1. Государственная корпорация «Росатом»
Государственный научный центр РФ – Физико-энергетический институт
имени А.И. Лейпунского
Современные расчетные технологии обоснования
характеристик космических ЯЭУ в проектных работах
создания термоэмиссионных ЯЭДУ нового поколения
М.А. Полоус, П.А. Алексеев, И.А. Ехлаков
Обнинск, 2013

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Настоящая работа представляет собой обзор трех современных
расчетных технологий обоснования характеристик термоэмиссионных
КЯЭУ нового поколения:
1. Оптимизация электрических и тепловых характеристик
многоэлементного термоэмиссионного электрогенерирующего канала (ЭГК)
в трехмерной геометрии с использованием экспериментальных данных о
вольтамперных характеристиках (ВАХ) термоэмиссионных
преобразователей (ТЭП).
2. Обоснование нейтронно-физических характеристик реактора -
оптимизационная задача, заключающаяся в получении достаточного запаса
реактивности и приемлемого распределения энерговыделения по активной
зоне.
3. Оптимизация радиационной защиты КЯЭУ, которая заключается в
минимизации массогабаритных характеристик блока радиационной защиты
реактора при обеспечении им допустимых радиационных нагрузок на всех
защищаемых объектах.

3. КОСМИЧЕСКИЕ ЯЭУ
ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

4. Современный программный комплекс для
трехмерного численного расчета выходных
характеристик термоэмиссионных
электрогенерирующих систем

5. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ЭГК

6. ПРОГРАММНЫЙ КОД КОНЕЧНО-
ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА «COMSOL-ЭГК»
В результате модификации современного программного
кода конечно-элементного анализа COMSOL разработан
код COMSOL-ЭГК, реализующий методику расчета
теплоэлектрических характеристик ЭГК и ТЭС со сложной
геометрией конструктивных элементов на основе
трехмерной математической модели с возможностью
использования дискретных экспериментальных данных о
ВАХ ТЭП.
Методика предназначена для обоснования проектных
решений перспективных термоэмиссионных КЯЭУ, а также
наземных ЭУ с ядерным или неядерным нагревом
эмиттеров ТЭС сложной геометрии.

7. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В
COMSOL-ЭГК
Модель многоэлементного ЭГК имеет 2D-осесимметричное приближение. На рисунке
представлен один ЭГЭ и области его межэлектродной коммутации.
Общий вид расчетной модели многоэлементного ЭГК, созданной с помощью средств
геометрического моделирования программной среды COMSOL-ЭГК. Модель включает
в себя 9 ЭГЭ.

8. СОЗДАНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ СЕТКИ
С помощью средств программного кода COMSOL-ЭГК
построена расчетная сетка многоэлементного термоэмиссионного
ЭГК с адаптивным типом разбиения, состоящая из более чем
50000 расчетных ячеек, имеющих треугольную форму.
Фрагмент созданной расчетной сетки

9. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЭГК С ПОМОЩЬЮ
COMSOL-ЭГК
Распределение температурного поля многоэлементного ЭГК при
тепловой мощности 5000 Вт и электрическом токе 100 А для
электродной пары Pt – ВХ2У

10. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЭГК С ПОМОЩЬЮ
COMSOL-ЭГК (ПРОДОЛЖЕНИЕ)

11. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЭГК С ПОМОЩЬЮ
COMSOL-ЭГК (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
Сравнение расчетных методик

12. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЭГК С ПОМОЩЬЮ
COMSOL-ЭГК (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
Зависимость генерируемой ЭГК
Зависимость электрического тока ЭГК
электрической мощности от
от выходного напряжения
электрического тока
Результаты расчетов подтвердили существенное влияние на выходные
характеристики многоэлементного ЭГК пространственных эффектов, которые не
могут быть учтены с достаточной точностью в рамках одномерных моделей.

13. Оптимизация нейтронно-физических
характеристик термоэмиссионного
реактора-преобразователя

14. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТРП

15. СХЕМА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ТРП
1 – построение имитационной модели реактора (ПК MCNP);
2 – обработка результатов расчетных опытов, построение метамодели реактора;
3 – расчет по метамодели значений реакторных функционалов;
4 – расчет (проверка) решения найденного алгоритмом оптимизации.

16. Блок схема реализованного генетического
алгоритма
Опыт применения
созданной на основе
генетического алгоритма
методики показал, что
она позволяет
достаточно быстро
получать наборы
решений
оптимизационной задачи
с учетом накладываемых
ограничений, из которых
далее может быть
сделан выбор с учетом
требований смежных
задач

17. Оптимизация радиационной защиты
термоэмиссионной космической ЯЭУ

18. ЗАДАЧА ОПТИМИЗАЦИИ РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ КЯЭУ
Задача оптимизации радиационной защиты КЯЭУ состоит в минимизации
ее массогабаритных характеристик при обеспечении ей допустимых радиационных
нагрузок на всех защищаемых объектах. Одним из ключевых направлений
решения данной задачи является нахождение оптимального профиля защитных
слоев блока радиационной защиты.

19. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ
ЗАЩИТНЫХ СЛОЕВ
Задача определения оптимального
профиля защитных слоев решается
методом теории оптимального
управления (Л.С. Понтрягин) и
состоит в минимизации функционала
T
J f 0 ( x(t), u (t ))dt
t0
t S R2
x(t) - распределение тока вклада
разных компонентов реакторного
излучения на поверхности защитного
слоя, а роль управления u(t) играет
его толщина, R – радиус на
поверхности не профилированного
слоя радиационной защиты

20. АЛГОРИТМ «ПЧЕЛИНОЙ КОЛОНИИ»
Применение данного алгоритма к
задаче профилирования также дало
прекрасные результаты, помогая
уменьшить массы слоев радиационной
защиты эффективнее, чем другие
алгоритмы. При этом контрольный
расчет радиационной обстановки в
точках расположения защищаемых
элементов показал, что она по-
прежнему находится в пределах
допустимых границ. Хорошая скорость
и надежность алгоритма позволяют
использовать его в программном
комплексе автоматической
оптимизации.

21. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время основные задачи расчета и оптимизации
характеристик ТРП в составе космической ЯЭУ – расчет выходных
характеристик ЭГК, расчет нейтронно-физических характеристик
ТРП и оптимизация массогабаритных характеристик радиационной
защиты – решаются отдельно. В то же время они не являются
независимыми друг от друга. Так, например, исходные данные для
электротеплофизического расчета ЭГК получают в результате
нейтронно-физического расчета активной зоны реактора, в свою
очередь, угол блока радиационной защиты связан с габаритами
активной зоны, на которые влияют решения двух других задач.
Поэтому совместное решение этих задач является актуальным и
позволит решить задачу разработки методики оптимизации ТРП как
целого, что ответит самому современному тренду в ядерной
энергетике и позволит выйти на новый уровень качества конечных
результатов.

22. Благодарю за внимание!