Сотрудники Инжинирингового центра «Центра компьютерного инжиниринга (CompMechLab®)», входящего в Передовую инженерную школу «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, впервые в инженерной практике разработали архитектуру цифрового двойника печи остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов (РАО).
НИР – «Разработка архитектуры высокоадекватной мультифизической цифровой модели печи остекловывания». НИР выполнялась в соответствии с целями и задачами Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016-2020 годы и на период до 2030 года».
В соответствии с требованиями технического задания работа полностью выполнена в соответствии с ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения», в котором цифровой двойник изделия определяется так – «Цифровой двойник изделия – система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями.
Заказчик НИР – ФГУП «Производственное объединение «Маяк» (входит в госкорпорацию «Росатом») – предприятие по производству компонентов ядерного оружия, изотопов, хранению и регенерации отработавшего ядерного топлива, утилизации его и других радиоактивных отходов. Расположено в городе Озёрск Челябинской области – место для строительства было утверждено Постановлением СНК СССР «О заводе № 817» от 1 декабря 1945 г. № 3007-892892сс, а 21 декабря 1945 г. И.В. Сталин подписал постановление СНК СССР за № 3150-952сс «Об организации строительного управления НКВД СССР № 859».
Кураторы проекта комбината: со стороны власти – М.Г. Первухин, со стороны науки – И.В. Курчатов.
К 2015 году накопленные радиоактивные отходы в России составляют — около 410 млн м3 жидких и 83 млн м3 твердых РАО общей активностью 6,3 1019 Бк (1,7 млрд Ки). Еще 60 млн м3 жидких РАО захоронены в пунктах глубинного захоронения РАО. Основная часть накопленных РАО находится на промышленных площадках организаций Госкорпорации «Росатом».
Остекловывание – основной метод обращения с радиоактивными отходами (РАО), используемый во всем мире уже на протяжении десятков лет. В его основе – перевод жидких радиоактивных отходов в стеклообразное состояние с помощью нагрева до высоких температур (более 1000℃) в специальных печах. Остекловывание позволяет значительно сократить объем отходов и получить форму РАО, устойчивую к воздействию факторов окружающей среды и пригодную для долговременного хранения. На сегодняшний день данная технология является наиболее безопасным и долговечным методом утилизации отходов.
Инженеры «Центра компьютерного инжиниринга» СПбПУ 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.
Также были определены функциональные взаимосвязи между составными частями конструкции и разработаны и применены математические и компьютерные модели описания физическо-механических процессов, происходящих в процессе эксплуатации печи, таких как электродинамика, гидродинамика, теплообмен, прочность. Кроме того, специалисты Инжинирингового центра СПбПУ разработали методики, определяющие связь измеряемых контролируемых показателей работы печи остекловывания на основных режимах работы с общими техническими характеристиками промышленной установки. Также разработчики при помощи многовариантного компьютерного моделирования смогли восполнить недостаточность результатов натурных испытаний, в частности, при оценке коэффициента теплоотдачи на токоподводах сдвоенного и донного электродов.
«ФГУП "Производственное объединение "Маяк" в настоящее время разрабатывает новые установки остекловывания, включающие значительное количество инновационных технических решений. Для обоснования инновационных решений должна быть решена система наукоёмких мультидисциплинарных инженерных задач – здесь и электродинамика, и гидродинамика, и тепломассобмен, и, конечно же, все виды задач механики деформируемого твердого тела. Применение технологии цифровых двойников и разработка полномасштабной мультидисциплинарной цифровой модели с высоким уровнем адекватности реальному изделию и реальным физико-механическим процессам позволяет в значительной мере сократить натурные испытания промышленных конструкций за счет проведения цифровых испытаний на разработанных в процессе выполнения нашей работы цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах, снижая таким образом временные и финансовые издержки и оптимизируя уникальные технические характеристики сложнейшего и ответственного Изделия», – прокомментировал перспективы разработки проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, руководитель Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг»» СПбПУ Алексей Боровков.
Разработанная специалистами «Центра компьютерного инжиниринга» СПбПУ архитектура высокоадекватной мультидисциплинарной цифровой модели будет использована при создании цифрового двойника новой конструкции печи остекловывания и оптимизации режимов работы плавителя.«Разработка печи остекловывания представляет для нас большой вызов, поскольку печь является не только сложным объектом для математического и компьютерного моделирования, но также и возможностью применить передовые методы проектирования на реальном объекте»,– дополнил ответственный исполнитель проекта, начальник отдела энергетического машиностроения инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ Николай Ефимов-Сойни.«Такой сложный промышленный объект, как печь остекловывания, объединяющий в себе полный спектр физическо-механических процессов, представляет особый интерес с точки зрения мультидисциплинарного математического и компьютерного моделирования, а также перспектив применения разработанных инновационных методик для повышения эффективности процессов проектирования и эксплуатации печи остекловывания»,– отметил значимость работы, которую ведут разработчики СПбПУ, для инженерного дела в целом главный инженер проекта, инженер-исследователь инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ Юрий Горский.
«Разработка цифрового двойника в рамках создания такой сложной и ответственной установки, как печь остекловывания высокоактивных отходов, является новым этапом в технологическом развитии нашего предприятия стполувековым опытом работ в указанном направлении. Мы ожидаем от внедрения данного подхода существенного ускорения процессов разработки, опытных и пуско-наладочных испытаний нового оборудования, что должно снизить финансовые и временные издержки при модернизации технологических процессов на производстве. После успешной апробации технологии разработки цифрового двойника печи остекловывания, а также всех технологических и эксплуатационных режимов, данный подход будет использован при модернизации других промышленных установок и технологических переделов», – добавил руководитель проекта со стороны предприятия-заказчика, начальник исследовательской лаборатории Центральной заводской лаборатории ФГУП «ПО «Маяк» по обращению и кондиционированию радиоактивных отходов Павел Козлов.