В исследовании американских ученых из Мичиганского университета утверждается, что новый физический алгоритм открывает путь к созданию ядерных микрореакторов, способных автономно регулировать выходную мощность в зависимости от потребности.
Подобные реакторы легко транспортировать и они способны генерировать до 20 МВт тепловой энергии для нужд отопления и электроснабжения. Они могут стать полезными в отдаленных сельских районах, зонах стихийных бедствий, на военных базах и даже грузовых судах.
Подключенные к электросети, эти реакторы способны генерировать стабильную и чистую энергию, однако они должны иметь возможность регулировать выходную мощность, адаптируясь к изменениям спроса. На крупных АЭС это регулируется вручную персоналом. Однако в отдаленных районах это было бы очень дорого и помешало бы коммерческому использованию подобных микрореакторов.
«Многие стартапы и компании в США стремятся к краткосрочному и широкому внедрению ядерных микрореакторов, и наша работа открывает четкий путь к достижению этой цели экономически жизнеспособным способом. Наш метод может помочь поставщикам проектировать реакторы с автономными системами управления, которые будут более безопасными и надежными», — убеждает один из авторов исследования, профессор кафедры ядерной инженерии и радиологических наук Брендан Кочунас.
Исследование сосредоточено на высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах (HTGR) — современных ядерных реакторах, представленных в различных масштабах. На основе конструкции микрореактора типа HTGR, модели Holos-Quad (Gen 2+), авторы предлагают упрощенную конструктивную модель, которая при этом сохраняет ключевые параметры, в частности, удельную мощность, входную температуру теплоносителя, давление в активной зоне и скорость потока.
Исследователи использовали метод предиктивного управления (моделирования), который предсказывает будущее поведение системы, для оптимизации управления в течение заданного периода времени при определенных ограничениях. Они создали контроллер, который оптимизировал вращение управляющих барабанов, окружающих центральную зону микрореактора. Контроллер уменьшал мощность при направлении внутрь и увеличивал при направлении наружу.
Для того, чтобы модель была максимально реалистичной и точно отражала работу микрореактора, исследователи интегрировали в нее набор инструментов PROTEUS для моделирования и высокоточного анализа физики микрореактора. При выполнении задач по повышению или уменьшению мощности на 20% в минуту алгоритм управления сохранял точность в пределах 0,234% от целевого показателя.
Процессы выполняются без привлечения искусственного интеллекта. Вся автоматическая система управления отслеживанием нагрузки основана на физике и математике и понятна, что упрощает регуляторные процедуры. Многочисленные испытания на чувствительность подтвердили, что контроллер MPC работает с широким диапазоном входных данных модели, подтверждая возможность его автономного управления.
«Успешность алгоритма управления и его интеграция с высокоточными инструментами моделирования демонстрирует, что теперь мы можем проектировать ядерные реакторы и их системы контроля и управления совместно с нуля, вместо того, чтобы пытаться адаптировать системы контроля и управления к практически готовой конструкции реактора», — объясняет Брендан Кочунас.
Результаты исследования опубликованы в журнале Progress in Nuclear Energy
Источник: TechXplore