Математическое моделирование термической денитрации нитратов актинидов в свч-печи

НАДЕЖДИН И.С., ТПУ, г. Томск

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

Современное мировое сообщество обеспокоено экологической обстановкой в мире. Большой вред окружающей среде наносят предприятия топливно-энергетической промышленности. Одним из источников энергии, за которым будущее, является атомная энергетика. Безусловно, эксплуатация атомных электростанций требует повышенной степени защиты и безопасности. Кроме того, утилизация отработанного ядерного топлива остается актуальным вопросом. Для переработки отработанного топлива разрабатываются технологии, которые позволят использовать ядерное топливо в замкнутом топливном цикле. Одной из стадий технологии по переработке отработанного ядерного топлива является получение оксидов актинидов с помощью термической денитрации нитратов актинидов в СВЧ-печи. Целью данной работы является разработка математической модели процесса термической денитрации нитратов актинидов в СВЧ-печи.

Процесс термической денитрации нитратов актинидов заключается в следующем. В СВЧ-печь помещают сплав уран-плутониевой лигатуры с раствором нитрата уранила, разбавленным водой. В результате термической денитрации в СВЧ-печи образуется смесь отходящих газов и оксиды актинидов. Первая стадия процесса протекает при температуре 120 С. При этом происходит выпаривание свободной воды и азотной кислоты. В результате образуется кристаллогидрат нитрата уранила. Далее наступает вторая стадия процесса, которая протекает при температуре 350 С. При этом происходит разложение кристаллогидрата нитрата уранила на составляющие, в результате чего образуются оксиды актинидов. В результате анализа моделируемого процесса была разработана информационная модель, отображающая взаимосвязь между входными и выходными переменными (рисунок).

Информационная модель процесса термической денитрации

Входными переменными для разрабатываемой математической модели являются объем исходного раствора (V_рас), концентрации компонентов в растворе а также мощность СВЧ-печи (P_СВЧ) и температура исходного раствора (Т_{исх.рас}). Выходными переменными являются масса образующихся оксидов (m_окс), объем образовавшейся парогазовой смеси (V_{отх.газ}), концентрации компонентов в образовавшейся парогазовой смеси и твердых продуктах а также изменение температуры раствора (T_рас) в СВЧ-печи.

Информационная модель включает два процесса (две стадии): 1 – выпаривание воды и азотной кислоты; 2 – термическая денитрация. Выходными переменными математической модели первой стадии (выпаривание) являются объем исходного раствора концентрации компонентов в растворе а также изменение температуры раствора в СВЧ-печи. Эти же переменные являются входными для модели второй стадии.

В ходе работы была разработана математическая модель, описывающая взаимосвязь входных и выходных переменных информационной модели на основе материального и теплового балансов процесса. Разработанная модель была реализована в пакете MatLab. С использованием разработанной математической модели процесса планируется произвести выбор оптимальных температурно-временных режимов работы установки, а также разработать и отладить систему автоматического управления установкой в результате проведения виртуального эксперимента.

УДК 532.516