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, 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.
Как пояснил ведущий инженер производственного объединения «Маяк»,
— 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.
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.
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.
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.
Как уточнил проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) Алексей Боровков,
— 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.