CFD-моделирование теплофизических параметров печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония

Шамсутдинов Р.Н., Павлов С.В., Лещенко А.Ю. (ООО НПФ «Сосны»), Ильяшик М.И., Горбачев М.К. (АО «Прорыв», Москва)

Вестник НИЯУ МИФИ, т. 10, № 2, 2021

Приведены результаты численных исследований влияния параметров печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония (температура нагревателей, расход и температура газа) на температурное поле, характер движения и скорость потоков газа в ее зоне реакции. Для проведения численных исследований была использована ранее разработанная CFD-модель и верифицированная для переходных режимов работы и режима изотермической выдержки печи. В CFD-модели печи учтены две особенности, которые связаны с реакцией карботермического синтеза нитридов урана и плутония – изменение теплофизических свойств продукта внутри печи при переходе UO2 и PuO2 в (U, Pu)N и выделение тепла при протекании экзотермической реакции карботермического синтеза. Показано, что существует достаточно широкий диапазон параметров печи, которые позволяют гарантированно обеспечивать температуру всего объема продукта в границах диапазона 1650 ± 50°С для протекания реакции карботермического синтеза нитридов урана и плутония. Установлено, что максимальное значение неравномерности температуры по объему продукта не превышает 65°С. Анализ характера движения газовых потоков внутри реторты свидетельствует о том, что обеспечивается доставка азота и азотоводородной смеси в зону реакции всего объема продукта, а также отвод газовых продуктов реакции из реторты. Учитывая то, что расход и температура газа не оказывают существенного влияния на температуру продукта внутри реторты – их выбор следует производить с учетом оптимального протекания химической реакции карботермического синтеза нитридов урана и плутония. Результаты исследований наглядно демонстрируют возможности CFD моделирования теплофизических процессов в высокотемпературной ретортной печи как на стадии разработки оборудования, так и на стадиях выбора и обоснования технологических режимов ее эксплуатации.

Ключевые слова: CFD, нитрид урана, нитрид плутония, печь, карботермический синтез, численные исследования.

Текст статьи