С высокой точностью

Математические модели для комплексов переработки РАО

Пилотный комплекс переработки твердых радиоактивных отходов (КП ТРО), который готовится к вводу в полномасштабную эксплуатацию на площадке Курской АЭС-1, — проект с высоким потенциалом для тиражирования в составе атомных станций, возводящихся как в России, так и за рубежом. Отраслевой подход к созданию объектов такой сложности, с приоритетом безопасности, требует использования современного цифрового инструментария в виде качественно строгой математической модели объекта. Такая представляемая математическая модель, инициативно созданная в частичном объеме в настоящее время, после актуализации должна стать основой создания цифрового двойника систем обращения с РАО и ядром аналитического и тренажерного комплексов для организации, эксплуатирующей КП РАО.

Источники и методы переработки ионообменных смол

Одна из нетривиальных задач эффективной переработки отходов АЭС, как накопленных за время существования отрасли, так и образующихся в процессе эксплуатации, — переработка отработавших ионообменных смол (ОИОС), применяющихся для водоочистки теплоносителя первого контура и других радиоактивных вод энергоблоков атомных станций. На АЭС ежегодно образуется определенный, иногда значительный, объем ОИОС, который необходимо переработать и подготовить к окончательной изоляции как РАО. В силу различия проектов энергоблоков и специфики эксплуатации эти ОИОС загрязнены различными радионуклидами — высокоактивными компонентами, образовавшимися в результате деления ядерного топлива, продуктами их распада, а также продуктами активации конструкционных материалов.

В емкостях-хранилищах этих смол содержатся вода, высокосолевые растворы и органические вещества, которые при длительном хранении могут вступать в агрессивные реакции с материалами емкостей временного хранения жидких радиоактивных отходов. Чтобы обезопасить эти отходы, применяется ряд методов. Так, например, возможно включение ОИОС в цементную либо полимерную матрицу, применяется сушка с последующим хранением ОИОС в контейнерах, в проработках — метод сверхкритического водного окисления, рассматриваются и иные подходы. Но из перечисленных способов одни приводят к увеличению физического объема отходов, другие технологически сложны, недостаточно исследованы или неэффективны по экономическим параметрам. Ряд преимуществ на этом фоне имеет метод пиролиза. Однако обычный высокотемпературный процесс, который проходит при температурах от 800 до 1200 °C, для переработки радиоактивных ОИОС не подходит — вероятен значительный унос радиоактивных элементов с отходящими пиролизными газами. Более предпочтительной видится технология, реализованная на пилотном КП ТРО, — низкотемпературный пиролиз ОИОС.

Что такое объект моделирования

В 2023 году комплексные испытания всех систем КП ТРО завершились, в апреле 2024 года получена лицензия на начало опытно-промышленной эксплуатации, завершаются пусконаладочные работы на отдельных элементах комплекса. В настоящее время, кроме пилотного на первой очереди Курской АЭС, готовятся другие проекты аналогичных КП ТРО, в том числе на Курской АЭС-2. Серия не будет на этом исчерпана, поскольку переработка радиоактивных отходов, в том числе ОИОС, актуальна как для российских, так и для зарубежных АЭС российского дизайна.

В интересах атомной отрасли — с пониманием перспективы разработки цифрового двойника как востребованного продукта, необходимого для безопасного функционирования объектов использования атомной энергии, — обеспечить процессы постоянного совершенствования и повышения уровня безопасной эксплуатации, оценки нештатных ситуаций, противоаварийного реагирования, обучения персонала. В данном случае необходимо уметь реагировать на неоднозначный состав перерабатываемой пульпы ОИОС, наличие различных загрязнений, отсутствие опыта эксплуатации подобных установок в РФ. На раннем этапе подготовки проектной документации КП ТРО был частично использован опыт зарубежных партнеров, в первую очередь NUKEM Technologies — российско-немецкой инжиниринговой компании, специализирующейся на оказании услуг в области обращения с РАО и ОЯТ, выводе из эксплуатации объектов использования ядерной энергии. В настоящее время опираться на опыт зарубежных коллег затруднительно в связи с санкционными ограничениями.

Для детальной отработки технологии, с доведением типового проекта КП ТРО до уровня конкурентоспособного предложения на внешний рынок, необходимо наработать и учесть собственный опыт эксплуатации.

Проект создания КП ТРО Курской АЭС-1 с нуля и под ключ осуществляет Инжиниринговый дивизион Росатома. При реализации этого проекта дивизион значительно нарастил к имевшимся и приобрел новые, наиболее значимые компетенции в области как научных, так и практических знаний в сфере обращения с РАО, подтвержденных патентами на изобретения. Эти компетенции распространяются на деятельность в области проектирования, выполнения строительно-монтажных работ, изготовления и поставки оборудования, в том числе используя процессы импортозамещения, проведения пусконаладочных работ.

Что такое модель объекта

Однако далеко не весь опыт (особенно это касается кризисных ситуаций) можно получить на практике. Для сложных объектов целесообразно использовать цифровой аналитический инструментарий, основанный на математическом моделировании объектов. Компьютеризованные расчеты позволяют, избегая возможных рисков, наработать значительный объем знаний через моделирование различных режимов работы установки. Созданием такой модели установки пиролиза ОИОС занялись специалисты Инжинирингового дивизиона Росатома и ИТЦ «ДЖЭТ».

Опыт ИТЦ «ДЖЭТ», компании — разработчика ядра математической модели установки пиролиза ОИОС пилотного проекта КП ТРО Курской АЭС-1, в разработке подобных решений для объектов атомной и тепловой энергетики, нефтехимии составляет более 30 лет. Одна из важнейших наработок — код для моделирования течений двухфазной смеси в установках произвольной геометрии в присутствии неконденсирующихся газов и примесей. Также хорошо проработано моделирование процессов осушения, гидро- и газодинамики потоков, расчетов материальных балансов. Эти и другие наработки компании ИТЦ «ДЖЭТ» использованы для формирования математической модели установки пиролиза.

Предложенная математическая модель на данном этапе разработки охватывает основной блок переработки ОИОС на установке. В разработанной модели используется доступный на данный момент набор исходных данных — какие-то получены экспериментально, некоторые пополняются по результатам пусконаладочных работ, некоторые взяты из зарубежных источников или аналогичных технологических решений.

Модель может корректироваться и дополняться по исходным данным, получаемым в ходе опытной эксплуатации установки и связанных с ней систем. В части получения уточненных реальных параметров и характеристик основная роль отводится специалистам Инжинирингового дивизиона Росатома, ведущим пусконаладочные работы и опытно-промышленную эксплуатацию. Для более точного моделирования и последующей верификации модели требуется проведение дополнительных научно-исследовательских работ, например таких, как исследование кинетики химических преобразований, термодинамических констант по всем участкам установки и т. п. При дальнейшем развитии модели, кроме уже реализованных расчетов процессов теплопередачи, термо- и гидродинамики, математическую модель будет необходимо дополнить комплексом расчетов химических процессов (деструкция ОИОС в азотной среде, затем окисление газов в камере дожигания, оценка состава образующихся твердых и газообразных составляющих, вовлечение в химические процессы радионуклидов). Предстоит выполнить моделирование работы систем газоочистки.

Перспектива дальнейшего развития модели — учет всех процессов, начиная с изъятия ОИОС из емкостей временного хранения, размыва, транспортировки, возможного засорения коммуникаций и т. д. Это в конечном итоге позволит максимально оптимизировать процессы переработки ОИОС и других отходов, учитывая внешние производственные факторы.

Первые результаты и векторы применения

Развитая математическая модель реального/ускоренного времени и программные продукты на ее основе будут востребованы на всех этапах жизненного цикла объекта. Они позволяют осуществлять комплексный анализ режимов работы установки. Модель актуальна на этапе ПНР и уточнения проектных решений установки пиролиза пилотного КП ТРО, создания проектов последующих аналогичных комплексов, для анализа нештатных ситуаций. На этапе эксплуатации она дает ряд возможностей совершенствования эксплуатационных характеристик проекта, повышения безопасности.

Наличие цифрового двойника на основе математической модели объекта предоставляет для проектирования и эксплуатации установки КП РАО широкие возможности.

Первая — возможность использовать математическую модель и информационные продукты на ее основе для повышения безопасности установки. При наличии в составе установки пиролиза КП ТРО нескольких сотен взаимосвязанных элементов (датчики, исполнительные устройства и др.), при сочетании вероятных отказов устройств гипотетически возможны несколько сотен тысяч сценариев нештатных ситуаций. Исследовать всю совокупность таких сценариев для выработки решений по предотвращению развития аварий невозможно ни на действующей установке, ни на физических моделях, ни даже аналитическим путем. Лишь цифровой двойник, построенный на основе качественной математической модели, позволяет безопасно и незатратно проводить моделирование как штатных технологических операций, так и сложных аварийных ситуаций с сочетанием отказов и отрабатывать правильные действия оператора.

Вторая возможность, которую получают эксплуатирующие организации, а также противоаварийные службы, — это использование цифрового двойника при реальных нарушениях нормальной эксплуатации и авариях для онлайн-моделирования возможного развития событий и выработки противоаварийных мер. В действующей модели, которую сегодня демонстрируют разработчики, уже сейчас просчитываются последствия простых отказов, в частности ситуации с внезапным отключением электронагревателей в процессах разогрева, сушки и разложения смолы, отказ механического миксера, самопроизвольное открытие/закрытие задвижек, засорение трубопроводных коммуникаций. Хотя КП ТРО и не является ядерно опасным объектом, категория радиационно опасного производства требует принятия исчерпывающих мер по обеспечению безопасности, поскольку какие-либо аварийные инциденты на объекте, входящем в состав АЭС, могут отражаться на репутации отрасли в целом.

Третья возможность, также имеющая непосредственное отношение к безопасности и которую тоже предоставит проработанная математическая модель, — это создание как виртуального, так и полномасштабного тренажеров для обучения операторов комплексов обращения с РАО. В основе таких тренажеров, хорошо известных операторам энергоблоков, также лежит математическая модель. На таких тренажерах отрабатываются штатные процессы, проводятся экзаменационные проверки, отрабатываются противоаварийные тренировки. Трудно переоценить и маркетинговое значение полномасштабных тренажеров: именно они демонстрируют будущим заказчикам, как будет действовать их АЭС и ее вспомогательные системы. Вся совокупность этого инструментария дополнит, «упакует» для клиента из эксплуатации этот «продукт» КП РАО подобно тому, как это стало с тренажерами экспортных энергоблоков АЭС российского дизайна.

Следует отметить еще одну существенную возможность цифрового двойника. В состав комплексов обращения с РАО входят (могут входить в разных сочетаниях) различные участки, взаимосвязанные между собой. Для переработки ТРО это участки прессования, дезактивации, сжигания и другие. Для переработки ЖРО могут использоваться установки концентрирования, ионоселективной очистки, фильтрации, отверждения и т. п. Все эти участки связаны между собой транспортными системами, системами радиационного контроля. Участки могут иметь локальные или централизованные системы управления. Существенную роль играют системы энергоснабжения и снабжения инженерными средами. Для оптимизации последовательности выполняемых процессов и обеспечения планирования функционирования системы обращения с РАО в целом в перспективе есть возможность создать цифровые двойники всех технологических участков и интегрировать их в единую информационно-аналитическую модель — цифровой двойник КП РАО для каждого проекта АЭС. Кроме того, такой верифицированный цифровой двойник будет являться востребованным инструментом при формировании обоснования безопасности АЭС.

Для АЭС и не только

После детальной разработки КП РАО математическая модель и продукты на ее основе (цифровой двойник, тренажерные комплексы) могут включаться в комплексное предложение Росатома по строительству энергоблоков, в том числе для зарубежных заказчиков. Наличие цифрового двойника продемонстрирует потенциальным приобретателям современность подхода к качественной проработке проекта КП РАО. В конечном итоге КП РАО, его конфигурация и цифровой двойник должны стать опцией и неотъемлемой частью любой АЭС, которую Росатом возводит в России или за рубежом.

Развитие компетенций и подходов, которые будут наработаны совместно Инжиниринговым дивизионом Росатома и ИТЦ «ДЖЭТ» в ходе создания комплексной математической модели КП РАО и продуктов на ее основе, позволит в дальнейшем формировать аналогичные продукты как для атомной, так и для других отраслей. Например, применение данной технологии пиролиза в переработке трибутилфосфата — органического вещества, которое широко используется при фабрикации ядерного топлива. Активный интерес к производству МОКС-топлива, масштабирование этих процессов в Росатоме уже в ближайшей перспективе поставит вопрос о безопасной переработке и изоляции подобных химических сред. Также актуально направление вне атомной отрасли — создание цифровых двойников для сложных производственных процессов, например таких, как выпуск полимеров. Известно, что с уходом вендоров из стран с недружественными правительствами информационная поддержка ряда высокотехнологических производств и комплексов прекращена. Зачастую такие производственные комплексы поставлялись без тренажеров, обучение персонала и практика проходили за рубежом и теперь недоступны по политическим причинам. Все это открывает актуальную рыночную нишу и мотивирует на дальнейшее развитие компетенций Инжинирингового дивизиона Росатома и ИТЦ «ДЖЭТ» в сотрудничестве с другими компаниями Росатома по математическому моделированию технологических комплексов, созданию цифровых двойников, тренажеростроению.

Разработчики надеются, что их инициатива будет востребована и поддержана дальнейшим финансированием и математическая модель КП ТРО вместе с информационными продуктами на ее основе послужит как повышению безопасности, так и коммерческой эффективности комплексного предложения Росатома.