Инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого впервые в инженерной практике разработали архитектуру цифрового двойника печи остекловывания. Эта технология используется для безопасной и долговечной утилизации радиоактивных отходов.
В специальной печи жидкие отходы нагреваются до экстремально высоких температур — более 1000 градусов, перемешиваются со стеклом и сливаются в специальную емкость.
Для того чтобы разработать оптимальную конструкцию печи и снизить число ее испытаний, уменьшить сроки изготовления и стоимость, ученые создали архитектуру цифрового двойника установки. Его главный элемент — матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. Она позволяет учесть и грамотно сбалансировать все необходимые характеристики, которыми должна обладать печь, чтобы эффективно работать и соответствовать задачам отрасли.
Научно-исследовательские работы проведены сотрудниками Передовой инженерной школы СПбПУ при содействии Центра трансфера технологий вуза по заказу производственного объединения «Маяк» госкорпорации «Росатом». Участники проекта ответили на вопросы «Ъ-Науки»:
Михаил Ремизов, ведущий инженер производственного объединения «Маяк»:
— Как правильно утилизировать радиоактивные отходы?
— Наиболее опасный вид жидких радиоактивных отходов (высокоактивные отходы — ВАО) образуется при переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций. Эти отходы некоторое время хранят в специальных емкостях-хранилищах (бетонные сооружения, облицованные изнутри нержавеющей сталью). В дальнейшем их переводят в более безопасное для окружающей среды и человека состояние — твердую стеклоподобную матрицу — и хранят в приповерхностном хранилище. В конечном счете остеклованные отходы должны быть размещены в геологических формациях глубоко (на сотни метров) под землей.
— Что такое остекловывание? Как происходит этот процесс?
— Остекловывание — это процесс перевода концентрированных жидких радиоактивных отходов (ВАО) в твердое стеклоподобное состояние. При этом ВАО дозируют в специальную электропечь, где они подвергаются полному обезвоживанию и перемешиванию со стеклообразующими добавками. В результате из водного высокоактивного раствора образуется жидкий расплав стекла, содержащий радиоактивные элементы. Расплав из печи разливают в стальные бидоны, где он застывает в стеклоблоки, пригодные для дальнейшего уже безопасного хранения и последующего захоронения. Все процессы осуществляются дистанционно.
Павел Козлов, начальник лаборатории по обращению с РАО производственного объединения «Маяк»:
— Существуют два основных метода по уменьшению уровня радиоактивности ядерных отходов: принцип разбавления и принцип концентрирования. Расскажите подробнее о каждом из них.
— После образования жидкие радиоактивные отходы упаривают для сокращения объема перед хранением в емкостях-хранилищах. Концентрированные жидкие радиоактивные отходы — очень опасный вид радиоактивных отходов. Они обладают мощным радиоактивным излучением, поэтому при их хранении применяют биологическую защиту — тяжелый бетон. Все процессы обращения с радиоактивными отходами (от их образования до захоронения) проходят дистанционно — без прямого контакта человека с радиоактивной средой.
В отличие от описанного метода концентрирования, метод разбавления предполагает сброс жидких радиоактивных отходов в крупные водные объекты, где за счет разбавления незагрязненной водой общая концентрация загрязнителя многократно снижается до приемлемых величин. Такой метод применялся на начальном этапе развития атомной промышленности. В настоящее время он запрещен в России на законодательном уровне.
Юрий Горский, ведущий инженер Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ:
— Почему при остекловывании важно подобрать оптимальную конструкцию печи?
— Главное отличие печей остекловывания от общепромышленных стекловаренных печей — невозможность ремонта или замены отдельных узлов и агрегатов, поскольку печь находится в закрытом бетонном каньоне, облицованном нержавеющей сталью. Поэтому выход из строя любого важного элемента приводит к остановке всей печи. Электропечь включается и выключается один раз и должна отработать в непрерывном режиме пять-шесть лет в условиях температурных и радиационных полей, коррозионной активности расплава и парогазовой среды.
Важно, чтобы физические и химические процессы, происходящие в печи, были контролируемы и предсказуемы. Цифровые (виртуальные) испытания как нельзя лучше для этого подходят: мы можем выполнить цифровые испытания множества вариантов конструкции и режимов работы установки еще до этапа натурных испытаний, не говоря уже о промышленной эксплуатации.
Как в разработке любого сложного технического изделия, стоимость внесения изменений экспоненциально растет по мере прохождения жизненного цикла изделия. Если упрощенно, внесение изменения на этапе эскиза стоит, например, 100 руб., а на стадии изготовления — уже 100 тыс. руб.
Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ):
— Как устроен цифровой двойник установки? В чем его преимущества?
— Конечный результат — это создание системы, состоящей из цифровых моделей, описывающих процессы в печи, на всех стадиях жизненного цикла изделия, а также имеющей двусторонние информационные связи с изделием. Главным преимуществом на этапе проектирования является сокращение времени разработки изделия, а также существенное сокращение объема натурных испытаний, а на этапе эксплуатации — безопасность и оптимизация производственных процессов.
При создании и применении цифрового двойника печи остекловывания специалисты Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и производственного объединения «Маяк» (входит в госкорпорацию «Росатом») использовали программно-технологическую платформу цифровых двойников, в роли которой выступает цифровая платформа разработки и применения цифровых двойников CML–Bench®.
Цифровая платформа CML-Bench® — единственная отечественная разработка подобного рода, сфокусированная на обеспечении проектирования и производства в кратчайшие сроки глобально конкурентоспособной высокотехнологичной продукции в различных отраслях и на зарождающихся рынках (рынках будущего) на основе цифровых двойников.
Проекты по разработке и применению цифровых двойников высокотехнологичных промышленных изделий на базе цифровой платформы CML-Bench® реализуются в соответствии с национальным стандартом Российской Федерации — ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения». Нормативный документ сфокусирован на создании изделий с помощью технологии цифровых двойников и устанавливает соответствующее единое определение «цифрового двойника изделия». С 1 января 2022 года ГОСТ Р 57700.37–2021 действует на территории Российской Федерации, а с 24 ноября 2023 года документ включен в перечень взаимно признаваемых российских и китайских стандартов в сфере авиастроения.
Специалисты ПИШ СПбПУ впервые в инженерной практике разработали архитектуру мультидисциплинарной (мультифизической) цифровой модели печи остекловывания. Разработчики провели анализ мирового опыта проектирования установок остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов и совместно со специалистами заказчика определили проектные режимы работы, условия использования и разработали ключевой элемент цифрового двойника — матрицу требований, целевых показателей и ресурсных ограничений.
Также были определены функциональные взаимосвязи между составными частями конструкции и разработаны и применены математические и компьютерные модели описания физическо-механических процессов, происходящих в процессе эксплуатации печи, таких как электродинамика, гидродинамика, теплообмен, прочность. Кроме того, специалисты Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» разработали методики, определяющие связь измеряемых контролируемых показателей работы печи остекловывания на основных режимах работы с общими техническими характеристиками промышленной установки. Также разработчики при помощи многовариантного компьютерного моделирования смогли восполнить недостаточность результатов натурных испытаний, в частности, при оценке коэффициента теплоотдачи на токоподводах сдвоенного и донного электродов.
Николай Ефимов-Сойни, начальник отдела энергетического машиностроения Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ):
— Как, на ваш взгляд, будет развиваться данная технология? Какие цели ставят перед собой ученые?
— Развитие технологии цифровых двойников будет двигаться в сторону увеличения числа цифровых испытаний и снижения числа натурных. Фактически так и произошло уже в автомобилестроении (число натурных испытаний только снижается), а также в сторону увеличения количества цифровых испытаний на этапе разработки, для снижения себестоимости разработки и производства изделия.
Развитие технологии остекловывания идет по пути повышения ресурса установок остекловывания, обеспечения возможности их замены и разборки для снижения затрат на эксплуатацию, ускорения этапов разработки, создания и ввода в эксплуатацию, в том числе путем использования технологии цифровых двойников.
Ученые ставят перед собой целью улучшение качества компьютерных моделей составных частей изделий: повышение скорости и точности расчетов.
— Возможно ли будет внедрить эту технологию в производство? И как быстро?
— Технология цифровых двойников уже повсеместно внедряется в реальное производство, в том числе в атомное машиностроение: например, на основе этой технологии разработаны и изготовлены антидебризный фильтр для тепловыделяющей сборки и вибросито, представляющее собой ключевой элемент системы очистки бурового раствора при нефтедобыче, которое уже более пяти лет надежно работает в сложных режимах динамического нагружения при средних виброускорениях ~8,25 g и др.