Бизнес

Яндекс.Метрика

Прикладные исследования

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЯДЕРНЫХ ЗАРЯДАХ

В настоящее время расчеты на ЭВМ - составная часть процесса разработки ЯЗ, ЯБП и других приборов, машин , изделий, которые создаются в институте. Все расчеты по уровню точности делятся на 3 группы. К первой группе относятся оценочные расчеты изделия или его отдельных узлов. При этом используются простейшие физические и математические модели, содержащие эмпирические константы, которые, как правило, калибруются по ранее проведенным экспериментам. Такие модели и методы принято называть инженерными. Они требуют небольших затрат времени ЭВМ, поэтому их удобно использовать в оптимизационных расчетах. Ко второй группе относятся расчеты изделий, ведущиеся с применением передовых физических моделей и численных методов. В одномерной постановке сетки берутся достаточно подробные, в двумерной - не очень подробные. Более высокий уровень точности, чем в расчетах первой группы, уменьшает зависимость результатов от эмпирических констант, но необходимость их калибровки остается. К третьей группе относятся расчеты для моделирования работы конструкции с максимальной точностью. Такие расчеты требуют большого быстродействия и оперативной памяти ЭВМ и поэтому их число не велико.

Особое внимание уделяется таким способам повышения точности, как создание неоднородных методов, выделяющих сильные, слабые, контактные разрывы и поверхности фазовых переходов. Для описания взаимодействия разрывов применяются специальные алгоритмы. Разрабатываются эффективные средства подавления энтропийных эффектов в однородных методах. Целое направление образуют работы по созданию алгоритмов параллельной архитектуры для расчетов на мультипроцессорных ЭВМ.

В создании необходимых физических и математических моделей и в проведении численных экспериментов принимает участие большой коллектив сотрудников РФЯЦ-ВНИИТФ. Тесное взаимодействие физиков и математиков, их глубокое понимание необходимости обеспечить максимально возможную точность определения параметров рассчитываемых изделий с первых дней создания института побуждали совершенствовать уже имеющиеся методы и создавать новые. Как правило, для расчета одной и той же конструкции применяются несколько разных методов и программ. Это позволяет оценить устойчивость результатов по отношению к модели и методу. В настоящее время в вычислительном центре ВНИИТФ для проведения расчетов ЯЗ и ЯБП используется более 100 прикладных комплексов программ.

В период становления института (1956-62гг.) академиком Н.Н.Яненко была создана сильная школа математиков-вычислителей. В это время в РФЯЦ-ВНИИТФ были разработаны не имевшие аналогов в мире методы, позволившие с высокой точностью и экономичностью решать задачи механики сплошной среды, теплопроводности, физики ядерного взрыва. Традиции этой школы сильны до сих пор.

Высокий уровень специалистов института был основой создания оригинальных численных методов, не уступающих, а часто превосходящих лучшие мировые достижения в этой области, что позволило обеспечить высокую точность математического моделирования и компенсировать отставание отечественных ЭВМ от зарубежных по быстродействию и объемам оперативной памяти.

УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Лазерный термоядерный синтез

Работы по Лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) проводятся в РФЯЦ-ВНИИТФ с начала 70-х годов как по экспериментальному, так и расчетно-теоретическому направлениям. За это время накоплен большой опыт по конструированию, созданию и эксплуатации мощных лазерных установок на неодимовом стекле. Разработаны и используются разнообразные диагностики лазерного излучения и лазерной плазмы. Создан технологический комплекс по изготовлению термоядерных мишеней и элементов рентгеновской оптики. Разработаны и совершенствуются теоретические модели и математические программы для расчета термоядерных микромишеней.

Создание мощного генератора термоядерных нейтронов на основе газодинамической ловушки
В течение нескольких последних лет РФЯЦ-ВНИИТФ совместно с ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН ведет работы, направленные на создание мощного генератора термоядерных нейтронов на базе осесимметричной газодинамической ловушки. Такой генератор является одним из перспективных источников термоядерных нейтронов. Его создание позволит решить многие важные проблемы, в том числе проблему термоядерного материаловедения, дожигания радиоактивных отходов, создания взрывобезопасных АЭС на основе глубоко подкритических ядерных реакторов и т.д. В связи с запретом на проведение испытаний ядерного оружия генератор 14 МэВ-ных нейтронов становится крайне важным инструментом при контроле за состоянием спецтехники и при имитации испытаний.

Материалы для термоядерного реактора

РФЯЦ-ВНИИТФ располагает специальным исследовательско-технологическим комплексом, созданным для проведения работ с активными материалами в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Оборудование комплекса подобрано и скомпоновано так, что позволяет решать задачи, связанные с проведением материаловедческих и исследовательско-технологических работ с ураном, плутонием и их соединениями, а также с тритием и тритийсодержащими веществами.

Выполняемые работы:

  1. изготовление мишеней для нейтронных генераторов и заполнение мишеней для опытов по лазерному инерциальному термоядерному синтезу;
  2. отработка технологических процессов очистки металлов и газовых смесей от трития;
  3. исследование процессов взаимодействия трития с материалами, в том числе в условиях реакторного (ИВВ-2М, Заречный) облучения;
  4. исследование физико-механических свойств материалов и конструкционной прочности узлов и деталей;
    проведение структурного анализа материалов методами оптической и электронной микроскопии, рентгеновского и микрорентгеновского анализа;
  5. анализ и установление причин разрушений в службе;
  6. исследование совместимости конструкционных материалов с жидкосолевыми композициями, содержащими плутоний и уран;
  7. нанесение защитных покрытий на детали из урана, например, на металлические активные зоны ядерного реактора.

За последние два года во ВНИИТФ создана установка для изучения проницаемости изотопов водорода через металлические мембраны, которая позволила получить данные по проницаемости трития из газовой фазы и плазмы тлеющего разряда через материалы первой стенки термоядерного реактора.

Выполнен большой цикл исследований влияния трития и нейтронного облучения (совместно с Институтом физики металлов УрО РАН) на механические свойства аустенитной стали, перспективной для применения в "быстрых" и термоядерных реакторах.

Проведены опыты по дегазации насыщенного тритием материала с изучением локализации остаточного трития в структуре методом электронномикроскопической авторадиографии.

Проведены эксперименты по преобразованию тепловых нейтронов в термоядерные с помощью конвертора из лития-6 и показано, что такой способ можно использовать для создания в спектре реактора деления термоядерной составляющей с целью моделирования условий облучения в камере токамака.

Освоено опытное производство титан - тритиевых мишеней для нейтронных генераторов. Изготовлено три мишени для ускорителя в JAERI (Япония) и полностью обеспечивается работа генератора НГ-12 РФЯЦ-ВНИИТФ.

Имеющийся во ВНИИТФ задел можно использовать для следующих работ:

  1. исследования проницаемости трития из газовой фазы и плазмы тлеющего разряда через оболочку;
  2. изучения влияние трития и радиогенного гелия на структуру и механические свойства материалов;
  3. изучения процессов дегазации, определения концентрации и распределения остаточного трития;
  4. разработки и изготовления тритиевых мишеней;
  5. разработки радиационностойких малоактивируемых материалов для ядерных и термоядерных установок;
  6. разработки технологий изготовления многослойных элементов конструкции;
  7. моделирования воздействия термоядерных нейтронов на процессы взаимодействия трития с материалами при облучении в реакторе деления и на нейтронном генераторе;
  8. изучения процессов наработки трития в ядерных и термоядерных установках, определения путей его миграции и особенностей взаимодействия с материалами. 
       

МОЩНЫЙ ГЕНЕРАТОР СВЧ-ДИАПАЗОНА

Предложена и теоретически подробно исследована принципиально новая физическая схема генерации ЭМИ СВЧ диапазона. Генераторы электромагнитного излучения на основе сверхсветового источника позволяют получать очень короткие импульсы мощного направленного электромагнитного излучения. За счет выбора формы излучающей поверхности можно добиться фокусировки излучения в заданной точке и увеличения амплитуды электрического поля в раз ( - характерный размер излучающей поверхности, - характерная длина волны излучения) и получить в области фокуса ускоряющие градиенты ~ 10 Гэв/м и более. Если, используя эти источники, создавать ускорители заряженных частиц, то их размеры будут в десятки раз меньше размеров существующих ускорителей при одной и той же энергии ускоренных частиц, и, следовательно, такие ускорители будут намного дешевле.

РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ

В Институте ведутся работы по расчетному и экспериментальному моделированию загрязнения окружающей среды при авариях, сопровождающихся выбросом радиоактивных веществ в атмосферу. Эти работы включают в себя широкий круг исследований от создания моделей соответствующих физических процессов до проведения полевых экспериментов. Особое внимание уделено моделированию экологических последствий различных аварий с ядерными боеприпасами.

РФЯЦ-ВНИИТФ расположен вблизи зоны влияния ПО "Маяк". Газоаэрозольные выбросы в ранний период становления этого предприятия, а также радиационные инциденты 1957 и 1967 г.г. привели к возникновению повышенного радиационного фона на прилегающих территориях. В Институте ведутся работы по анализу ретроспективных данных и экспериментальной оценке современного уровня загрязнения территории, что важно для оценки риска неблагоприятных последствий техногенного облучения населения. Наличие в РФЯЦ-ВНИИТФ службы дозиметрического контроля, специалистов по математической статистике и базам данных позволяет сделать оценку радиационной обстановки на прилегающих к городу территориях, а также провести совместно с медицинской службой города эпидемиологические исследования с целью оценки радиологических последствий для населения, проживающего вблизи действующего предприятия атомной промышленности.

ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИАЦИОННЫХ ОТХОДОВ

Проводятся исследования возможности эффективного уничтожения радиоактивных отходов путем их трансмутации - осуществления ядерных реакций в нейтронном потоке, переводящих радиоактивные долгоживущие элементы в стабильные или короткоживущие. Основное внимание уделяется использованию жидкосолевого ядерного топлива на основе растворов фторидов лития, бериллия и актинидов. Разработана концепция ядерно-энергетической установки и ее топливного цикла, на этой основе открывается возможность радикального улучшения параметров ядерной энергетики:

  • надежно гарантировать ядерную безопасность;
  • резко сократить объем радиоактивных долгоживущих отходов;
  • обеспечить нераспространение ядерных материалов;
  • повысить эффективность использования сырьевых ресурсов и улучшить экономические характеристики системы в целом.

Схема топливного цикла разрабатываемой установки представлена на рисунке:

 

В результате выполнения первого этапа работ была показана принципиальная возможность создания установки данного типа. В перспективе обсуждается возможность организации международного проекта, ориентированного на создание демонстрационной трансмутационной установки во ВНИИТФ.
 
 
 
ПРОЧИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: КРАТКИЙ ОБЗОР    
 

Проведенные в РФЯЦ-ВНИИТФ первопринципные расчеты предсказывают существование магнитной структуры плутония. Учет магнитной структуры существенно повышает точность расчетов свойств плутония.

 Молекулярно-динамическое моделирование упруго-пластических свойств материалов и полиморфных превращений при динамических нагрузках

 
При моделировании используются потенциалы, полученные из квантово-механических расчетов. МД-расчеты являются своего рода виртуальными экспериментами. Они дают детальную информацию о поведении материалов.

 

  • На рисунке: моделирование прохождения ударной волны по железному образцу. Фрагмент среза образца (200x200 атомов) после похождения ударной волны, вызвавшей полиморфный переход (bcc)(hcp). Светло-голубым цветом показана исходная структура (bсс), синим цветом - области зарождающейся новой фазы (hcp), красным цветом - граничные области с неопределенной структурой.

 

Моделирование излучательных свойств высокотемпературной плотной плазмы


Моделирование активных сред для фоторезонансных и рекомбинационных схем рентгеновских лазеров. Диагностика высокотемпературной лабораторной плазмы. Расчеты оптических свойств высокотемпературной плотной плазмы (вычисление спектральных и средних пробегов излучения)

 Фундаментальные исследования детонации конденсированных ВВ

Ведутся работы по изучению физико-химии детонационных процессов, в частности, выяснение связи свойств ВВ с их молекулярной структурой. Метод молекулярной динамики (МД) применяется для моделирования уравнения состояния конденсированных ВВ и процессов инициирования детонации.

 

  • На рисунке: фрагмент молекулярного кристалла низкочувствительного ВВ ТАТБ (333 элементарные ячейки с периодическими граничными условиями), полученный в расчетах МД. Эти расчеты позволили уточнить УРС непрореагировавшего ТАТБ и оценить время реакции при ударноволновом инициировании детонации.

Численное моделирование работы мишеней ЛТС

Figure 7: Distribution of density at time 20.50 nsec (1-12, a0=0.052µт), OMEGA - 3T simulation

Figure 8: Distribution of ion temperature at time 20.50 nsec (1-12, a0 = 0.052µт), OMEGA - 3T simulation

  • На рисунке: расчет мишени ЛАНЛ с начальной амплитудой a0=0,052 мкм для 12-ой гармоники возмущений наружной границы Ве-оболочки. Распределение плотности (слева) на момент интенсивного горения мишени Распределение ионной температуры (справа) на момент интенсивного горения мишени.

 

Пример конверсионного применения разработанных кодов: Численное моделирование разделки конструкций взрывом


Трещины

 

Численное исследование гидродинамической неустойчивости и турбулентного перемешивания 
 

Развитие гравитационной неустойчивости на контактной границе несжимаемых жидкостей. Численное моделирование по коду МАХ-3 Прямое численное моделирование гравитационного турбулентного перемешивания по коду МАХ-3

 

 
 
 

 

  

© РФЯЦ – ВНИИТФ. Настоящий сайт поддерживается информационной службой РФЯЦ – ВНИИТФ и является официальным источником информации
о ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина».
За недостоверную информацию, представленную на других сайтах, информационная служба ответственности не несет.