединения. Помимо этого, она может быть адаптирована к расчету и оптимизации систем аппаратов колонного типа и, тем самым, использована в практических расчетах, например, для некоторых физико-химических методов (ректификация и др.), широко применяемых при разделении изотопов легких элементов.
Предложенные в рамках реализации проекта каскадные схемы дополняют существующие способы получения высоких концентраций стабильных изотопов и способы восстановления изотопного состава регенерированного урана для его повторного использования при получении низкообогащенного урана. В совокупности с полученными результатами моделирования переходных процессов в системах каскадов центрифуг разработанные подходы могут стать основой для оптимальной стратегии производства стабильных изотопов и обогащения регенерированного урана, тем самым повысив эффективность работы соответствующих разделительных производств.
Таким образом, результаты реализации проекта имеют практический интерес для расчетных отделов разделительных комбинатов, имеющих цеха по производству стабильных изотопов и обогащению регенерированного урана. К таким производствам относятся ПО «ЭХЗ» (г. Зеленогорск, Красноярский край) и АО "СХК" (г. Северск, Томская обл.).
Предложенный вариант каскадной схемы обогащения регенерированного урана может иметь практическое значение для разделительных производств, задействованных в обогащении регенерированного урана и решении задачи эффективного замыкания топливного цикла реакторов на тепловых нейтронах. Последнее призвано повысить эффективность ядерной энергетики в целом за счёт увеличения ресурсной базы и решения проблемы обращения с отработавшим ядерным топливом. Поэтому результаты проекта мог быть интересны непосредственно АО "ТВЭЛ".
Результаты реализации проекта также будут использованы в учебном процессе в НИЯУ МИФИ, при подготовке студентов и аспирантов, специализирующихся в области физики разделения молекулярных и изотопных смесей.