Виртуальный завод: как построить самое мощное радиохимическое производство в стране

Летом «Росатом» официально объявил, что планирует построить самый мощный в стране радиохимический завод для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Запуск намечен на конец 2030-х, а сейчас химики и программисты работают над цифровым двойником завода, который позволит отработать все процессы виртуально и избежать коллизий при монтаже оборудования и вводе в эксплуатацию.

Завод планируют построить в соответствии с комплексной отраслевой программой «Росатома» «Развитие радиохимического направления». Основные ее цели — обеспечить научно-технологическую и производственную базу для двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым топливным циклом, решить проблему накопления ОЯТ, а также расширить присутствие госкорпорации на международном рынке переработки ОЯТ.

«В программе три блока решений, — говорит Дмитрий Рябков, заместитель гендиректора Радиевого института им. Хлопина по науке (институт — головная отраслевая научная организация по радиохимическим технологиям в гражданской части). — Первый блок нацелен на техническое перевооружение завода РТ-1 на «Маяке», чтобы обеспечить переработку до 400 т ОЯТ в год. Второй блок — ввод в эксплуатацию и поэтапный выход на проектную мощность опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ на Горно-химическом комбинате (ГХК. — «Лаб. СР») производительностью 220 т в год. И третий блок — это создание завода по переработке топлива большой производительности — 400 т в год».

Для завода большой производительности Институт Бочвара совместно с Радиевым институтом разработали по заказу топливной компании «ТВЭЛ» исходные данные и материальные балансы технологической схемы. Выбрана головная проектная организация — Центральный проектно-технологический институт (ЦПТИ, входит в ТВЭЛ). В рамках обоснования инвестиций ЦПТИ определил три площадки, где экономически выгодно разместить радиохимическое производство: «Маяк», Сибирский химкомбинат (СХК) и ГХК. «Выбор предстоит сделать до конца года и далее перейти к этапам проектирования», — добавляет Дмитрий Рябков.

В разработке радиохимических технологий, проектировании оборудования и производств атомщикам помогают цифровые технологии. Их развитие стимулировал проект «Прорыв», в рамках которого на СХК создается опытно-демонстрационный энергокомплекс с быстрым реактором БРЕСТ-ОД-300, модулем фабрикации смешанного нитридного уранплутониевого топлива и модулем переработки ОЯТ.

«На старте было много неопределенности и технологических развилок. Пробовать все варианты экспериментально — времени, денег и людей не хватит. Надо моделировать, — рассказывает заместитель гендиректора Института Бочвара, директор отделения разработки технологий обращения с ОЯТ и радиоактивными отходами (РАО) Владимир Кащеев. — «Прорыв» — проект мультидисциплинарный. Физики давно поняли, что математическое моделирование приносит практическую пользу. Опыт химиков в этой сфере существенно меньше, и использование цифровых технологий поначалу воспринималось ими настороженно. Конструкторы оборудования и проектировщики первое время сопротивлялись цифровизации. Но когда хотя бы часть команды убеждена в необходимости использования моделирования для достижения цели, когда научный руководитель активно поддерживает цифровизацию, неуверенность и сопротивление преодолеваются».

Модель модуля

При проектировании модуля переработки ОЯТ у технологического оборудования и технологических процессов появились виртуальные модели оборудования и узлов, которые используются для анализа, оптимизации и управления производственными процессами. Созданный специалистами снежинского ядерного центра «Росатома» при активном взаимодействии с химиками-технологами Института Бочвара программный комплекс «ВИЗАРТ» (от «виртуальный завод радиохимических технологий») позволяет проверять, как технологические участки модуля будут работать в системе, рассказывает ведущий научный сотрудник Института Бочвара Ольга Шмидт.

«На любом заводе есть множество зациклованных узлов, и схема их взаимодействия нелинейная, — объясняет заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации», директор направления радиохимии Андрей Шадрин. — Есть потоки с возвратными продуктами. Рассмотрим на примере человеческого организма. Когда вы лечите печень, таблетки и процедуры оказывают влияние и на все остальные органы. На заводе ровно то же. Занимаешься одним процессом, а это влияет на несколько других. Оптимизировать отдельно работу каждого узла бессмысленно. Оптимизировать можно только систему в целом».

В «Прорыве» ВИЗАРТ решает три основные задачи: расчет материального баланса, моделирование технологических процессов и аппаратов для оптимизации режимов и расчет ключевых показателей технологических линий. Процесс переработки ОЯТ в программе представляется в виде сложной схемы, состоящей из технологических переделов, связей между ними и технологических продуктов, которые передаются с передела на передел.

Развивая ВИЗАРТ

«После того как мы научились автоматически считать материальный баланс последовательности технологических операций, поняли, что можем строить и циклограммы работы технологического оборудования. Это важно для проектировщиков радиохимических производств, так как позволяет оценивать реальную производительность оборудования и технологических цепочек в целом, — продолжает Андрей Шадрин. — Так началась разработка программного комплекса «ВИЗАРТ-РДМ», где РДМ — это «регенерация делящихся материалов».

Новая версия виртуального радиохимического завода поможет оценивать все этапы переработки ОЯТ, анализировать состав и количество реагентов, объем образующихся отходов, параметры технологических операций и специфические для радиохимических процессов характеристики. На сегодня разработана структура ВИЗАРТ-РДМ, заканчивается разработка программного обеспечения.

«ВИЗАРТ был заточен под индивидуального пользователя, ВИЗАРТ-РДМ уже многопользовательская программа, размещена на защищенном сервере, с правом доступа каждого разработчика. ВИЗАРТы независимы друг от друга. Идея одна, но программы абсолютно разные, с разной архитектурой», — объясняет Андрей Шадрин.

Разработчики продолжают совершенствовать обе версии, модернизируя алгоритмы, повышая скорость обработки данных, упрощая интерфейс и формы представления результатов. «Сейчас ВИЗАРТ выгружает расчетную схему в виде электронных таблиц. Мы хотим заменить их на мнемосхемы — наглядные графические изображения устройств, — говорит Андрей Шадрин. — На каждом аппарате — всплывающая иконка. Нажимаешь и видишь, что там в данный момент происходит, какой процесс протекает. В общем, меняем форму представления результата на понятную заводским технологам. Программа будет стоять на удаленном сервере в Москве или Петербурге, и к ней будут подключены предприятия, участвующие в проектировании радиохимических производств».

«Цифра» и стройка

Сейчас все создаваемые радиохимические объекты «Росатома» проектируются и модернизируются с применением цифровых инструментов. Если в «Прорыве» цифровизация коснулась только деятельности ученых и технологов, то теперь эти технологии осваивают и конструкторы, и проектировщики. Андрей Шадрин приводит пример: «Специалисты ГХК, которые отрабатывают новую технологию в опытно-демонстрационном центре, часто к нам обращаются. Когда решают производственные проблемы, просят нас оценить, как то или иное изменение на отдельном технологическом узле скажется на всей схеме завода. Мы надеемся, что в ближайшие годы специалистам комбинатов не придется прибегать к чьей бы то ни было помощи: ВИЗАРТ станет настолько «дружественным», что они смогут его эффективно использовать самостоятельно».

«Цифровые технологии в радиохимии будут развиваться, только если будут строиться новые заводы. Если мы затянем процесс, будем продолжать до бесконечности разработки на бумаге, созданные цифровые инструменты канут в Лету», — предостерегает Владимир Кащеев.

Дмитрий Рябков отмечает, что основное бремя обеспечения финансирования комплексной отраслевой программы по радиохимии сейчас несет заказчик работ — топливная компания «Росатома». Планируется, что часть войдет в новый федеральный проект по радиохимии, которым хотят расширить нацпроект «Новые атомные и энергетические технологии». «Такой объект «Росатому» не потянуть без участия государства, — считает ученый. — Многое будет зависеть от того, как быстро ключевые радиохимические задачи «Росатома» будут включены в нацпроект».