В настоящее время активно ведутся работы по созданию ядерных энергетических систем IV поколения, что обусловило необходимость проведения исследований компонентов активной зоны, и, в частности, исследование свойств и поведения ядерно-чистых графитов в окислительных средах при высоких температурах. Выполнен большой объем экспериментальных работ по изучению закономерностей процесса окисления углеродных материалов, что позволило составить представление об основных фазах процесса окисления, а также выполнить соответствующее физико-математическое описание, однако исследованиям по моделированию таких процессов уделено недостаточно внимания: не учитывается влияние гранулометрического состава и пористости графита. Учет этих факторов позволит моделировать окисление углеродных компонентов в условиях эксплуатации ядерных энергетических систем IV поколения.

 Имитационная модель

 В основу имитационной модели положено разбиение образца на множество кубических элементарных ячеек (рис. 1). Элементарная ячейка характеризуется массой и линейными размерами. Образец графита описывается с помощью трехмерной матрицы V, каждый элемент которой имеет массу i, j, k-ой элементарной ячейки.

 Формирование образца графита предложено выполнять поэтапно с учетом гранулометрического состава.

 Формирование гранул проводилось, используя статистический подход, что позволяет задавать необходимую форму гранул в зависимости от марки и особенностей микроструктуры графита – размер, форма, процентное содержание гранул наполнителя в образце.

 Упаковка гранул в объеме модели образца графита выполнялась с использованием разработанного оригинального алгоритма размещения гранул.

 Результаты моделирования образца графита марки ГМЗ представлены на рис. 2, 3. Красным цветом указан материал, находящийся на границе образца, синим – внутри.

 Имитационная модель построена, исходя из предположения, что внутренние поры образца содержат окислитель и окисляют внутренние ячейки с той же скоростью, что и внешний окислитель.

 Подробное математическое описание моделирования окисления образца графита в разработанной имитационной модели представлено в работе [21(2014)].

 Апробация имитационной модели

 Апробация имитационной модели проводилась на примере окисления образца ядерно-чистого графита марки ГМЗ.

 Линейные размеры образца – ширина 0,002 м, длина 0,003 м, высота 0,02 м, шаг разбиения образца на кубические элементарные ячейки с заданной длиной ребра – 0,0001 м.

 Параметры процесса окисления: температура 560 °C, концентрация окислителя 10 % О₂, продолжительность процесса – 30 дней.

 Анализ результатов моделирования (рис. 4) показывает наличие динамики окисления образца, причем существенное структурное изменение наблюдаются через 10 дней, после 30 дней образец теряет свойства несущей конструкции, а после 30 дней наблюдается полное разрушение образца.

 Моделирование с учетом пористости образца позволило учесть нелинейность и стохастичность процесса окисления графита.

 Ошибка моделирования окисления образца ядерно-чистого графита составляет 7 %.