Розробка моделі пошкодженності фрактальної структури оболонки тепловиділюючого елементу ядерного реактора

Автор(и)

  • Павло Феофанович Буданов Українська інженерно-педагогічна академія, Україна http://orcid.org/0000-0002-1542-9390
  • Едуард Анатолійович Хом’як Українська інженерно-педагогічна академія, Україна http://orcid.org/0000-0002-2579-2986
  • Ігор Геннадійович Кирисов Українська інженерно-педагогічна академія, Україна https://orcid.org/0000-0002-0214-8880
  • Костянтин Юрійович Бровко Українська інженерно-педагогічна академія, Україна http://orcid.org/0000-0002-9669-9316
  • Сергій Евгенович Кальний Харьківський Національний університет Повітряних Сил им. Івана Кожедуба , Україна https://orcid.org/0000-0002-7207-4282
  • Олег Володимирович Карпенко Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Україна http://orcid.org/0000-0003-4009-1990

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263374

Ключові слова:

оболонка тепловиділяючого елемента, модель пошкодженості оболонки, фрактальна структура, фрактальна розмірність

Анотація

Досліджуються фізичні процеси в структурі матеріалу оболонки тепловиділяючого елемента (ТВЕЛ), викликані різними ушкоджуючими дефектами, на її зовнішній і внутрішній поверхні і впливають на зміну геометричних параметрів ТВЕЛ ядерного реактора.

Вирішується проблема вдосконалення моделі пошкодженості оболонки ТВЕЛ, з урахуванням структурно-фазових змін у матеріалі оболонки з ушкоджуючими дефектами на зовнішній та внутрішній поверхні, для встановлення фактичного критерію оцінки ступеня герметичності ТВЕЛ.

Запропоновано для дослідження структури матеріалу оболонки з ушкоджуючими дефектами (макропори та мікротріщини), яка є пористою неоднорідною структурою з фрактальними властивостями самоподібності та масштабованості, застосовувати апарат фрактальної геометрії.

Розроблено та запропоновано фізичну модель оболонки ТВЕЛ, у вигляді геометричної фігури циліндроподібної форми, яка дозволяє досліджувати фрактальні властивості структури матеріалу пошкодженої оболонки та їх вплив на зміну геометричних параметрів ТВЕЛ.

Отримано вдосконалену модель пошкодженості оболонки ТВЕЛ, яка дозволяє враховувати фрактальні збільшення геометричних параметрів ТВЕЛ, для встановлених значень фрактальної розмірності.

Експериментальні дослідження оболонки ТВЕЛ, з використанням скін-ефекту, підтвердили теоретичні результати та показали обґрунтованість вибору практичного використання параметра фрактальної розмірності як ефективний критерій оцінки ступеня герметичності оболонки ТВЕЛ. Експериментально встановлено, що величина фрактальної розмірності дорівнює 2,68, відповідає максимальний ступінь пошкодження оболонки для негерметичного ТВЕЛ.

Біографії авторів

Павло Феофанович Буданов, Українська інженерно-педагогічна академія

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Едуард Анатолійович Хом’як, Українська інженерно-педагогічна академія

Postgraduate Student, Assistant

Department of Physics, Electrical Engineering and Power Engineering

Ігор Геннадійович Кирисов, Українська інженерно-педагогічна академія

Старший викладач

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Костянтин Юрійович Бровко, Українська інженерно-педагогічна академія

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Сергій Евгенович Кальний, Харьківський Національний університет Повітряних Сил им. Івана Кожедуба

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра фізики та радіоелектроніки

Олег Володимирович Карпенко, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра фізики та радіоелектроніки

Посилання

  1. Parga, C. J., Rooyen, I. J., Luther, E. P. (2018). Fuel – clad chemical interaction evaluation of the TREAT reactor conceptual low-enriched-uranium fuel element. Journal of Nuclear Materials, 512, 252–267. doi: http://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.10.028
  2. Tang, J., Huang, M., Zhao, Y., Ouyang, X., Huang, J. (2017). A new procedure for solving steady-state and transient-state nonlinear radial conduction problems of nuclear fuel rods. Annals of Nuclear Energy, 110, 492–500. doi: http://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.05.061
  3. Pelykh, S. N., Maksimov, M. V., Baskakov, V. E. (2013). Grounds of VVER-1000 fuel cladding life control. Annals of Nuclear Energy, 58, 188–197. doi: http://doi.org/10.1016/j.anucene.2013.03.020
  4. Yong, S., Linzi, Z. (2022). Robust deep auto-encoding network for real-time anomaly detection at nuclear power plants. Process Safety and Environmental Protection, 163, 438–452. doi: http://doi.org/10.1016/j.psep.2022.05.039
  5. Philip, B., Berrill, M. A., Allu, S., Hamilton, S. P., Sampath, R. S., Clarno, K. T., Dilts, G. A. (2015). A parallel multi-domain solution methodology applied to nonlinear thermal transport problems in nuclear fuel pins. Journal of Computational Physics, 286, 143–171. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.01.029
  6. Zheng, Y. (2020). Predicting stochastic characteristics of generalized eigenvalues via a novel sensitivity-based probability density evolution method. Applied Mathematical Modelling, 88, 437–460. doi: http://doi.org/10.1016/j.apm.2020.06.060
  7. Hyung, M. S., Kune, Y. S. (2011). Evolutionary design of reactor vessel assembly for liquid metal cooled battery. Progress in Nuclear Energy, 53 (7), 825–830. doi: http://doi.org/10.1016/j.pnucene.2011.05.026
  8. Abdul, R. K., Afzal, R. A., Mohammed, A. D., Ramis, M. K. (2019). Effect of cladding on thermal behavior of nuclear fuel element with non-uniform heat generation. Progress in Nuclear Energy, 111, 1–14. doi: http://doi.org/10.1016/j.pnucene.2018.10.013
  9. Belles, R. J. (2021). Key reactor system components in integral pressurized water reactors (iPWRs). Handbook of Small Modular Nuclear Reactors, 95–115. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-12-823916-2.00005-9
  10. Shuang, X., Xuhua, Z., Gaojie, H., Xiaxin, C. (2021). CFD analysis of the flow blockage in a rectangular fuel assembly of the IAEA 10 MW MTR research reactor. Nuclear Engineering and Technology, 53 (9), 2847–2858. doi: http://doi.org/10.1016/j.net.2021.03.028
  11. Pecchia, M., Vasiliev, A., Ferroukhi, H., Pautz, A. (2017). A methodology for evaluating weighting functions using MCNP and its application to PWR ex-core analyses. Annals of Nuclear Energy, 105, 121–132. doi: http://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.03.008
  12. Budanov, P., Kyrysov, I., Brovko, K., Rudenko, D., Vasiuchenko, P., Nosyk, A. (2018). Development of a Solar Element Model Using the Method of Fractal Geometry Theory. Eastern-Eruropian Journal of Enterprise Thechnologies, 3 (8 (111)), 75–89. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.235882
  13. Puthiyavinayagam, P., Selvaraj, P., Balasubramaniyan, V., Raghupathy, S., Velusamy, K., Devan, K., Nashine, B. et. al. (2017). Development of fast breeder reactor technology in India. Progress in Nuclear Energy, 101, 19–42. doi: http://doi.org/10.1016/j.pnucene.2017.03.015
  14. Williamson, R. L., Hales, J. D., Novascone, S. R., Tonks, M. R., Gaston, D. R., Permann, C. J. et. al. (2012). Multidimensional multiphysics simulation of nuclear fuel behavior. Journal of Nuclear Materials, 423 (1-3), 149–163. doi: http://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.01.012
  15. Dawahra, S., Khattab, K., Alhabit, F. (2020). MNSR transient analysis using the RELAP5/Mod3.2 code. Nuclear Engineering and Technology, 52 (9), 1990–1997. doi: http://doi.org/10.1016/j.net.2020.03.006
  16. Fiorina, C., Clifford, I., Kelm, S., Lorenzi, S. (2022). On the development of multi-physics tools for nuclear reactor analysis based on OpenFOAM: state of the art, lessons learned and perspectives. Nuclear Engineering and Design, 387, 1–15. doi: http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111604
  17. Papin, J. (2019). Behavior of Fast Reactor Fuel During Transient and Accident Conditions. Comprehensive Nuclear Materials, 2, 339–362. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-08-102865-0.00039-x
  18. Clifford, I., Pecchia, M., Puragliesi, R., Vasiliev, A., Ferroukhi, H. (2018). On the characteristics of the flow and heat transfer in the core bypass region of a PWR. Nuclear Engineering and Design, 330, 117–128. doi: http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2018.01.039
  19. Budanov, P., Brovko, K., Cherniuk, A., Pantielieieva, I., Oliynyk, Y., Shmatko, N., Vasyuchenko, P. (2018). Improvement of safety of autonomous electrical installations by implementing a method for calculating the electrolytic grounding electrodes parameters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (95)), 20–28. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.144925
  20. Budanov, P., Brovko, K., Cherniuk, A., Vasyuchenko, P., Khomenko, V. (2018). Improving the reliability of information­control systems at power generation facilities based on the fractal­cluster theory. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (9 (92)), 4–12. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.126427
  21. Hohorst, J. K. (1990). MATPRO-A, a library of materials properties for light-waterreactor accident analysis. Idaho Falls: Idaho National Engineering Lab, 4, 1098.
  22. Feder, E. (2014). Fraktaly. Moscow: URSS: Len, 256.
  23. Balkhanov, V. K. (2013). Osnovy fraktalnoi geometrii i fraktalnogo ischisleniia. Izd-vo Buriatskogo gosuniversiteta, 224.
  24. Mandelbrot, B. (2010). Fraktalnaia geometriia prirody. IIKI, NITc «Reguliarnaia i khaoticheskaia dinamika», 656.
  25. Skobov, V. G., Chernov, A. S. (2013). Nelineinyi skin-effekt v polumetallakh. Fizika tverdogo tela, 55 (10), 1903–1907.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-08-29

Як цитувати

Буданов, П. Ф., Хом’як, Е. А., Кирисов, І. Г., Бровко, К. Ю., Кальний, С. Е., & Карпенко, О. В. (2022). Розробка моделі пошкодженності фрактальної структури оболонки тепловиділюючого елементу ядерного реактора. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (118), 60–70. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263374

Номер

Том 4 № 8 (118) (2022): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Pavlo Budanov, Eduard Khomiak, Ihor Kyrysov, Kostiantyn Brovko, Sergiy Kalnoy, Oleh Karpenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.