Разработка и исследования численных моделей оборудования для фабрикации нитридного уран-плутониевого ядерного топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Шамсутдинов Ринат Нурисламович

• Шамсутдинов Ринат Нурисламович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Шамсутдинов Ринат Нурисламович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ФАБРИКАЦИИ НИТРИДНОГО УРАН-ПЛУТОНИЕВОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

1.1. Общие сведения о технологии фабрикации таблеток (U, Pu)N топлива

1.1.1. Карботермический синтез нитридного уран-плутониевого топлива из оксидов урана и плутония

1.1.2. Спекание таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

1.2. Высокотемпературное печное оборудование для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

1.2.1. Проблемы разработки высокотемпературного печного оборудования для крупномасштабной фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

1.2.2. Печь карботермического синтеза нитридов урана и плутония

1.2.3. Печь спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

1.3. Использование CFD-моделирования при разработке высокотемпературного печного оборудования для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

1.3.1. Разработка и экспериментальная проверка численных моделей

1.3.2. Разработка и экспериментальная проверка численных моделей высокотемпературного печного оборудования для фабрикации нитридного уран-плутониевого топлива

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА CFD-МОДЕЛИ ПЕЧИ КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НИТРИДОВ УРАНА И ПЛУТОНИЯ

2.1 Краткое описание объекта моделирования

2.1.1. Печь карботермического синтеза нитридов урана и плутония

2.1.2. Требования к режимам карботермического синтеза нитридов урана и плутония

2.2 CFD-модель печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония

2.2.1. Физическая постановка задачи

2.2.2. Геометрическая (CAD) модель

2.2.3. Математическая модель

2.2.4. Сеточная модель

2.3 Результаты экспериментальной проверки CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ CFD-МОДЕЛИ ПЕЧИ КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НИТРИДОВ УРАНА И ПЛУТОНИЯ

3.1. Цель и задачи расчетных исследований CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов

3.2. Геометрия и теплофизические свойства моделируемого продукта в CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов

3.3. Исследуемые параметры CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов

3.4. Влияние экзотермической реакции карботермического синтеза на распределение температуры на продукте

3.5. Расчетные варианты

3.6. Результаты расчетных исследований CFD-модели печи

3.7. Рекомендации по выбору эксплуатационных параметров печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония

3.8. Возможности моделирования аварийных режимов работы печи карботермического синтеза нитридов с помощью разработанной CFD-модели

3.9. Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА CFD-МОДЕЛИ КАНАЛА ПЕЧИ СПЕКАНИЯ

4.1. Краткое описание объекта моделирования

4.1.1. Печь спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

4.1.2. Технология спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива в печи. Требования по составу газовых сред в различных зонах канала печи спекания

4.1.3. Технические решения по обеспечению заданного состава газовых сред в канале печи спекания

4.2. Использование CFD-моделирования для расчетно-экспериментального обоснования принятых технических решений в канале печи спекания

4.3. CFD-модель канала печи спекания

4.3.1. Физическая постановка задачи

4.3.2. Геометрическая (CAD) модель

4.3.3. Математическая модель

4.3.4. Используемые модели турбулентности

4.3.5. Сеточная модель

4.4. Экспериментальный стенд для газодинамических исследований канала печи спекания

4.4.1. Макет канала печи спекания

4.4.2. Имитаторы подложек с лодочками

4.4.3. Расположение точек пробоотбора газовых сред в макете канала печи спекания

4.4.4. Выбор модельного газа для экспериментов на макете канала печи спекания

4.4.5. Система измерения концентрации газов

4.4.6. Порядок проведения эксперимента

4.5. Результаты расчетно-экспериментальной проверки CFD-модели канала печи спекания

4.5.1. Расчетно-экспериментальная проверка CFD-модели макета канала печи

4.5.2. Расчетно-экспериментальная проверка CFD-модели канала печи спекания при комнатной температуре

4.6. Расчетно-экспериментальные исследования CFD-модели канала печи спекания при комнатной температуре

4.7. Выводы по главе

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ CFD-МОДЕЛИ КАНАЛА ПЕЧИ СПЕКАНИЯ

5.1 Результаты расчетного моделирования распределения концентрации азота в аргоне в канале печи спекания при рабочих температурах

5.1.1 Проверка основного варианта подачи расходов технологических газов в канал печи спекания при рабочих температурах

5.1.2 Влияние соотношения расходов азотоводородной смеси и аргона со стороны охлаждения на распределение концентрации азота в зоне спекания при рабочей температуре

5.1.3 Оценка минимально возможных значений (соотношения) расходов технологических газов, при которых не выполняется требование для концентрации азота менее 0,1 об.% в температурной области ниже 1500 °С

5.2 Рекомендации по выбору газодинамических и теплофизических параметров эксплуатации печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

5.3 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения результатов диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Программа для расчета

температуры в ретортной садочной печи»

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт изготовления и внедрения стенда для экспериментальных исследований

канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство о регистрации базы данных «Результаты расчетно-экспериментальных исследований распределения газов в прямоугольном канале высокотемпературной печи»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследования численных моделей оборудования для фабрикации нитридного уран-плутониевого ядерного топлива»

Актуальность темы исследования

Ключевым направлением развития современной ядерной энергетики в России является реализация проекта «Прорыв», в рамках которого планируется создать модуль фабрикации/рефабрикации (МФР) нитридного уран-плутониевого топлива на площадке опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК) АО «СХК» в городе Северск. К реализуемым теплофизическим процессам в высокотемпературном печном оборудовании для крупномасштабной фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива выдвигаются строгие требования по температуре и составу газовых сред. Для выбора новых конструктивных и технических решений, прогнозирования протекающих теплофизических процессов и обоснования режимов эксплуатации разрабатываемого высокотемпературного печного оборудования необходима комплексная научно-техническая поддержка. Одним из возможных вариантов решения данных задач является разработка и экспериментальная проверка CFD-моделей (Computational fluid dynamics - вычислительная гидродинамика) высокотемпературного печного оборудования для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива. Результаты расчетных исследований протекающих в высокотемпературном печном оборудовании теплофизических процессов, полученные с помощью данных CFD-моделей, могут быть использованы для определения рекомендуемых параметров оборудования, обеспечивающих требуемые режимы их эксплуатации. В связи с этим, разработка и расчетно-экспериментальные исследования численных моделей (CFD-моделей) высокотемпературного печного оборудования для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива является актуальной темой исследования.

Степень разработанности темы исследования

Значительный вклад в разработку технологии фабрикации таблеток (U, Pu)N в лабораторных условиях внесли Blank H., Bernard H., Рогозкин Б.Д., Ganguly C., Arai Y., Pautasso G., Richter K., Bardelle P., Warin D., Greenhalgh W.O., Ватулин А.В. и другие. Однако, опыт крупномасштабной фабрикации таблеток (U, Pu)N в настоящее время отсутствует. В связи с этим, сейчас в России впервые разрабатывается новое высокотемпературное печное оборудование для карботермического синтеза и спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива. Для выбора новых технических решений, обоснования протекающих теплофизических процессов и режимов эксплуатации разрабатываемого высокотемпературного печного оборудования необходимо разработать CFD-модели печей карботермического синтеза и спекания таблеток (U, Pu)N.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы - разработка и расчетно-экспериментальное обоснование численных моделей печи карботермического синтеза нитридов и канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива для выбора конструкции, тепловых и газодинамических режимов эксплуатации этих печей.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие научно-технические задачи:

1. Разработать и экспериментально проверить CFD-модель печи карботермического синтеза нитридов.

2. Разработать экспериментальный стенд для газодинамических исследований канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива.

3. Разработать CFD-модель канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива и выполнить проверку её достоверности с помощью сравнения численных результатов расчетов с результатами экспериментов на стенде для газодинамических исследований и печи спекания.

4. Выполнить расчетные исследования с помощью созданных CFD-моделей печи карботермического синтеза нитридов и канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива для обоснования технических решений по конструкциям печей и для выдачи рекомендаций по теплофизическим и газодинамическим параметрам их эксплуатации.

Научная новизна

1. Разработана и экспериментально проверена для изотермических и нестационарных режимов работы CFD-модель печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation.

2. Определены интервалы температуры нагревателей печи карботермического синтеза нитридов для обеспечения равномерного профиля температуры на загруженном продукте в диапазоне 1650±50 °С.

3. Показано с помощью CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов, что:

- в начале экзотермической реакции синтеза, за счет выделения тепловой энергии происходит увеличение температуры продукта на 35-50 °С с последующим плавным снижением до значений, соответствующих режиму изотермической выдержки 1650±50 °С.

- изменение теплофизических свойств продукта при получении (U, Pu)N восстановлением UO2 и PuO2 в потоке азота и азотоводородной смеси в результате реакции карботермического синтеза не приводит к заметному изменению температуры продукта и, следовательно, не влияет на протекание реакции.

- расход и температура газа, подаваемого в реторту, не оказывают значимого влияния на температуру продукта внутри печи при постоянной температуре нагревателей, и их выбор следует производить с учетом оптимального протекания химической реакции карботермического синтеза нитридов урана и плутония.

4. Разработана в программном комплексе Ansys Fluent и экспериментально проверена CFD-модель, предназначенная для моделирования разнонаправленных потоков газа в канале печи спекания таблеток.

5. Показано, что для принятых научно-технических решений (схема подачи газов, конструкция барьеров, узлов подачи и отвода газов) обеспечивается трехзонное разделение газов в канале печи спекания таблеток:

- в зоне нагрева и охлаждения содержание азота менее 0,1 об.%;

- в зоне спекания в температурной области 1850-1950 °С содержание азота более 50 об.%.

6. Получена зависимость для концентрации азота в канале печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива от подаваемых расходов азотоводородной смеси и аргона.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Доказана эффективность CFD-моделирования при создании сложного высокотемпературного печного оборудования для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива.

2. Результаты расчетов, полученные с помощью созданных CFD-моделей печи карботермического синтеза нитридов и канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива, были использованы при создании оборудования участков карботермического синтеза нитридов и спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива для МФР ОДЭК на площадке АО "СХК" в городе Северск в рамках проекта "Прорыв".

3. Обоснованный метод трехзонного разделения газов в канале толкательной проходной печи может быть использован в других отраслях промышленности, где используется высокотемпературная обработка материалов в нескольких газовых средах.

4. Созданные CFD-модели планируется использовать при техническом сопровождении эксплуатации печей карботермического синтеза нитридов и спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива в АО "СХК" и для их последующего совершенствования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. CFD-модель печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation и CFD-модель канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива в программном комплексе Ansys Fluent.

2. Конструкция экспериментального стенда для газодинамических исследований канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива.

3. Результаты расчетно-экспериментальных исследований в обоснование созданных CFD-моделей.

4. Результаты моделирования теплофизических и газодинамических процессов в печах карботермического синтеза нитридов и спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива и рекомендации по параметрам режимов их эксплуатации.

Личный вклад автора

Лично соискателем и при его непосредственном участии:

- разработаны CFD-модели высокотемпературного печного оборудования для карботермического синтеза и спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива с использованием программных комплексов SolidWorks Flow Simulation и Ansys Fluent.

- разработан экспериментальный стенд для газодинамических исследований канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива.

- выполнена обработка результатов экспериментальных исследований, полученных на печи карботермического синтеза нитридов, стенде для газодинамических исследований и канале печи спекания. Проведено тестирование и экспериментальная проверка разработанных CFD-моделей.

- с помощью созданных CFD-моделей выполнены расчетные исследования влияния параметров высокотемпературного печного оборудования на протекающие в них теплофизические процессы.

- выданы рекомендации для выбора теплофизических и газодинамических параметров эксплуатации печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония и печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива.

- разработана программа для ЭВМ и база данных для научно-технической поддержки созданных CFD-моделей высокотемпературного оборудования.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность полученных результатов основана на:

- использовании аттестованных программных продуктов SolidWorks Flow Simulation и Ansys Fluent;

- воспроизводимости полученных экспериментальных данных;

- использовании средств измерения утвержденного типа.

Основные результаты работы были представлены на:

- VI, VII, VIII научных семинарах «Моделирование технологий ядерного топливного цикла» (г. Снежинск, 2017-2019);

- научной сессии НИЯУ МИФИ «Актуальные проблемы инновационного развития ядерных технологий» (г. Северск, 2018);

- V международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (МНТК НИКИЭТ-2018, г. Москва, 2018);

- XV международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров 2018» (г. Обнинск, 2018).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных изданиях:

- из них 5 публикаций в журналах, входящих в список ВАК (из них 3 в Scopus);

- 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ и БД в официальных изданиях Роспатента;

- 8 публикаций в других изданиях (в т.ч. реферируемых в РИНЦ).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 71 наименования. Основной текст состоит из 137 страниц, содержит 101 иллюстрацию, 16 таблиц и 4 приложения.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ФАБРИКАЦИИ НИТРИДНОГО УРАН-ПЛУТОНИЕВОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

1.1. Общие сведения о технологии фабрикации таблеток (U, Pu)N топлива

Последовательность основных операций фабрикации таблеток (Ц, Pu)N топлива приведена на рисунке 1.1 и включает в себя [1, 2]:

— смешивание порошков и02 с Ри02 с добавлением углерода и стеарата цинка в качестве связующего вещества;

— прессование шашек из полученной шихты;

— карботермический синтез, в результате которого образуется (и, Ри)^

— дробление и измельчение полученных шашек, прессование топливных таблеток (Ц, Ри^ из полученного порошка, спекание таблеток (Ц, Ри)^

Контроль содержания J Оксид Pu Углерод

элементного и изотопного состава энергетический

т »■ Взвешивание »—

Оксид U

_X_

Смешение шихты

т

Водород Прессование шихты

»

Прессование Р ■ 1-3 т/см'

Контроль содержания элементного и изотопного состава, определение параметров решетки, фазового состава, плотности, размеров, металлографический анализ, а радиография, микрорентгеновский анализ

Рисунок 1.1 - Схема процесса фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива [2]

Приведенная на рисунке 1.1 последовательность операций фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива из оксидов урана и плутония является наиболее проработанной с точки зрения крупномасштабного освоения и основана на технологии карботермического синтеза [3]. Несмотря на то, что первые публикации с результатами исследований взаимодействий в системе UO2(PuO2)-C-N2 появились в конце 1960-х-начале 1970-х годов, наиболее значимые результаты были получены только в 1980-х годах. Так, например, во Франции в конце 1980-х годов, была продемонстрирована возможность фабрикации (^ Pu)N топлива данным способом с использованием лабораторного оборудования и установок, с помощью которых осуществляли производство MOX (UPuO2) топлива [4]. Реализованная аппаратурно-технологическая схема фабрикации таблеток Pu)N топлива приведена на рисунке 1.2 [1, 4-7].

Рисунок 1.2 - Аппаратурно-технологическая схема фабрикации таблеток (и, Ри^ [1, 4]: 1 - исходные оксиды и углерод; 2 - шаровая мельница; 3 - блендер; 4 - пресс-форма; 5 - установка карботермического синтеза; 6 - дробилка; 7 - шаровая мельница из твердого сплава ВК; 8 - технологическое связующее; 9 - пресс-форма для прессования таблетки; 10 - печь спекания

Авторы [4] отмечают, что при разработке технологии фабрикации (и, Ри^ топлива необходимо тщательно контролировать содержание примесей (кислорода и углерода) в получаемом продукте [8, 9]. Это обусловлено тем, что присутствие кислорода и углерода в таблетках (и, Ри^ негативно влияют на его ползучесть, распухание и газовыделение при облучении в реакторе, а также на его совместимость с конструкционной сталью [10]. Так ряд зарубежных исследователей [8, 9, 11-13] рекомендуют при фабрикации обеспечить массовую долю кислорода и углерода в (и, Ри^ топливе не более 0,15% масс.

Фабрикация таблеток (и, Ри^ топлива на МФР ОДЭК будет осуществляться на следующих принципах [2]:

— применение только «сухих» технологий порошковой металлургии;

— газовая среда в оборудовании для фабрикации (и, Ри^ топлива должна строго соответствовать требованиям по содержанию в ней влаги и кислорода;

— автоматизация всех процессов на линии фабрикации (и, Ри^ топлива; Согласно приведенной схеме фабрикации таблеток (и, Ри^ топлива на рисунке 1.2

высокотемпературное печное оборудование используется как на стадии карботермического синтеза нитридного уран-плутониевого топлива из оксидов урана и плутония, так и на стадии спекания таблеток (и, Ри)^

1.1.1. Карботермический синтез нитридного уран-плутониевого топлива из оксидов урана и плутония

Согласно [1, 14-16] исходными продуктами для карботермического синтеза являются порошки и02 и Ри02, которые смешивают, добавляют углерод и стеарат цинка. Из полученной смеси прессуют шашки диаметром от 18 до 20 мм, высотой от 3 до 5 мм и массой от 7 до 9 г. Содержание и02 и Ри02 составляет, соответственно, 85 % и 15 %. Полученные шашки направляют в печь, где происходит синтез нитридов, который характеризуется тремя основными этапами [1]:

(Ш 2+х ,Ры02)+1С ^ (Ш 2, Ры02)+| С02

2 2 , (1)

(и02, Ри02)+ (1 - у)Ы2 + (2 + г)С ^ (и, РиуСу + (г - у)С + 2С0

, (2)

(и, Ри + (г _ У С + Ум2 + 2гЯ2 ^ (и, Ри N + гСИА

2 , (3)

где х, у, ъ - стехиометрические коэффициенты.

Реакция карботермического синтеза осуществляется при температуре 1650 ± 50 °С,

сначала в азотной атмосфере, а затем в атмосфере азота и водорода [14]. При нагреве шашек происходит переход диоксида урана из застехиометрического состояния в стехиометрическое (реакция 1). Далее шашки выдерживаются при температуре 1650 ± 50 °С в атмосфере азота (реакция 2). Для того, чтобы из-за избытка углерода не образовывался уран-плутониевый карбонитрид, в газовую среду вводят водород (реакция 3), который, взаимодействуя с углеродом, образует метан СН4. Таким образом, в результате реакции синтеза образуется нитрид урана и плутония, а также газы: СО2, СО и метан СН4, которые постоянно, по мере их образования, удаляют из зоны протекания реакции. Охлаждение нитрида урана и плутония осуществляется в атмосфере аргона, чтобы предотвратить образование высших нитридов урана [16].

В таблице 1.1 приведены наиболее значимые результаты по экспериментальным исследованиям реакции карботермического синтеза нитридов урана и плутония. Синтез нитрида урана и плутония производят по карботермической технологии восстановления металлов из оксидов в потоке азота, как правило, при 1500-1800 °С [1, 8, 15-17]. В ряде случаев [9, 13, 15, 16] процесс выдержки продукта ведут в потоке азота, а затем в потоке смеси азота и 6-8% масс. водорода. Нагрев и охлаждение продукта при температуре ниже 800 °С осуществляют в вакууме или в потоке аргона, или смеси аргона и 6-8% масс. водорода с целью предотвращения образования высших нитридов [1]. Типичный процесс карботермического синтеза уран-плутониевого нитрида с использованием смеси и02+Ри02+С с избытком (от стехиометрического) углерода представлен на рисунке 1.3 [12].

2100 1800

* 1500

я

а

£

« 1200

о

с

2

о

900

600

300--„я-^-_-^---щ

0 10 20 30 40 50 60

Время, ч

Рисунок 1.3 - Температурная циклограмма процесса карботермического синтеза [1, 12]

Таблица 1.1 - Экспериментальные исследования реакции карботермического синтеза (и, Ри)К [12, 13, 15, 16, 18]

Автор исследования Исходные материалы мольное соотношение С/(и02+ Ри02) Условия взаимодействия Содержание примесей, % масс.

Расход, м3/ч Газовая атмосфера Т, °С Длительность, ч 02 С

РоШаББО [15] Спрессованные шашки (400 МПа) массой ~0,5 г, диаметром 7 мм и высотой 4 мм. Размер частиц порошка Ри02 ~ 29 мкм, С < 10 мкм. 2,2 0,036 N2 К2+И2 1385 1570 17+ 2,5+ 5,5 0,070 0,077

N2 1600 1 0,070 0,800

N2 1600 1+ 1 0,050 0,053

БагёеПе [16] Спрессованные шашки (30 МПа) диаметром 12 мм и высотой 1-2 мм. Размер частиц порошка и02 ~ 400 мкм, Ри02 < 40 мкм. >2,0 - N(нагрев) N2+^ Лг+Н2 (охлаждение) 1550 7+ 10+ 4 0,05 0,1

Лгш [13] Спрессованные шашки (100 МПа) диаметром 12 мм и высотой 1-2 мм. Размер частиц порошка и02 ~ 0,5 мкм. 2,5 0,18-0,6 N2+^ Лг (охлаждение) 1550 1400 36 <0,03 <0,12

вал^у [12] Спрессованные шашки (70 МПа) диаметром 10 мм и высотой 2-3 мм. >2,0 1,2 N(нагрев) N2+H2 Лг+Н2 (охлаждение) 1500-15 50 10+ 25+ 15 <0,075 <0,075

Ватулин [18] Спрессованные шашки (147-196 МПа) диаметром 6-15 мм и высотой 4-6 мм. >2,0 - N2 (нагрев) N2 или N2+H2 Лг или Лг+Н2 (охлаждение) 1800 5-12 0,2-0,3 0,2-0,3

Суммарная длительность процесса карботермического синтеза составляет 48-50 ч (рисунок 1.3). Качество получаемого нитрида (содержание кислорода и углерода в конечном продукте) и скорость конверсии оксидов в нитрид зависит от температуры, скорости потока реакционных газов (азот и смесь азота и водорода) [15, 17, 19].

Выбор значения расхода подводимого реакционного газа осуществляют на основе балансовых соотношений для реакции карботермического синтеза для полного замещения кислорода азотом [20]. Также в [20] указано, что в случае засыпки продукта массой один

килограмм при полном замещении кислорода в исходных диоксидах при атмосферном давлении

3 3

и рабочей температуре 1750 °С расходуется 0,266 м азота и образуется 1,065 м угарного газа. В работе [16] установлено, что добавление водорода в поток азота приводит к возрастанию количества образовавшегося CO в газовой среде и, соответственно, к снижению содержания кислорода и углерода в синтезируемом (С, Pu)N (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Температурная циклограмма режима карботермического синтеза и содержание СО в газовой среде в зависимости от времени процесса [1, 16]

Из данных [15] (таблица 1.1 и рисунок 1.4) следует, что скорость конверсии иО2+РиО2+С в среде N увеличивается при повышении температуры с 1450 до 1560 °С и степень восстановления достигает значения почти 100%. При проведении процесса в смеси газов ^+Н2 взаимодействие оксидов с углеродом после достижения степени восстановления ~80% практически прекращается.

Согласно [16] скорость реакции карботермического синтеза зависит от температуры процесса, его длительности и скорости потока реакционного газа (азота и смеси азота и водорода). Константа скорости взаимодействия в потоке азота, определенная в [16],

равна 1,77 10-4 с 1.

_и

300

Рисунок 1.4 - Изменение степени восстановления (и, Ри)К в зависимости от длительности процесса карботермического синтеза, температуры и газовой атмосферы [15]

Результаты исследования кинетики процесса конверсии И02-Ри02 в потоке N2+6% масс. Н2 показали, что константа скорости реакции практически не зависит от расхода реакционного газа в диапазоне температур 1550-1600 °С. Кинетическое уравнение конверсии смеси оксидов урана и плутония в потоке ^+Н2 в [16] описывается следующим образом (4):

1п к = (-670г7)- 3,9 + 1,17 'Ю-8^ (4)

где Г -скорость потока реакционного газа, см3/(минг), Т - температура, К, Я - газовая постоянная.

Шашки (И, Ри)^ полученные после карботермического синтеза дробят и измельчают. Из полученного порошка прессуют топливные таблетки, которые отправляют на спекание.

1.1.2. Спекание таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

Технология спекания таблеток нитридного топлива предусматривает, что спрессованные порошки (И, Ри^ и связующего в виде таблеток нагревают в высокотемпературной печи в определенной газовой атмосфере при заданной температуре. Спекание производится для улучшения физико-механических и структурных свойств таблеток нитридного топлива. Одной из важнейших характеристик спеченных таблеток является плотность. Большая плотность обеспечивает лучшие механические и теплофизические свойства (большая прочность, температуропроводность, термопрочность и т.д.) [21-23]. Для эффективной работы нитридного

топлива в ядерном реакторе помимо плотности также важна остаточная пористость спеченных таблеток, так как она позволяет снизить распухание и достигнуть глубокие выгорания [24]. Согласно литературным данным, пористость таблеток должна составлять 15-20% [1, 8], а рекомендуемая плотность таблеток нитридного топлива после спекания может быть как ~90%, так и 98-100% [10]. Данный факт указывает на то, что разработчики технологии фабрикации (и, Ри^ топлива должны предусмотреть возможность получения итогового продукта с широким диапазоном изменения его структурного состояния.

Пример температурной циклограммы спекания таблеток (и, Ри^ топлива в атмосфере Аг - Аг+^+Н2 - Аг приведен на рисунке 1.5 [21, 25, 26]. Согласно [21] исходным материалом для прессования (давление 100-300 МПа) таблеток нитридного уран-плутониевого топлива является порошок (и, Ри^ с размером частиц 2-6 мкм, смешанный со связующим. Длительность выдержки таблеток (и, Ри^ при температуре 1800-1950 °С составляет 10 ч [25, 26]. Плотность таблеток (и, Ри^ топлива, полученных по данной технологии спекания, составляет 85-90 % от теоретического значения.

(3+4 (1,5+2,5Х1+2) (1) (10-12) (I) (3,5+5]

Рисунок 1.5 - Температурная циклограмма спекания (и, Ри^ топлива [21, 26]

Плотность спеченной таблетки нитридного уран-плутониевого топлива зависит от качества исходной заготовки (дисперсности (степени измельчения) используемых порошков, исходной плотности «сырых» таблеток) и условий проведения процесса (температура и газовая атмосфера), соответственно (рисунок 1.6) [1, 13].

В таблице 1.2 приведены наиболее значимые результаты по экспериментальным исследованиям спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива. На рисунке 1.6 и в таблице 1.2 можно видеть, что плотность спеченного нитридного уран-плутониевого топлива увеличивается с повышением температуры спекания и выше в атмосфере Аг+8% масс. Н2, чем

при спекании в атмосфере N2+8% масс. H2 [1, 13].

Рисунок 1.6 - Влияние условий проведения процесса спекания нитридного уран-плутониевого топлива на плотность получаемого изделия (давления прессования 400 МПа, длительность

измельчения исходного порошка 48 ч) [1, 13]

Таблица 1.2 - Экспериментальные исследования спекания (U, Pu)N [1, 8, 9, 13, 18]

Автор исследования Условия спекания Содержание, % масс. Плотность, % от теор. плотности Плотность, г/см3

Температура, °С Атмосфера O2 C

Blank [8], Bernard [9] 1680-1730 Ar+8% масс. H2 0,080 0,010

0,065 0,050

<0,050 <0,05 0 80-85

<0,070 0,0150,060

0,091 0,089 85±1

Arai [13] 1600 Ar+8% масс. H2 - - 85,1 12,2

1650 0,070 0,150 91,5 13,1

1700 - - 94,2 13,5

1750 0,180 0,140 95,1 13,6

1750 Ar 0,120 0,110 94,5 13,5

1750 N2+8% масс. H2 0,030 0,190 91,1 13,0

Ватулин [18] 1550-1800 Ar+ N2 0,1000,500 0,1000,500 94 13,5

Микроструктура таблеток (И, Ри^ после 5 ч спекания при температуре 1750 °С в среде Лг+8% масс. Н2, Аг и 8% масс. Н2 представлена на рисунке 1.7 [13]. Согласно рисунку 1.7

размер зерен образца (и, Ри)К спеченного в К2+8% масс. Н2 намного меньше, чем размер зерен образцов (И, Ри)К, спеченных в Аг+8% масс. Н2 и Аг. Как следствие, значение плотности спеченных образцов (И, Ри)К в К2+8% масс. Н2 меньше, чем плотность образцов (И, Ри)К, спеченных в Аг+8% масс. Н2 и Аг. То есть, качество спекаемых таблеток (И, Ри)К (плотность, размер зерна) также зависит от парциального давления азота над спекаемым продуктом. В дополнение к этому, в работе [27] показано, что наблюдается тенденция увеличения зерен в спеченной таблетке нитридного топлива при уменьшении парциального давления азота при спекании.

а) б)

в)

Рисунок 1.7 - Микроструктура спеченного (И, Ри)К при температуре 1750 °С в атмосфере: а) Аг+8% масс. Н2 (95% от теор. плотности); б) Аг (95% от теор. плотности); в) К2+8% масс. Н2

(91% от теор. плотности) [13]

Таким образом, установлено, что одними из важнейших факторов, которые влияют на качество продукта в ходе реакции карботермического синтеза и спекания таблеток (И, Ри)К являются температура процесса и состав газовой среды (в том числе расход, парциальное давление газов). Для обеспечения заданной температуры и состава газовой среды при проведении карботермического синтеза и спекания (И, Ри)К используется высокотемпературное печное оборудование.

1.2. Высокотемпературное печное оборудование для фабрикации таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

Карботермический синтез и спекание нитридного уран-плутониевого топлива в лабораторных условиях, как правило, проводят в установках (печах) горизонтального или вертикального тип [1]. В установках вертикального типа чаще всего используется индукционный нагрев. Электрические нагреватели применяются в печах горизонтального типа. Предпочтение отдается нагревателям, изготовленным из вольфрама. На рисунках 1.8 и 1.9 показаны примеры печей для синтеза и спекания нитридного уран-плутониевого топлива [1].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шамсутдинов Ринат Нурисламович, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев, С.В. Нитридное топливо для ядерной энергетики / С.В. Алексеев, В. А. Зайцев -Москва: Техносфера, 2013. - 246 с.

2. Федоров, М.С. Применение технологии карботермического синтеза при производстве смешанного нитрид урана и плутония / М.С. Федоров, Д.В. Зозуля, А.Н. Жиганов и др. // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2021. - Т. 64, № S2-2 (759). - с. 142-147.

3. Грачев, А.Ф. Исследования смешанного нитридного уран-плутониевого топлива в рамках проекта «Прорыв» / А.Ф. Грачев, Л.М. Забудько, Г.А. Киреев и др. // Атомная Энергия. -2017. - Т. 122, № 3. - с. 156-167.

4. Bernard, H. Advaned Fuel for Fast Breeder Reactors: Fabrication and Properties and their Optimization / H. Bernard, P. Bardelle, D. Warin // IAEA. Advaned Fuel for Fast Breeder Reactors: Fabrication and Properties and their Optimization. - 1988. - P 43-53.

5. Taylor, K.M. Synthesis and Fabrication of Refractory Uranium Compounds / K.M. Taylor, C.H. McMurtry // 0ro-400. - 1961.

6. Rand, M.H. Variation of some thermodynamic properties across the UC-UN solid solution range. // Scientific Administration Office, Atomic Energy Research Establishment. - 1964.

7. Stocker, H.J. Preparation of uranium mononitride by the reaction of uranium dioxide with carbon and nitrogen (SM-66/14) / H.J. Stocker, S. Imoto // Proceedings of a Symposium on Thermodynamics with Emphasis on Nuclear Materials and Atomic Transport in Solids. - 1966. -Vol. 2. - P. 533-547.

8. Blank, H. Dense fuels in Europe / H. Blank // Journal of Nuclear Materials. - 1989. - Vol. 166, № 1-2. - P. 95-104.

9. Bernard, H. Advanced fuel fabrication / H. Bernard // Journal of Nuclear Materials. - 1989. -Vol. 166. - P. 105-111.

10. Rogozkin, B.D. Mononitride fuel for fast reactors / B.D. Rogozkin, N.M. Stepennova, A.A. Proshkin // Atomic Energy. - 2003. - Vol. 95, № 3. - P. 624-636.

11. Orlov, V.V. Mononitride fuel and large scale nuclear power industry / V.V. Orlov, A.G. Sila-Novitsky, V.S. Smirnov et.al. // Technical Committee Meeting Held in Moscow on Studies of Fuels with Low Fission Gas Releases, IEA-TECDOC-970. - 1996. - P. 155-168.

12. Ganguly, C. Preparation, characterisation and out-of-pile property evaluation of (U,Pu)N fuel pellets / C. Ganguly, P.V. Hegde, A.K. Sengupta // Journal of Nuclear Materials. - 1991. -Vol. 178, № 2-3. - P. 234-241.

13. Arai, Y. Fabrication of uranium-plutonium mixed nitride fuel pins for irradiation tests in JMTR / Y. Arai // Journal of nuclear science and technology. - 1993. - Vol. 30, № 8. - P. 824-830.

14. Смирнов, В.П. Установка карботермического синтеза нитридов для производства смешанного нитридного уран-плутониевого топлива / В.П. Смирнов, С.В. Павлов, Р.Н. Шамсутдинов и др. // Атомная энергия. - 2018. - т. 125, №5. -с. 284-287 (вклад автора 10%).

15. Pautasso, G. Investigation of the reaction UO2+x + PuO2 + C + N2 by thermogravimetry / G. Pautasso, K. Richter, C. Sari // Journal of Nuclear Materials. - 1988. - Vol. 158. - P. 12-18.

16. Bardelle, P. Mechanism and kinetics of the uranium-plutonium mononitride synthesis / P. Bardele, D. Warin // Journal of Nuclear Materials. - 1992. - Vol. 188, № C. - P. 36-42.

17. Greenhalgh, W.O. Kinetic Measurements for the Carbothermic Synthesis of UN, PuN, and (U,Pu)N / W.O. Greenlagh // Journal of the American Ceramic Society. 1973. - Vol. 56, № 11. -P. 553-557.

18. Ватулин, А.В. Мононитридное уран-плутониевое топливо быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем / А.В. Ватулин, Б.Д. Рогозкин, А.Г. Сила-Новицкий // журнал ВНИИНМ. - 2003. - с. 1-10.

19. Roy, P.R. Plutonium metallurgy in India / P.R. Roy, C. Ganguly // Bulletin of Materials Science. - 1984. - № 5. - P. 923-958.

20. Чамовских, Ю.В. Моделирование механизма и кинетики синтеза смешанного нитрида урана и плутония / Ю.В. Чамовских, Н.Г. Сергеев, Н.Н. Алексеенко и др. // Химическая технология. - 2017. - т. 18, № 11. - с. 520-528.

21. Тарасова, М.С. Разработка физических основ электроимпульсного спекания

электропроводных нитридных керамик: дис.....канд. техн. наук: 01.04.07. - Москва, 2019. -

140 с.

22. Park, S. Microstructural evolution and Grain morphology of ZrN pellets / S. Park // Metals and Materials International. - 2009. - Vol. 15, № 2. - P. 187-192.

23. Adachi, J. Porosity influence on the mechanical properties of polycrystalline zirconium nitride ceramics / J. Adachi // Journal of Nuclear Materials. - 2006. - Vol. 358, № 2-3. - P. 106-110.

24. Malthews, R.B. Fabrication and testing of uranium nitride fuel for space power reactors / R.B Malthews // Journal of Nuclear Materials. - 1988. - Vol. 151. - P. 334-344.

25. Скупов, М.В. Проект "Прорыв" - выбор технических решений для фабрикации, рефабрикации плотного топлива // Презентация доклада конференции «Новая технологическая платформа атомной энергетики проект «ПРОРЫВ». 21-22 марта 2014 г. Москва. 14 с.

26. Мочалов, Ю.С. Замыкание ЯТЦ - решение проблемы накопления ОЯТ и расширение базы атомной энергетики // Презентация доклада конференции «Проектное направление «ПРОРЫВ»: место и преимущества проекта в развитии мировой энергосистемы». 7-8

июня 2016 г. Екатеринбург. 32 с.

27. Tennery, V.J. Sintering of UN as a Function of Temperature and N2 Pressure / Tennery V.J., Godfrey T.G., Potter R.A. // Journal of the American Ceramic Society. - 1971. - Vol. 54, № 7. -P. 327-331.

28. Техническая документация на вакуумную печь СШВЭ-1.2,5/25, с. 1-8.

29. Вишневский, В. Ю. Шахтная вакуумная печь сопротивления/ В.Ю. Вишневский, А.Ю. Котов // Полезная модель. - 2006. - № 19. - с. 1-2.

30. Кузьмин, И.В. Экспериментальный стенд для газодинамических исследований канала печи спекания таблеток ядерного топлива / И.В. Кузьмин, А.Ю. Лещенко, Р.Н. Шамсутдинов и др. // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2018. - №4. -с. 53-63 (вклад автора 50%).

31. Denisov, A.L. Key Features of Design , Manufacturing and Implementation of Laboratory and Industrial Equipment for Mixed Uranium - Plutonium Oxide and Nitride Fuel Pellets Fabrication in Russia (IAEA-CN245-563) / A.L. Denisov, V P. Smirnov, S.V. Pavlov et. al. // Fast Reactors and Related Fuel Cycles (FR17): Proceedings of an International Conference. - Yekaterinburg: IAEA, 2017.

32. Шамсутдинов, Р.Н. Разработка и верификация CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония / Р.Н. Шамсутдинов, С.В. Павлов, А.Ю. Лещенко // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2019. - №4. - с. 130-141 (вклад автора 70%).

33. Шамсутдинов, Р.Н. Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции рабочего канала печи спекания таблеток смешанного нитридного уран-плутониевого топлива / Р.Н. Шамсутдинов, С.В. Павлов, А.Ю. Лещенко и др. // Сборник докладов V международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (МНТК НИКИЭТ-2018). - Москва: АО «НИКИЭТ». -2018. - с. 1528-1535 (вклад автора 40%).

34. Зозуля, Д.В. Результаты отработки и проблемы изготовления порошков СНУП-топлива в условиях опытно-промышленного производства // Презентация доклада проектное направление «ПРОРЫВ». 3-4 апреля 2015 г. Москва. 14 с.

35. Циммерман, Р. Металлургия и материаловедение / Р. Циммерман, К. Гюнтер -М.:Металлургия, 1982. - 480 с.

36. Уткин, М.И. Металлургия цветных металлов / М.И. Уткин - М.:Металлургия, 1985. - 440 с.

37. Евтюкова, И. П. Электротехнологические промышленные установки / И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова и др. - М.:Энергоиздат, 1982. - 400 с.

38. Philips, T. Techniques and tips to optimize, control and stabilize the atmosphere inside a continuous sintering furnace / T. Philips, J.J. Dwyer, Z. Zurecki // Advances in Powder

Metallurgy and Particulate Materials. - 2011. - P. 510-519.

39. Feldbauer, L. A review of the fundamentals of stainless steel brazing in a continuous style, controlled atmosphere brazing furnaces / L. Feldbauer // Proceedings of the IlIrd International brazing and soldering conference. - 2006. - P. 334-337.

40. Use of computational fluid dynamics codes for safety analysis of nuclear reactor systems: summary report of a technical meeting. International Atomic Energy Agency. - 2003. - 50 p.

41. Mahaffy, J. Best Practice Guidelines for the Use of CFD in Nuclear Reactor Safety Applications / J. Mahaffy // Nea. - 2014. - P. 1-176.

42. Smith, B.L. Assessment of CFD Codes for Nuclear Reactor Safety Problems / B.L. Smith // Nea.

- 2014. - P. 1-226.

43. Bestion, D. Extension of CFD codes application to two-phase flow safety problems / D. Bestion // Nuclear Engineeting and Technology. - 2010. - Vol. 42, № 4. - P. 365-376.

44. Быков, М.А. Работы АО ОКБ «Гидропресс» по реализации инвестиционного проекта НИОКР «Внедрение CFD-методов для поддержки проектирования и обоснования проектов». Задачи, состав и ход выполнения. / М.А. Быков // Проблема верификации и применения CFD-кодов в атомной энергетике. Нижний Новгород: ОАО «ОКБМ Африкантов», 2018. P. 5-16.

45. Белова, О.В. Методологические Основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем / О.В. Белова, В.Ю. Волков, А.П. Скибин // Наука и Инновации. - 2013. - № 5 (17). - с. 1-13.

46. Федорова, Н.Н. Основы работы в Ansys 17 / Н.Н. Федорова, С.А. Вальгер, М.Н. Данилов -Москва: ДМК Пресс, 2017. 210 с.

47. Arkhazloo, N. Experimental and unsteady CFD analyses of the heating process of large size forgings in a gas-fired furnace / N. Arkhazloo // Case Studies in Thermal Engineering. 2019. -Vol. 14. - P. 1-12.

48. Silva, J. CFD Modeling of Combustion in Biomass Furnace / J. Silva // Energy Procedia. - 2017.

- Vol. 120. - P. 665-672.

49. Алямовский, А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов и др. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -800 с.

50. Sobachkin, A. Numerical Basis of CAD Embedded CFD / A. Sobachkin, G. Dumnov - Dassault Systems, 2014. - P. 1-19.

51. Wilcox, D C. Turbulence modeling for CFD / D C. Wilcox - DCW Industries, 2006. 522 p.

52. Решетников, Ф.Г. Исследование свойств оксидного уранового и уран-плутониевого топлива и его использование в реакторах на быстрых и тепловых нейтронах /

Ф.Г. Решетников // ВАНТ. - 1995. - Вып.1, № 52. - с. 6-12.

53. Versteeg, H.K. Y plus / H K Versteeg, W. Malalasekera. - 2007. - Vol. II. - P. 72.

54. Hirsch, C. Numerical computation of internal and external flows / C. Hirsch - Chichester: John Wiley&Sons Ltd, 1988. - P. 538.

55. Patankar, S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow / S.V. Patankar - Washington: Hemisphere, 1980. - p. 197.

56. Vygovskiy, S.B. Study of the dependence of the cladding - Fuel pellet gap conductance coefficient on the fuel burn-up and the effects on the neutronic characteristics of the reactor core / S.B. Vygovskiy, F. V. Gruzdov, R.T. Al Malkawi // Izv. Wysshikh Uchebnykh Zawedeniy, Yad. Energ. - 2018. - Vol. 2018, № 4. - P. 20-30.

57. Шамсутдинов, Р.Н. CFD-моделирование теплофизических параметров печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония / Р.Н. Шамсутдинов, С.В. Павлов, А.Ю. Лещенко и др. // Вестник НИЯУ МИФИ. - 2021. - том 10, №2. - с. 151-161 (вклад автора 70%).

58. Павлов С.В., Шамсутдинов Р.Н., Моисеев В.С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020610998 «Программа для расчета температуры в ретортной садочной печи», Официальные издания Роспатента, 2020 (вклад автора 80%).

59. Шамсутдинов, Р.Н. Моделирование распределения газов в печи спекания для производства смешанного нитридного уран-плутониевого топлива / Р. Н. Шамсутдинов, А.Ю. Лещенко, С.В. Павлов // VI научный семинар «Моделирование технологий ядерного топливного цикла». - Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ. - 2017. - c. 28 (вклад автора 70%).

60. Streit, M. Nitrides as a nuclear fuel option / M. Streit, F. Ingold // Journal of the European Ceramic Society. - 2005. - Vol. 25, № 12 SPEC. ISS. - P. 2687-2692.

61. Troyanov, V.M. Prospects for Using Nitride Fuel in Fast Reactors with a Closed Nuclear Fuel Cycle / V.M. Troyanov, A.F. Grachev, L.M. Zabud'ko et.al. // Atomic Energy. - 2014. - Vol. 117, № 2. - P. 85-91.

62. Бэтчелор, Дж. Введение в динамику жидкости / Дж. Бэтчелор // М.: Мир. - 1973. - 778 c.

63. Ferziger, J.H. Computational Methods for Fluid Dynamics / J.H.Ferziger, M.Peric // Berlin: Springer. - P.423. - 2002.

64. Stoben, K. Algebraic multigrid (AMG): an introduction with applications / K. Stuben // Computing. - 1999. - № November. - P. 1-127.

65. Anderson, W.K. An implicit upwind algorithm for computing turbulent flows on unstructured grids / W.K. Anderson, D.L. Bonhaus // Comput. Fluids. - 1994. - Vol. 23, № 1. - P. 1-21.

66. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К.Флетчер // Т. 2. М.: Мир. -1991. - 552 c.

67. Мазо, А. Б. Моделирование турбулентных течений несжимаемой жидкости / А.Б.Мазо. Казань: Казанский государственный университет. - 2007. - 106 c.

68. Hinze, J.O. Turbulence / J.O.Hinze // New York: McGraw-Hill Publishing Co. - 1975. - P.790.

69. Spalart, P.R. Strategies for Turbulence Modelling and Simulations / P.R.Spalart // Int. J. Heat and Fluid Flow -V. 21 - 2000 - P.252-263.

70. Шамсутдинов, Р.Н. Расчетно-экспериментальное моделирование разнонаправленных потоков газов в прямоугольном канале печи спекания таблеток ядерного топлива / Р.Н. Шамсутдинов, С.В. Павлов, И.В. Кузьмин и др. // Вестник НИЯУ МИФИ. - 2021. - том 10, №4. - с. 363-374 (вклад автора 60%).

71. Шамсутдинов Р.Н., Павлов С.В., Лещенко А.Ю., Кузьмин И.В. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2018621663 «Результаты расчетно-экспериментальных исследований распределения газов в прямоугольном канале высокотемпературной печи», Официальные издания Роспатента, 2018 (вклад автора 60%).

Акт внедрения результатов диссертационной работы

сосны

УТВКР'уКДАК)

Директор ООО Н11Ф «Сосны».

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА

«сосны»

(ООО НПФ «Сосны»)

Российская Федерация 433507. Ульяновская обл.. I. Димитров! рад. ир Димитрова, д. 4 а

Тел: [phone] Факс: [phone] оРГ|сеаи)5П> .ги УЧЛЛЛЧ ,505П\ ги

ОКНО 12567692. ОГРН 1027300535107 ИНН КПП 7302007037 732901001

АКГ

внедрения результатов диссертационной работы Шамсутдинова Р.Н.

«Разработка и исследования численных моделей оборудования для фабрикации нитридного уран-плутониевого ялерного топлива», представленной на соискание ученой

степени кандидат технических наук по специальности 05 14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации (технические науки)

Настоящим актом подтверждаю, что теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе Шамсутдинова Р И. «Разработка и исследования численных моделей оборудования для фабрикации нитридного уран-плутониевого ялерного топлива», внедрены и были использованы при разработке конструкторской документации установки карботермического синтеза нитридов и установки спекания таблеток нитридного уран-плутониевое го топлива для модуля фабрикации рефабрикацин <МФР) опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК) на площадке АО «СХК» в городе С'еверск.

Разработана численная модель печи карботермического синтеза нитридов и экспериментально доказана её адекватность. С помощью численной модели печи карботермического синтеза:

подтверждена корректность выбранной концепции ретортной садочной печи, согласно которой в рабочей зоне печи (реторте) не используются термопары для

измерения температуры продукта. Температура продукта определяется косвенно (по температуре нагревателей) и реализованная конструкция печи позволяет обеспечить равномерное распределение температуры продукта в диапазоне 1650x50 "С во всем рабочем объеме реторты.

выданы рекомендации для рабочих параметров печи для обеспечения изотермической выдержки загруженного в печь продукта в диапазоне температур 1650±50 °С в азотной и азотоводородной атмосфере.

Разработана численная модель канала печи спекания таблеток нитрндного уран-плутониевого топлива С помощью численной модели канала печи спекания:

установлено, что для выбранных схемы подачи газов, конструкций и расположения барьеров, узлов подачи и отвода газов в канале печи обеспечивается грехзонное разделение газов (аргон-аргон+азотоводородная смесь-аргон) с требуемым содержание азота в юнах на1рева н охлаждения (менее 0.1 об.%). а также зоне спекания (более 50 об.%).

- выданы рекомендации для рабочих параметров печи спекания для обеспечения заданною грехзонного газового разделения (аргон-арюн-азоговодородная смесь-аргон) в объеме канала печи.

Разработаны про!рамма для ЭВМ «Программа для расчета температуры в ретортной садочной печи» и база данных «Результаты расчегно-экспериментальных исследовании распределения газов в прямоугольном канале высокотемпературной печи».

Носов А. В.

11ачальник

научно-аналитическою отдела.

Лешенко А.Ю.

к.т.н

Начальник отдела

научных исследований и обоснования безопасности технологий

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Программа для расчета температуры

в ретортной садочной печи»

Акт изготовления и внедрения стенда для экспериментальных исследований канала печи спекания таблеток нитридного уран-плутониевого топлива

Свидетельство о регистрации базы данных «Результаты расчетно-экспериментальных исследований распределения газов в прямоугольном канале высокотемпературной печи»