Математическое моделирование процесса прокалки оксидов актинидов в барабанной печи

НАДЕЖДИН И.С., ТПУ, г. Томск

Науч. рук. д-р техн. наук, доцент ГОРЮНОВ А.Г.

Предприятия топливно-энергетической промышленности наносят большой вред окружающей среде. Как правило, при сжигании угля и нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается большое количество вредных газов. Выделяющиеся газы являются причиной парникового эффекта. Одним из источников энергии, за которым будущее, является атомная энергетика. Эксплуатация атомных электростанций требует повышенной степени защиты и безопасности. Очень важным и актуальным вопросом является хранение и утилизация отработанного ядерного топлива. В целях уменьшения и переработки отработанного ядерного топлива разрабатываются новые технологии, которые позволят использовать ядерное топливо в замкнутом топливном цикле. Одной из стадий технологии по переработке отработанного ядерного топлива является прокалка (восстановление) оксидов актинидов в барабанной печи. Целью данной работы является разработка математической модели процесса прокалки оксидов актинидов в барабанной печи.

Полученные в результате термической денитрации продукты представляют собой смесь оксидов актинидов, в состав которой входят диоксид плутония (PuO₂) и триоксид урана (UO₃). Полученную смесь оксидов актинидов измельчают с помощью специального устройства. Затем полученный порошок загружается в барабанную печь. В барабанной печи имеется шнековый транспортер с постоянным шагом, с помощью которого происходит перемещение смеси оксидов по длине аппарата. В барабанную печь подается аргон-водородная смесь в противоток перемещения оксидов. Снаружи барабанной печи установлены трубчатые электронагревательные элементы, с помощью которых в печи поддержи-вается температура около 700 °С. В результате нагрева порошка оксидов актинидов до температуры более 650 °С в аргон-водородной атмосфере начинают протекать химические реакции восстановления триоксида урана (UO₃) до диоксида урана (UO₂). В результате анализа моделируемого процесса была разработана информационная модель, отображающая взаимосвязь между входными и выходными переменными (рисунок).

Информационная модель процесса прокалки оксидов актинидов

Входными переменными для разрабатываемой математической модели являются масса смеси оксидов (m_{исх.окс}), поступающих в печь, концентрации компонентов в смеси оксидов начальная температура смеси оксидов (T_{исх.окс}), поступающих в печь, мощность, подводимая к трубчатым электронагревательным элементам барабанной печи (P_печь), количество оборотов шнекового транспортера (N_шнек), а также расход аргон-водородной смеси температура и концентрация аргона и водорода в аргон-водородной смеси. Выходными переменными являются масса образующихся оксидов (m_окс), объем отходящих газов (V_{отх.газ}), концентрации компонентов в отходящих газах и твердых продуктах а также изменение температуры смеси оксидов в барабанной печи (T_окс).

В ходе исследования была разработана математическая модель, описывающая взаимосвязь входных и выходных переменных информационной модели. Разработанная модель базируется на ячеечной модели барабанной печи, которая позволяет описать распределение (перемещение) массы оксидов актинидов по длине барабанной печи, а также материальный баланс процесса. Математическая модель изменения температуры оксидов в барабанной печи базируется на ячеечной модели противоточного теплообмена между гранулированным материалом и газом, которая была построена на основе теории цепей Маркова. Разработанная математическая модель была реализована в пакете MatLab. В дальнейшем планируется разработать и отладить систему автоматического управления барабанной печью в результате проведения виртуального эксперимента, используя разработанную математическую модель процесса.

УДК 004.94 + 66.011