Помощь студентам в учебе
Имитационное моделирование процесса демонтажа графитовой кладки при выводе из эксплуатации
|
РЕФЕРАТ 9
ВВЕДЕНИЕ 12
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 15
1 ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ РАБОТЫ. ТРЕБОВАНИЯ К РЕШЕНИЮ 16
2 ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ 18
3 3О-МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА 21
3.1 Обоснование конструкции. Принцип действия 21
3.2 Разработка деталей 23
3.3 Выбор материалов 26
3.4 Разработка сборки 27
3.5 Выводы 29
4 СИМУЛЯЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ОСОБЕННОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ 30
4.1 Напряжения, возникающие в графитовом блоке 30
4.2 Напряжения, возникающие в устройстве 34
4.3 Выводы 36
5 СРАВНЕНИЕ С АЛЬТЕРНАТИВНОЙ РАЗРАБОТКОЙ 37
5.1 Описание альтернативной разработки 37
5.2 Сравнение с разрабатываемым устройством 38
6 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 42
6.1 Описание объекта автоматизации 42
6.2 Структура схемы регулирования 43
6.3 Выбор технических средств автоматизации и контроля 44
6.4 Разработка функциональной схемы 47
7 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 49
7.1 Предпроектный анализ 49
7.2 Планирование научно-исследовательских работ 53
7.3 Бюджет научно-технического исследования 60
7.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 65
7.5 Выводы по разделу 68
8 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 71
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 71
8.2 Производственная безопасность 74
8.3 Экологическая безопасность при эксплуатации 80
8.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях при эксплуатации 82
8.5 Выводы по разделу 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Функциональная схема АСР положения устройства захвата со спецификацией
ВВЕДЕНИЕ 12
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 15
1 ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ РАБОТЫ. ТРЕБОВАНИЯ К РЕШЕНИЮ 16
2 ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ 18
3 3О-МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА 21
3.1 Обоснование конструкции. Принцип действия 21
3.2 Разработка деталей 23
3.3 Выбор материалов 26
3.4 Разработка сборки 27
3.5 Выводы 29
4 СИМУЛЯЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ОСОБЕННОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ 30
4.1 Напряжения, возникающие в графитовом блоке 30
4.2 Напряжения, возникающие в устройстве 34
4.3 Выводы 36
5 СРАВНЕНИЕ С АЛЬТЕРНАТИВНОЙ РАЗРАБОТКОЙ 37
5.1 Описание альтернативной разработки 37
5.2 Сравнение с разрабатываемым устройством 38
6 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 42
6.1 Описание объекта автоматизации 42
6.2 Структура схемы регулирования 43
6.3 Выбор технических средств автоматизации и контроля 44
6.4 Разработка функциональной схемы 47
7 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 49
7.1 Предпроектный анализ 49
7.2 Планирование научно-исследовательских работ 53
7.3 Бюджет научно-технического исследования 60
7.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 65
7.5 Выводы по разделу 68
8 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 71
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 71
8.2 Производственная безопасность 74
8.3 Экологическая безопасность при эксплуатации 80
8.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях при эксплуатации 82
8.5 Выводы по разделу 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Функциональная схема АСР положения устройства захвата со спецификацией
Россия вступила в новую эру в области атомной энергетики (АЭ). Одной из тенденций современной АЭ является вывод из эксплуатации энергоблоков, отработавших свой проектный ресурс или осуществляющих свою работу недостаточно эффективно с точки зрения экономики, экологии или политики.
Вывод из эксплуатации энергоблоков сопровождается рядом важных вопросов, таких как безопасный демонтаж, дезактивация, утилизация и хранение радиоактивных материалов (РАО). Наиболее тщательного подхода требует демонтаж графитовой кладки при выводе из эксплуатации уран- графитовых реакторов (УГР). На данный момент в мире существуют более 100 энергетических, исследовательских и промышленных УГР, часть из которых уже остановлена и ожидает окончательного вывода из эксплуатации. Например, в России остановленных УГР 18 шт., и еще 13 в настоящее время находятся в эксплуатации. Приоритетной стратегией вывода из эксплуатации энергетических реакторов (РБМК, АМБ и д.р.) является «немедленный демонтаж».
Актуальность работы заключается в проблеме вывода из эксплуатации реакторов с графитовым замедлителем, что связано с большим количеством РАО, представляющих собой фрагменты графитовой кладки. Графит относится к категории твердых РАО среднего или высокого уровня активности, так как после долгого облучения не приобретает необходимых свойств для его дальнейшего полезного использования. Замедлители и отражатели образуют собой основной поток отходов (во всем мире существует более 250 тысяч тонн этого материала).
Процесс демонтажа осложняется высокими уровнями активности гамма-излучающих нуклидов, что влечет за собой усложнение технологического процесса (дистанционное оборудование и управление) с целью снижения риска превышения допускаемых дозовых нагрузок на персонал. Решением данного вопроса занимается большинство развитых стран мира, в том числе Россия. Актуальность исследования подтверждается заключенными соглашениями между ФГАОУ ВО НИИ ТПУ (далее - ТПУ) и АО «ТВЭЛ», а также ТПУ и АО «ОДЦ УГР» о сотрудничестве и создании в ТПУ научно-исследовательского центра вывода из эксплуатации ядерных объектов, что соответствует программе «Приоритет 2030».
Наиболее перспективным с точки зрения минимизации разрушений графита является кулачковый захват графитовых блоков (далее - блоков). Такой способ позволит эффективно фиксировать устройство внутри блока, поднимать, вращать и перемещать его на необходимые расстояния, не допуская растрескивания материала. Такое устройство на данный момент запатентовано [1], однако для дальнейшей его реализации необходимо создать SD-модель (далее - модель) для анализа влияния конструктивного исполнения устройства на его эффективность, а также оценить симуляционное поведение устройства и блоков в отношении возникающих при манипуляциях деформаций и напряжений.
Таким образом, целью работы является имитационное 3D- моделирование (далее - моделирование) устройства захвата блоков из кладки, запатентованного Павлюком А.О. [1].
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- провести моделирование устройства в программной среде SolidWorks2022;
- провести симуляцию деформаций и напряжений в блоке и устройстве, сформировать эпюры;
- протестировать работоспособность модели;
- провести анализ влияния конструктивных особенностей устройства на эффективность и появление деформаций (напряжений);
- разработать рекомендации по совершенствованию устройства и параметров его эксплуатации с учетом результатов моделирования;
- разработать АСР положения устройства в блоке;
оценить эффективность предлагаемого решения;
исследовать социальную ответственность.
Вывод из эксплуатации энергоблоков сопровождается рядом важных вопросов, таких как безопасный демонтаж, дезактивация, утилизация и хранение радиоактивных материалов (РАО). Наиболее тщательного подхода требует демонтаж графитовой кладки при выводе из эксплуатации уран- графитовых реакторов (УГР). На данный момент в мире существуют более 100 энергетических, исследовательских и промышленных УГР, часть из которых уже остановлена и ожидает окончательного вывода из эксплуатации. Например, в России остановленных УГР 18 шт., и еще 13 в настоящее время находятся в эксплуатации. Приоритетной стратегией вывода из эксплуатации энергетических реакторов (РБМК, АМБ и д.р.) является «немедленный демонтаж».
Актуальность работы заключается в проблеме вывода из эксплуатации реакторов с графитовым замедлителем, что связано с большим количеством РАО, представляющих собой фрагменты графитовой кладки. Графит относится к категории твердых РАО среднего или высокого уровня активности, так как после долгого облучения не приобретает необходимых свойств для его дальнейшего полезного использования. Замедлители и отражатели образуют собой основной поток отходов (во всем мире существует более 250 тысяч тонн этого материала).
Процесс демонтажа осложняется высокими уровнями активности гамма-излучающих нуклидов, что влечет за собой усложнение технологического процесса (дистанционное оборудование и управление) с целью снижения риска превышения допускаемых дозовых нагрузок на персонал. Решением данного вопроса занимается большинство развитых стран мира, в том числе Россия. Актуальность исследования подтверждается заключенными соглашениями между ФГАОУ ВО НИИ ТПУ (далее - ТПУ) и АО «ТВЭЛ», а также ТПУ и АО «ОДЦ УГР» о сотрудничестве и создании в ТПУ научно-исследовательского центра вывода из эксплуатации ядерных объектов, что соответствует программе «Приоритет 2030».
Наиболее перспективным с точки зрения минимизации разрушений графита является кулачковый захват графитовых блоков (далее - блоков). Такой способ позволит эффективно фиксировать устройство внутри блока, поднимать, вращать и перемещать его на необходимые расстояния, не допуская растрескивания материала. Такое устройство на данный момент запатентовано [1], однако для дальнейшей его реализации необходимо создать SD-модель (далее - модель) для анализа влияния конструктивного исполнения устройства на его эффективность, а также оценить симуляционное поведение устройства и блоков в отношении возникающих при манипуляциях деформаций и напряжений.
Таким образом, целью работы является имитационное 3D- моделирование (далее - моделирование) устройства захвата блоков из кладки, запатентованного Павлюком А.О. [1].
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- провести моделирование устройства в программной среде SolidWorks2022;
- провести симуляцию деформаций и напряжений в блоке и устройстве, сформировать эпюры;
- протестировать работоспособность модели;
- провести анализ влияния конструктивных особенностей устройства на эффективность и появление деформаций (напряжений);
- разработать рекомендации по совершенствованию устройства и параметров его эксплуатации с учетом результатов моделирования;
- разработать АСР положения устройства в блоке;
оценить эффективность предлагаемого решения;
исследовать социальную ответственность.
В рамках данной работы достигнута основная цель исследования - разработана SD-модель устройства захвата блоков и кладки.
Для достижения этой цели были выполнены следующие основные задачи:
- проведено моделирование устройства;
- проведена симуляция напряжений в блоке и устройстве;
- проведен анализ влияния конструктивных особенностей на эффективность устройства.
По результатам моделирования устройства сформулированы следующие рекомендации:
- изменить конструкцию кулачков устройства, тем самым снизить разрушающее воздействие на графит;
- выполнить пазы втулки методом фрезеровки, тем самым улучшить взаимодействие с кулачками и облегчить исполнение самой втулки;
- выполнить пазы во внешней головке с большим углом, чтобы обеспечить свободный ход кулачка при его выдвижении.
По результатам симуляции напряжений сформулированы следующие рекомендации:
- изменить конструкцию кулачков (увеличить площадь контакта кулачка и блока), тем самым распределить напряжения по площади взаимодействия, уменьшить их концентрацию на кромке блока и снизить максимальное напряжение в графите;
- основывать выбор стали для устройства на условии минимальной стоимости.
Также были выполнены:
- разработка АСР положения устройства в блоке. В ходе решения данной задачи разработана функциональная схема с измерительным устройством в виде акустического уровнемера;
- оценка эффективности устройства. Данная задача представлена в двух разделах: с точки зрения техники и экономики. Устройство доказало свою экономическую эффективность в сравнении с аналогами. Техническое исполнение устройства также имеет преимущества перед альтернативным решением - меньшая область концентрации напряжений, ниже значение максимального напряжения;
- исследование социальной ответственности. В ходе решения данной задачи было выявлено, что значение всех производственных факторов на рабочем месте исследователя соответствует всем необходимым нормам.
Таким образом, разработанная модель подтвердила свою необходимость в качестве промежуточного этапа исследования между стадиями НИР и ОКР. Полученные результаты позволят сразу создать эффективный опытный образец для стендовых испытаний, что существенно снизит стоимость и время исследования.
Для достижения этой цели были выполнены следующие основные задачи:
- проведено моделирование устройства;
- проведена симуляция напряжений в блоке и устройстве;
- проведен анализ влияния конструктивных особенностей на эффективность устройства.
По результатам моделирования устройства сформулированы следующие рекомендации:
- изменить конструкцию кулачков устройства, тем самым снизить разрушающее воздействие на графит;
- выполнить пазы втулки методом фрезеровки, тем самым улучшить взаимодействие с кулачками и облегчить исполнение самой втулки;
- выполнить пазы во внешней головке с большим углом, чтобы обеспечить свободный ход кулачка при его выдвижении.
По результатам симуляции напряжений сформулированы следующие рекомендации:
- изменить конструкцию кулачков (увеличить площадь контакта кулачка и блока), тем самым распределить напряжения по площади взаимодействия, уменьшить их концентрацию на кромке блока и снизить максимальное напряжение в графите;
- основывать выбор стали для устройства на условии минимальной стоимости.
Также были выполнены:
- разработка АСР положения устройства в блоке. В ходе решения данной задачи разработана функциональная схема с измерительным устройством в виде акустического уровнемера;
- оценка эффективности устройства. Данная задача представлена в двух разделах: с точки зрения техники и экономики. Устройство доказало свою экономическую эффективность в сравнении с аналогами. Техническое исполнение устройства также имеет преимущества перед альтернативным решением - меньшая область концентрации напряжений, ниже значение максимального напряжения;
- исследование социальной ответственности. В ходе решения данной задачи было выявлено, что значение всех производственных факторов на рабочем месте исследователя соответствует всем необходимым нормам.
Таким образом, разработанная модель подтвердила свою необходимость в качестве промежуточного этапа исследования между стадиями НИР и ОКР. Полученные результаты позволят сразу создать эффективный опытный образец для стендовых испытаний, что существенно снизит стоимость и время исследования.