Заглянуть в будущее

Виртуально-цифровая АЭС помогает прогнозировать поведение ее реального прототипа

В Концерне «Росэнергоатом» считают, что наличие виртуально-цифровой атомной электростанции (ВЦАЭС) — важнейший фактор конкурентоспособности современной АЭС. Она нужна и проектантам, и эксплуатирующим организациям. ВЦАЭС — расчетная часть цифрового двойника (ЦД) АЭС.

Тонкости терминологии

Цифровой двойник — построенный в виртуальном пространстве объект с набором баз данных (БД), моделей, инструментов визуализации в 3D, программных продуктов, позволяющих моделировать работу и обслуживание объекта как в нормальных условиях эксплуатации, так и при отклонении от них, включая проектные и запроектные (в том числе тяжелые) аварии, а также моделирование вывода из эксплуатации. ЦД служит для оптимизации проектных, конструкторских, технологических решений, создания тренажеров, сопровождения эксплуатации и вывода из эксплуатации.

Следует различать информационную модель (ИМ) и ЦД. «Я согласен с мнением Евгения Олеговича Адамова, который считает, что ЦД — это все, что можно построить в виртуальном пространстве, все что визуализируется. Информационная модель — полный набор информации, как визуализируемой в ЦД, так и архивируемой в увязке с ЦД (переход по гиперссылке от элементов ЦД). Информационная модель и ЦД увязаны прочно и неразрывно. ИМ может существовать отдельно, но ЦД без информационной модели — сирота», — комментирует научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития госкорпорации «Росатом» по направлению атомные станции малой мощности (АСММ) и научный руководитель АО «ВНИИАЭС» Сергей Соловьев.

Как рождалась виртуальная АЭС

Решение о необходимости создать виртуальную АЭС в госкорпорации приняли в 2009 году после совещания с занимавшим тогда должность президента РФ Дмитрием Медведевым. К концу 2009 года было разработано техническое задание, а в 2011-м началась активная проработка. Проект назвали «Разработка программно-технического комплекса (ПТК) «Виртуальная АЭС с ВВЭР»». В качестве прототипа был выбран строящийся шестой блок НВАЭС с реактором поколения III+ ВВЭР-1200. Сам термин «виртуально-цифровая АЭС» появился в 2013 году.

ПТК ВЦАЭС создавали специалисты ВНИИАЭС в тесном сотрудничестве с коллегами из ИБРАЭ РАН, НИИ механики МГУ, МФТИ. Финансировал разработку «Росэнергоатом». В 2018 году была успешно завершена интеграция в программно-технический комплекс последнего модуля, описывающего разрушение активной зоны и взаимодействие расплава с ловушкой в случае тяжелой аварии.

В том же году работу ПТК ВЦАЭС продемонстрировали руководству Росатома, «Росэнергоатома» и Ростехнадзора. В 2019 году комплекс прошел верификацию и его сдали в опытную эксплуатацию. Всего было выполнено около 100 автономных и комплексных испытаний. В марте 2020 года ПТК «Виртуально-цифровая АЭС» был принят в промышленную эксплуатацию. ПТК ВЦАЭС моделирует работу более 300 систем АЭС и включает расчет более 3,5 млн переменных.

Руководство концерна поставило задачу аттестовать в Ростехнадзоре все расчетные коды, входящие в состав ПТК, к концу 2021 года. Благодаря аттестации ПТК позволит проводить независимую проверку обоснования безопасности, а в случае необходимости — готовить материалы для отчетов по обоснованию безопасности.

В составе ПТК ВЦАЭС две версии: проектная и научно-исследовательская. Научно-исследовательская, более сложная, ориентирована на цифровую поддержку проектирования АЭС с новыми, не имеющими референтности парогенераторами, ТВС и т. д. Кроме того, она включает «тяжелоаварийную» часть, для расчетов которой используются разработки ИБРАЭ РАН мирового уровня, которые представляют собой развитие кода «СОКРАТ» (это аттестованный код для комплексного численного моделирования тяжелых запроектных аварий реакторных установок водо-водяного типа). Проектная версия служит для быстрой верификации совместной работы различных систем АЭС, включая АСУ ТП, в том числе для верификации при проектировании и приемке.

Для разработки: научно-исследовательская версия

Научно-исследовательская версия для разработчиков новых проектов станций служит для расчетов и моделирования процессов, происходящих на АЭС. На ПТК ВЦАЭС с помощью кодов нового поколения можно рассчитывать нейтронную физику в активной зоне реактора, теплогидравлику в оборудовании первого и второго контура и помещениях, выполняющих функцию защитной оболочки, распространение тепла в твэлах, наработку и выход продуктов деления в газовый зазор твэла, термомеханику топлива и оболочек твэлов, электромеханику в электрооборудовании энергоблока и пр.

Цифровой двойник помогает проектантам и конструкторам оптимизировать проектные, конструкторские и технологические решения и сэкономить время на поиск наилучшего варианта. «Если вы делаете новые объекты, по которым еще нет референтности, то можно использовать заложенную в виртуально-цифровую АЭС предсказательную силу. Мы использовали самые современные методики. Для расчетов нейтронной физики использован метод Монте-Карло, для теплогидравлики — трехмерные CFD-коды, канальное, ячейковое приближение, по термомеханике — 3D-приближение на базе метода конечных элементов. Мы можем сложные процессы детально проанализировать на очень мелких масштабах и посмотреть, как будет идти процесс, какие проявятся отклонения. Если это вибрация внутрикорпусных устройств, то обращают внимания на вихри и их интенсивность, если поведение ТВС — на распределение температур, нет ли их превышений. Таким образом, мы уже на стадии проектирования можем отсечь нежизнеспособные варианты. Потом, в зависимости от результата, проект дорабатывают или переходят к следующему этапу», — объясняет Сергей Соловьев. По его словам, в самом начале проектирования ВВЭР-ТОИ расчеты с использованием ранней версии виртуальной АЭС выявили множество несоответствий заявленных параметров тем, которые были бы на реальной станции, и их устранили. Еще одна возможность цифрового двойника — контроль за процессом проектирования: в модели четко видно, какие системы уже выполнены, какова общая готовность проекта.

Для эксплуатации: проектная версия

Проектная версия — для эксплуатирующих организаций и проектирования конкретных блоков по проектам, имеющим высокую степень референтности. Пилотный ПТК ВЦАЭС создавался постфактум (блок № 1 Нововоронежской АЭС-2 был сдан в эксплуатацию в 2016 году) и учитывал все существующие параметры. «Реальное оборудование может отличаться от запланированного, из-за особенностей тендерных процедур», — объясняет Сергей Соловьев.

Проектная версия моделирует различные процессы, которые идут на блоке. «Расчетные коды дают возможность построения моделей энергоблоков с реакторной установкой технологии ВВЭР для численного анализа их работы как в режимах нормальной эксплуатации, так и в случае аварий… “Виртуально-цифровая АЭС” совмещает возможности разноуровневых моделей энергоблока: полномасштабных моделей технологических систем и систем АСУ ТП, детализированных моделей основных элементов энергоблока и позволяет проводить комплексный анализ проектов АСУ ТП и энергоблоков в целом», — отмечается в книге «Цифровой двойник», выпущенной «Росэнергоатомом».

Виртуально-цифровая АЭС обеспечивает инженерную поддержку кризисного центра «Росэнергоатома». Также ВЦАЭС используют для верификации автоматического управления энергоблока и планов противоаварийного реагирования и управления тяжелыми и запроектными авариями, для моделирования действий персонала и их последствий, анализа отказов и нарушений, а также результатов противоаварийных тренировок. Важнейшая функция ВЦАЭС — использование в противоаварийных учениях, поскольку натурные эксперименты тяжелой аварии на АЭС организовать невозможно.

«Во время комплексных противоаварийных учений на Нововоронежской АЭС включали виртуально-цифровую АЭС, чтобы предсказать последствия запроектной аварии и понять, что и когда случится с блоком и сколько времени есть на проведение противоаварийных мероприятий», — делится опытом директор по цифровизации Концерна «Росэнергоатом» Олег Шальнов, который лично участвовал в противоаварийных учениях. Он и его коллеги смотрели, как будет развиваться ситуация, если ничего не делать или предпринимать те или иные действия. «Виртуально-цифровая АЭС, извините за каламбур, реально работает во времени, которое течет быстрее реального: мы уже через несколько десятков минут видели, что может случиться через несколько часов. Мало того, возможность расчета одновременно нескольких сценариев организации работ позволяет выбрать оптимальный. Применение виртуально-цифровой АЭС признано успешным в решении такого рода задач», — подытоживает Олег Шальнов.

Цифровой двойник планируют использовать во время пусконаладочных работ на новых блоках: часть экспериментов проводят на виртуальной АЭС, чтобы выверить режимы работы, проверить уставки (задаваемые значения контролируемого параметра, при котором происходит срабатывание сигнализирующего устройства), в том числе и скорректированные по результатам пусконаладочных испытаний. «Иными словами, если вы по результатам одиннадцатого испытания изменили уставки, то делать предыдущие десять испытаний с новыми уставками не надо, их можно провести на ВЦАЭС, оставив наладчикам только зачетные испытания. В итоге сроки пусконаладочных работ можно существенно сократить», — говорит Сергей Соловьев.

Еще одна возможность, которую дает виртуально-цифровая АЭС, — обосновать перед регулятором параметры безопасности в условиях нормальной эксплуатации и во время аварий. Например, просчитать поведение расплава на днище корпуса реактора и в устройстве локализации расплава, обосновать водородную взрывобезопасность и т. д.

Наконец, еще одна важная функция — презентационная. Экскурсии на цифровую АЭС наглядно показывают уровень используемых технологий. «Представьте: приедет к вам потенциальный заказчик — какой-нибудь шейх, а вы ему будете показывать чертежи. Это значит, вы уже аутсайдер. А цифровая АЭС дает полную визуализацию, в ней можно, используя инструменты виртуальной реальности, «полетать» и посмотреть, как станция выглядит изнутри, что находится в реакторе, включая картину распределения скоростей и температур. Можно визуализировать параметры безопасности и показать, где какие концентрации водорода и пара будут при тяжелых авариях. Когда можно пощупать, запустить любой процесс и понять, как что работает, доверие к атомной отрасли растет», — уверен Сергей Соловьев.

Сергей Соловьев
Научный руководитель ПНТТР госкорпорации «Росатом» по направлению атомные станции малой мощности (АСММ) и научный руководитель АО «ВНИИАЭС»:

«Фактически в цифровом двойнике сконцентрирована современная база знаний. Без такого инструмента станция неконкурентоспособна»

Максимально точно

При создании и корректировке цифровой модели программисты ВНИИАЭС используют принцип обеспечения равноточности. Суть такова: смотрят, моделирование каких процессов и в каких системах на конкретном этапе разработки вносит наибольшую погрешность в суммарный расчет, и улучшают в первую очередь их. Так при доступной производительности компьютеров обеспечивается максимально возможная точность.

Соответствие модели реальности проверяется на экспериментальных стендах. Разработчики верификационного отчета смотрят, какие процессы и явления могут быть на выбранном типе станции, и подбирают установки таким образом, чтобы эксперименты на них были представительными. «Свободную конвекцию на десяти сантиметрах проверять нельзя, а на, допустим, десяти метрах уже можно», — приводит пример Сергей Соловьев. Необходимые стенды есть в Электрогорском научно-исследовательском центре по безопасности атомных станций (входит в «Росэнергоатом»). После проведенных испытаний смотрят на точность модели, экстраполируют результат на параметры станции в натуральную величину, проверяют, насколько ухудшилась точность, корректируют и в финале в паспорт программно-технического комплекса вносят информацию о том, какие процессы и с какой точностью он может моделировать.

Хорошей считается точность, при которой результат расчета с учетом его погрешности не выходит за границы приемлемости параметров. «Например, температура оболочек твэлов не должна превышать проектный предел 1200 ºС. Если ваши расчеты (с погрешностью 20 %) показывают, что при любых проектных авариях их температура не превысит 900 ºС, то большая точность не нужна, — объясняет Сергей Соловьев. — А если станция спроектирована так, что по расчетам температура оболочки может достигать 1100 ºС, то погрешность 20 % уже недопустима, потому что показатель выходит за пределы приемлемости. Следовательно, надо строить модель так, чтобы погрешность была не больше 10 %. А если даже при максимальной точности все равно идет превышение, надо что-то в конструкции менять — и для этого в том числе модели тоже нужны».

Еще один фактор, побуждающий увеличить точность расчетов, — экономика. При более точных расчетах можно снизить консерватизм заложенных параметров («прочнее на всякий случай») и тем самым обосновать менее затратное решение, не подвергая сомнениям безопасность. Например, уменьшить вес и размер оборудования или конструкций. В виртуально-цифровую АЭС входит технико-экономическая модель, которая рассчитывает экономику проекта. «Для каждого изделия можно задать стоимость, надежность, сроки строительства, поэтому можно оценить различные конфигурации с точки зрения экономики», — говорит Сергей Соловьев.

Секция «Теплогидродинамика и мультифизические процессы» при экспертном совете Ростехнадзора по аттестации программ для электронных вычислительных машин, которую возглавляет Сергей Соловьев, занимается аттестацией расчетных мультифизичных программных комплексов, таких как ПТК ВЦАЭС. Уже разработаны требования к аттестации программ с искусственным интеллектом, которые используются в цифровых двойниках.

Расчеты на будущее

ВНИИАЭС расширяет использование виртуально-цифровой АЭС. Специалисты института уже разработали модель «ленинградской» версии проекта АЭС-2006. «Когда технологии уже наработаны, это недолго, мы примерно за четыре месяца ее сделали», — отмечает Сергей Соловьев.

Наработки ВНИИАЭС начали использовать для создания цифровых двойников АСММ российского дизайна РИТМ-200Н и Шельф-М. «Мы показали нашу систему ГСПИ, НИКИЭТ и ОКБМ, они увидели ее функционал и эффекты, и мы договорились о создании АСММ через цифровой двойник. Теперь реальные установки проектируют параллельно с виртуальными: разработчики что-то придумывают — мы тут же делаем расчеты, проверяем решения. Это новый способ — проектирование с поддержкой цифровой модели», — отмечает Сергей Соловьев.

В октябре 2021 года «Росэнергоатом» принял решение создать на базе ВНИИАЭС кластер ключевых компетенций. Институт должен в системе Концерна курировать создание таких новых проектов, как ВВЭР-ТОИ, ВВЭР-С, БН-1200М. И кураторство фактически будет выражено в создании цифровых двойников. В частности, с помощью моделей ВНИИАЭС планирует просчитать водородную безопасность для БН-1200М.

Также в концерне работают над проектом по созданию моделей предиктивной аналитики отдельных агрегатов и блока в целом. В опытно-промышленной эксплуатации на НВАЭС уже работает более 40 предиктивных моделей для предсказания работы турбогенератора. Для этого программный комплекс анализирует более 1000 параметров в режиме реального времени не только с турбогенератора, но и с соседних агрегатов. Следующий шаг — создание цифровых моделей для ГЦН, трансформаторов и другого крупного оборудования. Такие модели нужны эксплуатации, чтобы как можно раньше выявить некорректную работу оборудования и предпринять действия, чтобы не допустить длительные простои.

Олег Шальнов
Директор по цифровизации Концерна «Росэнергоатом»:

«Главным успехом я считаю создание внутри отрасли центра компетенции по предиктивной аналитике на базе ВНИИАЭС. Мы будем развивать это направление и дальше. Уже ведем работу по внедрению предиктива на всех основных агрегатах седьмого блока Нововоронежской, пятого и шестого блока Ленинградской и четвертого блока Белоярской АЭС»

«При верификации моделей на уже прошедших событиях мы поняли, что смогли бы увидеть развитие негативных событий намного — примерно на две-пять недель — раньше, чем его увидел персонал. Это работает так: по данным АСУ ТП оборудование работает все еще корректно, все показатели в пределах уставок. А цифровая модель уже формирует так называемый индекс здоровья оборудования по совокупности параметров работы, — поясняет Олег Шальнов. — И когда она по показаниям датчиков, например температуры и вибрации, причем не только на самом агрегате, но и на соседних с ним, уже видит тенденции, которые в будущем приведут к нарушению работы, то сигнализирует о проблеме». Система уже работает в опытно-промышленной эксплуатации. «Это пилотный проект, который доказал, что предиктивные модели на нашем оборудовании работают успешно», — отмечает Олег Шальнов.

 

Цифры

300
количество систем АЭС, работу которых моделирует ПТК ВЦАЭС

>3,5 млн
переменных включает расчет ПТК ВЦАЭС

~100
автономных и комплексных испытаний прошел ПТК ВЦАЭС на этапе опытной эксплуатации

40
предиктивных моделей для предсказания работы турбогенератора уже работает в опытно-промышленной эксплуатации на НВАЭС

>1000
параметров в режиме реального времени анализирует программный комплекс для предиктивной аналитики работы турбогенератора НВАЭС