У энергокомплекса с реактором БРЕСТ-300 будет цифровой двойник

У опытно-­демонстрационного энергокомплекса (ОДЭКа) с реактором БРЕСТ-ОД‑300, который строится в Северске в рамках проекта «Прорыв», будет цифровой двойник. Отдельные части будущей системы готовы: ВНИИНМ, снежинский ядерный центр и Томский политех разработали программные комплексы «Визарт» и «Код ТП». Что они умеют и кому полезны — ​объясняет руководитель проекта, ведущий эксперт ВНИИНМ Ольга Шмидт.

Расчетные коды, моделирующие технологические процессы замыкания топливного цикла — ​фабрикацию и рефабрикацию топлива, переработку ОЯТ, обращение с РАО, нужны на всех этапах жизненного цикла ОДЭКа: от проектирования и обоснования безопасности до вывода из эксплуатации.

Мы подключились к созданию кодов для «Прорыва» в 2012 году. На старте думали, что сделаем один программный комплекс и будем навешивать на него функционал. Так не получилось, и хорошо: уже через год мы поняли, что это был бы огромный, сложный в использовании монстр, который потребовал бы много технических ресурсов, в том числе суперкомпьютер. На сегодня мы сделали два программных комплекса и более трех десятков автономных математических моделей технологических процессов с возможностью использовать их отдельно и в составе обоих комплексов.

Помощник оператора

«Код ТП» — ​модель автоматизированной системы управления технологическими процессами. Разработан совместно со специалистами Томского политехнического университета. Программный комплекс включает математическое описание приборов АСУ ТП и физико-химические модели технологических процессов. Это в первую очередь инструмент для оператора технологических линий. Прежде чем что-либо делать в реальности, он может на модели посмотреть, к каким результатам приведут его действия. «Код ТП» дает подсказки, как лучше поступить в той или иной ситуации. Также его планируют использовать как тренажер в обучении операторов ОДЭКа.

Этот код готов, верифицируем его элементы на экспериментальном аффинажном экстракционном каскаде Сибирского химкомбината. С прошлого года на базе «Кода ТП» начали делать цифровой двой­ник модуля фабрикации.

Держать баланс

Второй программный комплекс, «Визарт», — ​больше прогнозная, концептуальная модель. Разрабатываем его с командой математиков и программистов РФЯЦ-ВНИИТФ.

С каждым годом у комплекса все больше функций, хотя изначально заказчики ждали от «Визарта» меньше, чем он умеет уже сейчас, — ​только расчета баланса всех материальных потоков на модулях фабрикации топлива, переработки и обращения с РАО. Думали, что комплекс нужен будет на стадии проектирования технологических переделов ОДЭКа, обоснования технических решений. Оборудование и технологии для разных процессов разрабатывают разные люди, а когда начинают все собирать в технологическую цепочку, могут быть нестыковки узлов. Предотвратить их на этапе разработки технологий и проектирования объектов — ​это и была задача «Визарта».

Превзошел ожидания

Потом мы научились моделировать процессы в динамике и строить циклограммы работы оборудования. У узлов в химическом производстве зачастую разная производительность. Например, выпарному аппарату на модуле переработки ОЯТ нужно не меньше 50 м3 раствора, чтобы запуститься, а предыдущий узел, допустим, выдает 30 мл в час. Чтобы сбалансировать технологический процесс, надо перед выпарным аппаратом поставить какой-то накопитель или вместо одного маломасштабного узла поставить 10. Такие расчеты мы проводили для проектирования конкретного оборудования и для обоснования проектных решений.

Дальше заказчик говорит: «А загруженность персонала можете посчитать?» Рассчитали на «Визарте» циклограммы работы операторов и показали, как ее оптимизировать. Например, один аппаратчик может обслуживать несколько аппаратов или даже технологических операций. С помощью «Кода ТП» показали нагрузку операторов на пульте управления технологическими процессами и выявили несколько десятков нестыковок в технологических регламентах.

У заказчика аппетиты растут: «А экономику можете посчитать? Надо обосновать выбор технологий обращения с РАО через затраты на реализацию самой технологии и последующее хранение и захоронение». «Попробуем», — ​отвечаем мы. Для «Маяка» в качестве эксперимента рассчитали четыре возможные схемы фракционирования отходов, отталкиваясь от затрат на конечное обращение. Результаты всех удовлетворили, и сейчас «Техснабэкспорт», внешнеторговая компания «Росатома», хочет нашу методику аттестовать как общеотраслевую. Соответственно, для обоснования технологий обращения с РАО ОДЭКа этот функционал «Визарта» тоже планируется использовать.

За рамками «Прорыва»

Итак, «Код ТП» позволяет управлять производственными процессами, «Визарт» — ​согласовывать производственные процессы, проектировать оборудование, здания и сооружения, планировать штатное расписание и загрузку персонала, делать экономические расчеты, а также подготавливать данные для обоснования ядерной и радиационной безопасности с использованием нейтронно-физических кодов.

Этим комплексам суперкомпьютер не нужен — ​они отлично работают на обычном ПК. Частично интегрированы друг с другом, есть возможность обмениваться данными.

Оба кода отчуждаемы, то есть могут применяться без участия разработчиков. Но есть нюансы. «Код ТП» относительно прост в использовании. Достаточно быть хорошим технологом, чтобы его освоить. С «Визартом» сложнее. Отдельным функционалом легко пользоваться, а чтобы освоить весь комплекс, нужна серьезная квалификация. Мы сейчас стараемся сделать его более user-friendly. Возможно, нарежем код на модули. Конструктору — ​свой, экономисту — ​свой, технологу — ​свой.

Программные комплексы уже вышли за рамки «Прорыва». «Визарт» используют разработчики инновационного жидкосолевого реактора. В прошлом году смоделировали технологии фабрикации топлива и регенерации топливной соли и рассчитали тепловые балансы по всей технологической схеме.

Мы думали об адаптации наших программных комплексов для внеотраслевых проектов. Ведь теоретически можно моделировать любые процессы, хоть перегонку спирта. Но таких технологически сложных отраслей, как атомная, немного. В большинстве производство гораздо проще, функционал нашего комплекса избыточен для их расчетов. Продавать за рубеж решения не планируем. Иностранцы бы с радостью купили, но мы боимся делиться чувствительной информацией.