ВИЗАРТ-РДМ: Цифровой двойник для радиохимии

Общий вид пользовательского интерфейса ПК ВИЗАРТ

Программа учитывает специфические особенности радиохимических процессов, что делает её уникальной для мировой науки, где цифровые двойники такого уровня пока не существуют.

Разработчики

В создании комплекса участвуют:

• Частное учреждение «Наука и инновации»
• АО «ВНИИНМ» (Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов)
• АО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина»
• Другие отраслевые предприятия

Что такое "ВИЗАРТ-РДМ"? 

Это виртуальная модель радиохимического завода, которая позволяет: 

• Анализировать этапы переработки ОЯТ; 
• Оценивать состав и количество реагентов; 
• Рассчитывать объем отходов и параметры технологических процессов; 
• Оптимизировать технологии на стадии разработки и эксплуатации; 
• Минимизировать ошибки, исключив "ручные" расчеты.

Статья про цифровые двойники в промышленности

Как это работает? 

"ВИЗАРТ-РДМ" основывается на технической документации, описывающей производственные процессы и циклы переработки ОЯТ. Алгоритмы программы моделируют технологические операции, позволяя тестировать и совершенствовать методы на виртуальной платформе. Это упрощает проектирование, модернизацию производств и снижает риски ошибок.

Координацией занимается учреждение "Наука и инновации", обеспечивая соответствие программы задачам топливного дивизиона "Росатома". В дальнейшем на основе "ВИЗАРТ-РДМ" создадут полноценное программное обеспечение, которое станет ключевым инструментом для замкнутого ядерного топливного цикла.

Значимость проекта 

"ВИЗАРТ-РДМ" — часть стратегии "Росатома" по цифровизации радиохимической отрасли. Цифровые двойники позволят проверять технологии на математических моделях, ускорять проектирование и повышать безопасность эксплуатации. Это шаг к созданию устойчивых и эффективных радиохимических производств, которые сыграют важную роль в ядерной энергетике будущего. Проект демонстрирует, как передовые технологии могут трансформировать сложные промышленные процессы, делая их более точными, безопасными и экологичными.

Его внедрение позволит:

• Повысить эффективность ядерного топливного цикла
• Упростить процессы проектирования и модернизации производств
• Обеспечить комплексную проверку технологий на математических моделях

Основные функции

Программный комплекс позволяет:

• Оценивать все этапы переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ)
• Анализировать состав и количество реагентов
• Рассчитывать объёмы отходов
• Определять параметры технологических операций
• Оценивать специфические характеристики радиохимических процессов

Преимущества внедрения

• Оптимизация технологий переработки ОЯТ
• Улучшение методов обращения с радиоактивными отходами (РАО)
• Автоматизация расчётов вместо ручного ввода данных
• Минимизация рисков ошибок при реализации проектов
• Повышение эффективности создания и эксплуатации объектов

Перспективы развития

Комплекс постоянно совершенствуется:

• Модернизируются алгоритмы расчёта
• Увеличивается скорость обработки данных
• Улучшается пользовательский интерфейс
• Оптимизируются формы представления результатов

Теория

Программный комплекс "ВИЗАРТ" для моделирования технологических процессов замыкающей стадии ЯТЦ

В качестве расчетного инструмента для обоснования технических и проектных решений технологов, конструкторов оборудования и проектировщиков по технологиям внереакторных переделов ЯТЦ разработан и продолжает развиваться программный комплекс (ПК) ВИЗАРТ, предназначенный для моделирования и оптимизации как отдельных технологических процессов замыкающей части топливного цикла (переработка ОЯТ, рефабрикация топлива и обращение с РАО, включая захоронение), так и технологий ядерного топливного цикла (ЯТЦ).

Задачи ПК ВИЗАРТ определяются тем кругом вопросов, которые решают разработчики технологических процессов и технологических линий при разработке процессов и проектировании облика ЗЯТЦ и при его реализации в рамках опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК) и промышленного энергетического комплекса (ПЭК) – это обоснование реализуемости технологических решений, выбор и оптимизация режимов технологических процессов, оценка решений по организации технологических линий.

Выделяются три группы задач, которые должен решать ПК ВИЗАРТ:

• расчет материального баланса, в том числе в зависимости от времени и с учетом эволюции нуклидных составов материального потока;
• моделирование отдельных технологических процессов и аппаратов для обоснования и оптимизации технологических режимов;
• расчет ключевых показателей технологических линий с учетом характеристик оборудования и различных технологических режимов.

Комплексные технологические процессы, такие как переработка ОЯТ или рефабрикация топлива, при моделировании представляются в виде сложной технологической схемы, состоящей из технологических переделов, связей между ними и технологических продуктов, которые передаются от передела к переделу.

В составе ПК ВИЗАРТ разработан интерактивный конструктор технологических схем, позволяющий в динамическом режиме определять состав модели. При построении модели технологической схемы используются программно-информационные модели технологических процессов, входящие в библиотеку программного комплекса. Для расчета характеристик технологических схем разработан набор специализированных алгоритмов (диспетчеров), позволяющих проводить сквозной расчет характеристик материального потока во всей технологической схеме и характеристик технологических операций с учетом взаимного влияния компонентов технологической схемы.

В зависимости от типа решаемой задачи рассматриваются два основных режима моделирования – стационарный и динамический.

В стационарном режиме не учитываются временные характеристики технологических операций, такие как длительность процесса, периодичность загрузки, расходы материальных потоков. Моделирование в динамическом режиме позволяет определять такие характеристики технологических линий, как непрерывность работы оборудования, потребность в тиражировании узлов и аппаратов, общая продолжительность переработки или производства заданного количества продуктов.

Программный комплекс ВИЗАРТ позволяет решать широкий круг задач, возникающих при разработке, обосновании и оптимизации технологических процессов ЗЯТЦ. В настоящее время программный комплекс используется при подготовке исходных данных для конструирования и проектирования радиохимических переделов ядерного топливного цикла, выборе и обосновании компоновок технологических линий. Конструктор технологических схем и библиотека моделей технологических операций ПК ВИЗАРТ обеспечивают возможность гибко изменять состав расчетной схемы и параметры технологических процессов, тем самым увеличивая количество рассматриваемых вариантов и сокращая время, необходимое для анализа и обоснования принимаемых решений.

Наличие в программном комплексе специализированных модулей для расчета эволюции изотопных составов, активности, тепловыделения позволяет рассчитывать специфические для радиохимических производств параметры, например, максимальное единовременное содержание ядерных материалов в емкостях и аппаратах, с учетом эволюции изотопного состава компонентов ядерного топлива, и, следовательно, изменением химических свойств, характеристик радиоактивности и тепловыделения.

Подобные расчеты используются для оценки влияния тепловыделения продуктов на рабочую температуру процесса и оборудование, для определения конечных форм и объема радиоактивных продуктов, а также для обоснования ядерной безопасности используемых технологий. Применение математических методов оптимизации открывает перспективы для уточнения характеристик технологических процессов, опираясь на интегральные критерии. Для их более эффективного использования необходимо развивать описание целевых функций.

В настоящее время ПК ВИЗАРТ решает, в первую очередь, задачи прогнозного характера, поэтому его аттестация не требуется. Для подтверждения адекватности получаемых результатов расчета с помощью ПК ВИЗАРТ проводятся тестирования на совпадение расчетов, заложенных в алгоритме программы, с расчетами, полученными любым альтернативным способом, или с результатами работы реальных производств. В случае использования результатов расчета при обосновании безопасности технологических объектов аттестация программного комплекса будет необходима.