Центр моделирования будущего

До 1960 года расчеты в НИИ‑9 (ВНИИНМ им. Бочвара) выполняли на логарифмических линейках, арифмометрах типа «Феликса» и электромеханических счетных машинках типа «Рейнметалла». Вряд ли в те годы ученые могли представить, что через 50 лет у их института будет собственный центр компьютерного моделирования, который ускорит вычисления в триллионы раз. О том, почему без цифровых технологий атомной отрасли не обойтись и какие проекты сегодня наиболее перспективны, рассказывает руководитель центра Дмитрий Чулкин.

Текст подготовила Виктория Волошина / Иллюстрации: Дмитрий Чулкин

Есть идея

У нас в институте есть молодежный директорат, основанный еще предыдущим директором, ныне покойным Валентином Борисовичем Ивановым. На одном заседании я и выступил с идеей создать центр компьютерного моделирования. Вдохновил пример центра в Чехии, с его представителями я общался на международном семинаре. Суть проста: взять новейшие программные продукты, объединить молодых и опытных специалистов (первые лучше разбираются в современных технологиях, вторые знают все о производственных процессах) и перестать заказывать на стороне, в том числе за рубежом, те расчеты, которые мы сами в состоянии делать. Наш директор Леонид Карпюк инициативу поддержал, так все и завертелось.
Идея, конечно, носилась в воздухе. В том же 2017 году стартовал проект по созданию инжинирингового центра в топливном дивизионе. Но он больше ориентирован на общепромышленную деятельность, а наш центр сосредоточен на ядерной тематике. Недавно мы связались и теперь работаем вместе, разделяя задачи и дополняя друг друга. А когда в ТВЭЛ был организован акселератор стартапов, мы подали заявку для прокачки бизнес-составляющей нашего совместного проекта.

Принтер для ТВС

Очень вовремя сделали конкурс аванпроектов «Росатома», на который мы отправили несколько предложений. Часть из них высоко оценили эксперты, а один проект, по 3D-печати, победил, мы получили финансирование. Называется он длинно — «Разработка технологии изготовления конструкционных элементов ТВС с помощью 3D-принтера и адаптации / оптимизации конструкции деталей / подсборок элементов ТВС с учетом возможностей аддитивных технологий». Проще говоря, некоторые детали тепловыделяющих сборок в производстве довольно сложны — например, антидебризный фильтр. Эффективнее печатать их на 3D-принтере. Мы обосновали целесообразность перехода на новый способ производства и разработали техзадание.
Встает вопрос: а кто изготовит порошки для печати? Или их проще купить? В отрасли, и в частности в топливной компании, как раз разрабатывают стратегию развития новых технологий. Есть разные точки зрения, по какому пути идти. В нашем институте считают, что нужно создавать центр, где все будет делаться от и до: от проекта до реальной детали. У ВНИИНМ большие компетенции по порошкам, отличные конструкторы и специалисты по компьютерному моделированию. Так зачем покупать то, что мы можем делать сами?

Материалы нового поколения

Еще одно любопытное направление — моделирование материалов нового поколения, в том числе композитов. Но предсказание физических свойств изделий, которые получаются из композитов, — ​трудоемкий процесс, без компьютерного моделирования разработки могут вестись годами, а этого времени у нас нет: отстанем от конкурентов.

О подходах к цифровизации

В отрасли существуют два подхода к цифровизации. Во-первых, разработка собственных цифровых продуктов, которые «Росатом» хочет продвигать на рынок, пример — пакет «Логос». Во-вторых, быстрое решение конкретных задач с помощью готовых программ. В Abaqus, Marc, Ansys, Calculix, которыми мы пользуемся, вложены огромные ресурсы, догнать и перегнать эти продукты по качеству трудно и долго. Мы не хотим тратить время на изобретение велосипеда. Наши плюсы — знание свойств материалов, которые будут эксплуатироваться, экспериментальных данных и процессов. Это то, что мы нигде не купим. А программу можно и купить.

Перспективы карбида кремния

Наверное, в хорошо налаженной производственной цепочке, как у нас, цифровые двойники вряд ли сразу дадут значительный экономический эффект. Но нам придется делать новые виды тепловыделяющих элементов. Мы, например, сейчас ведем разработку твэлов из карбида кремния. Очень перспективный материал для атомной отрасли. На Западе именно на него ставят разработчики устойчивого к авариям топлива. И когда дойдет до создания технологической цепочки для него, без цифровых двойников и других элементов компьютерного моделирования сделать что-либо в принципе будет невозможно. Исследования по толерантному топливу ведут все крупнейшие ядерные компании, и отставание в этой области чревато потерей рынка.

О новом и старом

Атомной отрасли в нашей стране уже почти 75 лет, она успешна, однако время не стоит на месте, постоянно появляется что-то новое. Изменения накапливаются незаметно, их бывает непросто отследить. Цифровые технологии позволяют это сделать. Когда создаешь полный цифровой двойник какого-либо устройства, часто всплывает, что на бумаге вроде все хорошо, а по факту многие данные устарели, потому что эксперименты проводились 40 лет назад. Для внедрения технологий приходится преодолевать инерцию мышления, что не всегда легко. Очень хорошо, что у нас образовалась команда единомышленников — молодых сотрудников, которые понимают, что для реализации стратегических целей «Росатома» необходимы новые методы.

Хорошие учителя

Я благодарен людям, у которых учился, за возможность делать что-то новое. Первый мой учитель — Вячеслав Чернов, наш главный научный сотрудник, доктор физматнаук. Он давно продвигал все, что связано с моделированием в фундаментальной науке. Второй — мой коллега Андрей Кузнецов, кандидат наук, отвечает за прикладное моделирование и инжиниринг. Он меня учит всему, что связано с методом конечных элементов и цифровыми двойниками.

Немного о себе

Я окончил МИФИ, кафедру теоретической ядерной физики. Во ВНИИНМ пришел в 2004 году, был техником, сейчас старший научный сотрудник и руководитель Центра компьютерного моделирования. После кризиса 2008 года отдел моделирования процессов, протекающих в конструкционных материалах под облучением, где я вначале работал, сократили, и я перешел в отдел конструирования тепловыделяющих элементов для реакторов ВВЭР. Поэтому хорошо разбираюсь во всем, что связано с многоуровневым моделированием.

ОТ ЭВМ ДО СУПЕРКОМПЬЮТЕРА
Первой ЭВМ, «Уралом‑1» с быстродействием 100 операций в секунду, ВНИИНМ обзавелся в середине 1960-х. В 1980 году приобрели ЕС‑1055 производства ГДР, ее производительность была на порядок выше. В 1990-е появилась возможность покупать импортные компьютеры со скоростью миллионы, а потом и триллионы операций в секунду. В рамках создания центра компьютерного моделирования во ВНИИНМ запущен суперкомпьютер, который позволил увеличить расчетные мощности еще в 30–60 раз.