Оптимизация технологического режима спекания таблеток ядерного топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.02, кандидат технических наук Трощенко, Виталий Георгиевич

• Трощенко, Виталий Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трощенко, Виталий Георгиевич

Список условных обозначений.

Введение.

1 Постановка задачи управления качеством топливных таблеток.

1.1 Задачи управления изготовлением топливных таблеток.

1.2 Аналитический обзор.

Взаимосвязи между параметрами связнодисперсного материала!! Моделирование уплотнения порошка при прессовании таблеток

Моделирование нагрева таблеток.

Моделирование кинетики сушки.

Моделирование процессов зарождения и развития трещин.

Моделирование процесса спекания.

1.3 Выводы.

2 Системный анализ установки спекания топливных таблеток.

2.1 Концепция инженерного эксперимента, направленного на изучение установки спекания.

2.2 Методика моделирования процессов формирования брака топливных таблеток.

2.3 Методика теплофизического моделирования процессов сушки и спекания таблеток.

2.4 Выводы.

3 Оптимизация технологического режима изготовления таблеток.

3.1 Модели возмущающих воздействий.

3.2 Модели регулировочных характеристик.

3.3 Задача статической оптимизации технологического режима.

3.4 Выводы.

4 Формирование требований к информационному и программному обеспечению АСУТП установки спекания.

4.1 Функциональная модель проектируемой системы.

4.2 Информационно- логическая модель проектируемой системы.

4.3 Пользовательский интерфейс.

4.4 Структурная схема проектируемой системы.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация технологического режима спекания таблеток ядерного топлива»

В первой половине XXI века глобальное потребление энергии удвоится или даже, возможно, утроится. В этот 50-летний период человечество потратит больше энергии, чем за всю предыдущую историю /64/. Если при этом делать основной упор на сжигание углеводородов, запасы которых весьма ограничены, это может привести к катастрофическому изменению 4 климата. Данная проблема не может быть решена без признания главнейшей роли в обеспечении человечества энергией ядерной энергетики. Предполагается, что производство углеводородов может возрасти за полвека на 50%, тогда как производство ядерной энергии должно возрасти в несколько раз.

В России работает 31 энергоблок на 10 АЭС. В период до 2020 года планируется рост выработки электроэнергии атомных станций - в 1,8-2,1 раза с увеличением доли в производстве электроэнергии с 21% до 32%.

Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов (твэлы) снаряжены топливными таблетками. Выполнение технических требований к изготовлению топливных таблеток для твэлов в условиях их массового производства ставит проблему эффективного управления процессом изготовления этих таблеток и, прежде всего, установкой сушки и спекания (далее установкой спекания), в значительной мере определяющей появление ^ брака спеченных таблеток.

Сложность физико-химических явлений, протекающих в установке спекания, делает актуальной проблему моделирования изучаемого объекта для решения задач оптимизации технологии спекания топливных таблеток.

Работа выполнена в рамках «Стратегии развития атомной энергетики в рамках долгосрочной комплексной государственной топливно-энергетической программы Российской Федерации на период до 2020 года» и

Программы развития атомной энергетики РФ на 1998-2005 годы и на период до 2010 года».

Предметом исследования являются методы моделирования процессов изготовления топливных таблеток.

Целью работы является разработка и научное обоснование комплекса математических моделей, позволяющих оптимизировать технологический режим спекания топливных таблеток.

Для достижения поставленной цели в работе ставятся и решаются следующие научно-технические задачи: исследование закономерностей процесса формирования топливных таблеток; обоснование совокупности моделей, описывающих фабрикацию топливных таблеток на установке спекания; разработка математической модели процесса спекания топливных таблеток, учитывающей вероятность появления брака спеченных таблеток; разработка методики предпроектного анализа установки спекания таблеток как объекта управления.

Теоретической и методологической основой исследования послужили методы теории систем, теории управления, математического моделирования. Для формализации содержательной постановки задачи использована методология функционально- структурного моделирования IDEF0. Реализация системы основывается на методологии объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: ■ разработана методика моделирования установки спекания, включающая в себя построение "каркаса" модели на основе имеющейся априорной информации, построение на основе натурно-вычислительного эксперимента расчетно-логической и оптимизационной моделей, позволяющих минимизировать потери, обусловленные изменениями дисперсионных и реологических свойств прессуемого порошка; разработана методика построения концептуальной модели установки спекания, позволяющая обосновать требования к системе управления установкой спекания топливных таблеток; установлены закономерности, определяющие появление брака топливных таблеток с учетом взаимосвязей дисперсионных и реологических свойств порошка, поступающего на прессование; а также влияния вязкости на линейную усадку таблеток в процессах сушки и спекания; разработана общая постановка задачи управления установкой спекания, использующая прогноз плотности спеченных таблеток для определения требуемой температуры спекания.

На защиту выносятся: методика моделирования качества топливных таблеток, возникающего при снятии давления прессования и выталкивании их из прессформы, а также при термической усадке в процессах сушки и спекания; математическая модель зависимости плотности спеченных таблеток и доли дефектных таблеток от крупности зерен порошка и температуры спекания; методика предпроектного анализа установки спекания как объекта управления, позволившая обосновать структуру системы управления камерой спекания.

Практическая значимость. Методика предпроектного анализа установки спекания как объекта управления, включающая в себя: обоснование комплекса параметров, дестабилизирующих качество спеченных таблеток; построение "каркаса" модели на основе имеющейся априорной информации; построение на основе натурно-вычислительного эксперимента расчетно-логической и оптимизационной моделей, позволяющих минимизировать потери, обусловленные изменениями дисперсионных и реологических свойств исходного порошка; обоснование классов объектов, позволяющих конструировать структуру системы управления, принята к использованию на ФГУП ПО «Маяк». Акт внедрения приведен в приложении 3.

Основное содержание работы отражено в 10 публикациях.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на IV Международном научно-практическом семинаре «Интеллектуальные информационные технологии в управленческой деятельности», Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002; на Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию СвердНИИхиммаша, Екатеринбург, 2002; на III Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике». Пенза, 2003; на третьей Международной конференции Регионального Уральского отделения АИН, Екатеринбург. 2004; на выездном заседании секции 2 и 3 НТС-4 Федерального агентства по атомной энергии Российской федерации, Екатеринбург, 2004.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений; содержит 146 страниц, 50 рисунков, 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов», Трощенко, Виталий Георгиевич

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы закономерности процесса формирования топливных таблеток, выявленным закономерностям дано научное обоснование.

2. Теоретически обоснован комплекс математических моделей, необходимый для оптимизации технологического режима.

3. Разработана математическая модель процесса спекания топливных таблеток, связывающая плотность спеченных таблеток и долю бракованных таблеток с температурой спекания и крупностью зерен порошка.

4. Показано, что в соответствии с результатами эксперимента плотность спеченных таблеток увеличивается с уменьшением крупности зерен порошка и увеличением температуры спекания, причем температура спекания более существенно влияет на плотность при большей крупности зерен порошка. С увеличением крупности зерен порошка и снижением температуры спекания увеличивается доля дефектных таблеток.

5. Отмечено, что задача статической оптимизации режима спекания таблеток сводится к минимизации брака спеченных таблеток при выполнении ограничений на плотность спеченных таблеток и допустимый диапазон изменения температур. Результаты имитационного моделирования показывают, что при работе системы управления средняя плотность спеченных таблеток отличается от заданного значения на величину 0.01 г/см по сравнению с величиной 0.04 г/см при отсутствии регулирования.

6. Предложенная методика предпроектного анализа установки спекания принята к использованию на ФГУП ПО «Маяк».

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трощенко, Виталий Георгиевич, 2006 год

1. Новые концепции для топлива быстрых реакторов // Blank Н., Richter К //Yahrestag. Kerntechn.Travemunde, 17-19 Mai, 1988:Yagungsber.-Bonn, с 457460

2. Lallement R.// Phil/ Trans. Roy.Soc. London. A.-C.343-353

3. Метод изготовления металлокерамического ядерного топлива: Заявка 3802048 ФРГ МКИ с 04В35/51, G21 С 3/64 Заявл.25.01.88; 0публ.03.08.89.

4. Способ получения частиц ядерного горючего с равномерной объемной rni0TH0CTbK)//Radf0rd К. С., Pope J.M Пат. N 4430276, США. Заявл. 2.10.81 N 308316, опубл. 07.02.84 МКИ G21 С 21/00

5. Janagisawa Kazuaki, Hayashi Kiyozumu // J. Nucl. Mater. 1985,127, N1, 116-118

6. Способ изготовления ядерного горючего с регулируемой пористостью II Engelmann H.-J-Пат. 207861, ГДР. Заявл. 9.07.82, N 2415353 , опубл.21.03.84.МКИ В 01 J 2/02, G 21 3/58

7. Корреляции для свойств мононитрида урана. Механические свойства. //Hayes S.L., Thomas J.K.,Peddicord K.L.// Nucl.Mater.-1990-171,N2-3-c.271-288

8. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / Под ред. Б.С. Митина. М.: Металлургия, 1987, 792 с.

9. Зобнин Б.Б. Подходы к прогнозированию процессов в природных и природно-технологических комплексах // Вероятностные конструкции и их приложения. Екатеринбург: УГТУ, 1998.-с. 135-141.

10. Зобнин Б.Б. Моделирование систем. Екатеринбург: УГГГА, 2001, 140 с

11. Inmon W.H. Building the Warehouse.- NY:John Wiley & Sons, Inc. 298 p., 1992.

12. Zobnin В. B. Knowledge acquirement in the process of work with the problem-oriented system for generating information support and software // Computer Technologies in Education Kiew, 1993 - p. 135-136.

13. Рейнер M. Реология. Пер. с англ. М.:Наука, 1965, 224 с.

14. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высш. Шк., 1991 -400 с.

15. Акименко В.Б. , Буланов В.Я. и др. Состав, структура и свойства железных и легированных порошков, Екатеринбург: УИФ «Наука», 1996

16. Лисиенко В.Г. Принципы построения трехуровневых АСУТП объектов с распределенными параметрами Екатеринбург: УГТУ, 1999 73 с.

17. Овчаренко Е.Я. Построение автоматизированных систем аналитического контроля процессов обогащения.- М.: Недра, 1987, 158 с.

18. Зобнин Б.Б. Использование информационной избыточности вектора наблюдений для отбраковки аномальных результатов измерений. Обработка радиолокационных сигналов и приборы при дистанционном зондировании. — Свердловск, 1988.-с. 26-31.

19. Руководство по выражению неопределенности измерения. С.-Петербург: ВНИИМ им. Д.И. Менделеева ,1999.

20. Kumkov S.I. Information Sets in Applied Problems of Evaluation Proceedings of the IF AC International Workshop « Non smooth and Discontinuous Problems of Control and Optimisation». Chelyabinsk, 1998. p. 130-134.

21. Frish a et al/ Lattice Gas in Two and Three Dimensions // Complex System/ V. 1. 1987, p.649-707

22. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники- М.: Атомиздат, 1968 474 с.

23. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур, М.: Наука, 1966, с.3-16

24. Бойко В.Ф. Математическая модель декрепитации связнодисперсных материалов. //Управление свойствами и переработка дисперсных материалов. Владивосток: ДВО АНСССР, 1990, с.30-35.

25. Семенов А.П., Головин И.С. Влияние нестабильности прессования на геометрические размеры топливных таблеток твэлов быстрых реакторов // Атомная энергия, 2000, с. 21-25.

26. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. М.: Металлургия, 1983, 176 с.

27. Ноженкова Л.Ф., Шатровская Е.В. Применение структурной модели знаний для оценки риска аварий на промышленных объектах // Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур. Томск: ТНЦ СО РАН, «Спектр», 2000, с.157 -163.

28. Живоглядов В.П. Непараметрические алгоритмы адаптивного управления объектами с дрейфующими характеристиками // Алгоритмическое обеспечение АСУТП. Фрунзе: Илим, 1977, с. 3 -14.

29. Зобнин Б.Б.,. Коротаева JI.H, Ченцов А.Г. Об одной задаче маршрутной оптимизации и ее приложениях // РАН. Проблемы передачи информации, 1997, т.ЗЗ, вып.4, с.70-87.

30. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Под общ. ред. А.С. Телегина. М.: Металлургия, 1970, с.528.

31. Громаков Е.И., Зубкова Т.В. On-line компьютерный мониторинг качества производства // Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур. Томск: ТНЦ СО РАН, «Спектр», 2000, с.117 -122.

32. Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Меньшикова Т.С. Высокотемпературное ядерное топливо. М.: Атомиздат, 1978, 432 с.

33. Parinov I. A. About creation of ceramic property monitoring // J. Russian Technology, 1993, V.1,N3,P. 29-31.

34. Parinov I. A. Computer simulation of gradient sintering and microcracking of superconductive ceramics II Cryogenics, 1992, V. 32, P. 448-451.

35. Паринов И. А., Паринова JI. В. Спекание и разрушение ВТСП керамики: возможности вычислительного эксперимента // СФХТ, 1994, Т. 7, N 1, С. 80-92.

36. Паринов И. А., Паринова Л. В. Является ли двойникование эффективным механизмом упрочнения сверхпроводящих керамик? // СФХТ, 1994, V. 7, N 89, С. 1382- 1389.

37. Карпинский Д. Н., Паринов И. А. Исследование процесса формирования микроструктуры пьезокерамики методом численного эксперимента // ПМТФ, 1992, N1, С. 150-154.

38. Беляев А. В., Лебедев В. Н., Фесенко Н. Г. Особенности спекания керамики в градиенте температур // Проблемы ВТСП. Ростов-на-Дону: изд-во РГУ, 1990, ч. 1,С. 158-162.

39. Doverspike К., Hubbard C.R., Williams R.K., Alexander К.В., Brynestad J., Kroeger D.M. Anisotropic thermal expansion of the 1:2:4 yttrium barium copper oxide superconductor // Physica C, 1991, V.172, N 5-6, P. 486-490.

40. Cook R. F. Segregation effects in the fracture of brittle materials: Ca AI2O3 II Acta Metall. et Mater, 1990, V.38, N 6, P. 1083-1100.

41. Bennison S. J. Lawn B. R. Role of interfacial grain bridging sliding friction in the crack-resistance and strength properties of nontransforming ceramics // Acta Metall, 1989, V. 37, N 10, P. 2659-2671.

42. Hisao Banno. Effect of shape and volume fraction of closed pores on dielectric, elastic and electromechanical properties of dielectric and piezoelectric ceramics. A theoretical approach II Am. Ceram. Soc. Bull, 1987, V. 66, N 9, P. 1332-1337.

43. Ромалис H. Б., Тамуж В. П. Разрушение структурно неоднородных тел. -Рига: Зинатне, 1989. - 224 с.

44. Cook R. F., Clarke D. R. Fracture stability, R curves and strength variability // Acta Metall, 1988, V. 36, N 3, P. 555-562.

45. Mai Y.- W. Lawn B. R. Crack stability and toughness characteristics in brittle materials II Annual Rev. Mater. Sci., 1986, V.16, P. 415-439.

46. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. М.: Мир, 1990, ч. 2, 400 с.

47. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977, 280 с.

48. Vekinis G., Ashby М. F., Beaumont P. W. R curve behaviour of А120з ceramics II Acta Metall. et Mater., 1990, V. 38, N 6, P.l 151-1162.

49. Карпинский Д. Н., Паринов И. А. К расчету трещиностойкости керамики методом численного эксперимента//Проблемы прочности, 1991, N 7, С. 34-37.

50. Swain М. V. R curve behaviour in a polycrystalline alumina material // J. Mater. Sci. Lett., 1986, V. 5,N 11, P. 1313-1315.

51. Шиманский А.Ф. Курс лекций «Физическая химия композиционных и керамических материалов», http: //kristal.lan.krasu.ru.

52. Жигалов А.Н., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива. Tomck-STT, 2002, 326с.

53. Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. Металлургия, 1971, 272с.

54. Метод статических испытаний. Под ред. Шрейдера Ю.Д. , Москва, 1962, 332с.

55. Arkun Y., Stephanopoulos G. Optimizing control of industrial chemical process: State of the art review// Proc. Join Automat. Contr. Conf. San Francisco, 1980.

56. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М. Химия, 1980,320с.

57. Ганин Н.М., Катковник В .Я., Полищук М.Н. Математические модели автоматизированных производственных систем. Д.: ЛГТУ, 1991, 76с.

58. Щеглов А.С., Проселков В.Н., Енин А.А. Результаты статистической обработки конструктивных и технологических параметров твэла реактора ВВЭР-1000. Москва, 1991, 19с.

59. Попильский Р.Я., Кондрашов Ф.В. Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968. 272с.

60. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров, М.:Наука, 1970, 720 с.

61. Е. Б. Дынкин, А.А. Юшкевич Управляемые марковские процессы и их приложения.-М.: Наука, 1975, 335 с.

62. В.А. Дмитровский. Оценка распределения максимума гауссовского поля- В кн.: Случайные процессы и поля. М.: МГУ, 1979

63. A.M. Вендров. CASE-технологии современные методы и средства проектирования информационных систем. М, Финансы и статистика, 1998г.

64. Джон Рич III Момент истины ядерной энергии. Бюллетень МАГАТЭ, т.44, №2,2002

65. А.Г. Самойлов, B.C. Волков, М.И. Солонин. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М, Энергоатомиздат, 1996г.