Прорывная «Урания»: что может система для проведения научных исследований

В проектном направлении «Прорыв» введена в эксплуатацию система управления данными и процессами расчетных и экспериментальных научных исследований «Урания». Ее разработали в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН). По отзывам экспертов, с «Уранией» время выполнения расчетов сократится в разы.

Расчетные модели

«Одна из особенностей атомной отрасли в том, что далеко не все режимы работы оборудования мы можем обосновать экспериментальным путем, — говорит директор по цифровизации проектного направления «Прорыв» Андрей Федоровский. — Скажем, для строительства АЭС необходим детальный отчет по обоснованию безопасности. Некоторые режимы отрабатываются в стендовых экспериментах, но значительную часть мы можем обосновать только расчетными методами. Так, для классического реактора ВВЭР нужно рассчитывать варианты разрывов больших трубопроводов, обеспечивающих подвод теплоносителя к активной зоне. Такой аварии ни на одном энергоблоке никогда не было, и провести натурный эксперимент невозможно».

Моделирует гипотетическую ситуацию или режим работы особо чувствительного оборудования специальная математическая модель. В начале 1990‑х годов эти модели перебрались с бумаги на жесткие диски компьютеров и превратились в коды — программные алгоритмы, позволяющие рассчитать ход сложных физических или химических процессов. Первые расчетные коды появились за рубежом, в середине 1990‑х российские атомщики начали писать собственные. Занимались этим, как правило, энтузиасты.

«Коды создавались практически на коленке и часто оставались без техподдержки. Если автор ушел из жизни или просто на пенсию, не передав свои наработки, критически важные знания терялись и коды в лучшем случае замирали в развитии», — рассказывает Андрей Федоровский.

Коды нового поколения

Для инженерных расчетов и обоснования безопасности ядерных установок четвертого поколения со свинцовым теплоносителем и уран‑плутониевым нитридным топливом в мире решений нет. Поэтому в России в рамках проекта «Прорыв» началась разработка расчетных кодов, принципиально отличающихся от предшественников. Исполнителем проекта «Коды нового поколения» стал ИБРАЭ РАН, у которого был богатый опыт математического моделирования физических, химических, теплогидравлических процессов в ядерных установках.

В ходе расчетных обоснований проводятся многие тысячи расчетов, и для каждого нужно знать исходные данные, модели и сетки, коды и конечные результаты. Для хранения и управления этим массивом данных потребовалась автоматизированная система. «Урания» позволяет обеспечить повторяемость расчетов, взаимодействие конструктора и расчетчика, проверку соответствия результатов расчета требованиям, в системе можно отслеживать историю изменения исходных данных и результатов расчетов и многое другое.

Петербургская основа

«Мы сразу отказались от идеи разрабатывать цифровую платформу с нуля,— говорит заведующий отделом проблем управления жизненным циклом объектов атомной энергетики ИБРАЭ РАН Сергей Сумароков.— Несколько лет назад, еще в начале проекта, мы узнали, что команда питерского Политеха (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, СПбПУ.— «СР») разрабатывает платформу управления расчетными данными под названием CML-Bench. Мы договорились, что их система станет платформой, на базе которой мы подготовим программу под задачи проведения расчетов, анализа и обоснования безопасности для атомной отрасли. У нас уже был опыт разработки сходной системы на базе зарубежных платформ для Опытного конструкторского бюро машиностроения им. Африкантова, и было понимание, какой функционал нужен для программной среды».

«Это так называемое двухуровневое построение архитектуры платформ, — дополняет проректор СПбПУ по цифровой трансформации, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков. — На общем ядре, которое применимо в разных областях промышленности, делается отраслевая надстройка. В данном случае для атомпрома, еще точнее — для «Прорыва».

У CML-Bench есть очевидные преимущества: разграничение прав доступа к информации (систему одновременно используют до 1 тыс. сотрудников разных КБ и институтов); обмен данными между расчетными подразделениями в разных компаниях, регионах, а значит, и часовых поясах; наполнение базы знаний; обеспечение возможности повторного использования данных.

«Наша система позволяет вести проектирование по нескольким траекториям. Это важно, поскольку на старте никто не знает, какая именно траектория будет удовлетворять всем требованиям. Проект эволюционирует, в программе формируется дерево решений, и все участники могут вносить свою лепту в анализ, предлагать новые траектории. Это, пожалуй, ключевое преимущество», — отмечает Алексей Боровков.

Платформа СПбПУ — полностью российская, внесена в реестр отечественного программного обеспечения в 2021 году. В атомной отрасли ее использовали в ТВЭЛ при разработке нового антидебризного фильтра для тепловыделяющих сборок, а также в проекте по снижению вибрации в декантирующих центрифугах. В топливном дивизионе CML-Bench развернута в компании «Центротех-­инжиниринг».

Рывковое ускорение

Парадоксально, но стремительное развитие расчетных кодов оборачивается большой проблемой. Когда нужно повторить расчет, выполненный несколько лет назад, найти использовавшиеся тогда версии кодов практически невозможно. Их разработчики могли поменять работу, место жительства, а обновленные версии не позволяют с полной уверенностью судить о причинах отличий в результатах. А значит, все приходится делать заново.

«Потому мы первым делом озаботились тем, чтобы система позволяла хранить полную предысторию расчетов. Руководитель проекта должен точно знать, когда, что и на какой версии кода было посчитано, и иметь возможность вернуться к архивным версиям, чтобы все пересчитать»,— рассказывает Андрей Федоровский.

Помимо сбора глобального архива, «Урания» помогает проектировщикам по максимуму упростить проведение обосновывающих расчетов, которые становятся все подробнее и шире по номенклатуре. В паре с отраслевой платформой для оптимизационных и параметрических исследований «Урания» позволяет автоматизировать перебор вариантов, режимов работы любого узла.

«Расчетчик загружает исходный файл, задает условия — параметр, который нужно менять с определенным шагом, и расчетный код сам посчитает множество вероятных вариантов и поможет выбрать оптимальный. Данные по всем расчетам будут сохранены и аккуратно разложены по полочкам. Можно проводить параллельный расчет нескольких входных файлов, обрабатывать выходные файлы, извлекать нужные данные и сравнивать результаты, полученные при расчетах разными кодами. Это очень экономит время. В АО «Прорыв» мы эту систему внедрили в отделе науки, занимающимся подобными расчетами,— рассказывает Андрей Федоровский.— Кроме того, при объединении разработок разных институтов и групп часто возникают коллизии из-за мелких несоответствий в исходных данных. Обычно их выявляют еще на этапе моделирования. В противном случае они обнаружились бы только на стадии стендового эксперимента, установку пришлось бы разбирать и переделывать. А это срыв срока и немалые финансовые потери. В рамках работы отдела математического моделирования и цифровизации АО «Прорыв», создающего и применяющего интегральные модели энергоблоков четвертого поколения, «Урания» позволяет к расчету режима эксплуатации блока привязать перечень коллизий, которые нужно устранить».

«Оперативность анализа результатов расчетов на интегральных математических моделях энергоблоков благодаря «Урании» увеличивается на 20–30%. Но в отделе науки скорость именно расчетов выросла в 10 раз! Это рывковое ускорение, — утверждает начальник отдела математического моделирования и цифровизации АО «Прорыв» Святослав Кириенко. — Сокращение срока проведения расчетов — далеко не единственный эффект. «Урания» наводит порядок в расчетных данных, систематизирует их и хранит полный архив изменений и правок. В итоге повышается качество интегральных моделей как расчетного представления цифровых двойников».

Масштабирование и интеграция

Пока «Урания» полноценно работает только в АО «Прорыв», но в ближайшей перспективе ее планируется внедрить в Опытном конструкторском бюро машиностроения им. Африкантова и Научно-­исследовательском и конструкторском институте энерготехники им. Доллежаля.

«У них в десятки раз больше расчетов, чем в «Прорыве». Ежедневно проводятся сотни расчетов для различных реакторных установок, постоянно взаимодействуют конструкторы и расчетчики. И там программа в полной мере покажет свою эффективность», — говорит Сергей Сумароков.

«Урания» — не единственная автоматизированная система в проектном направлении «Прорыв». Есть система управления жизненным циклом, в которой хранится конструкторская, технологическая, проектная документация, есть система управления требованиями — целая цифровая экосистема. Поскольку для расчетных обоснований нужны данные из всех этих систем, «Урания» была интегрирована с ними.