ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «ВИРТУАЛЬНО-ЦИФРОВАЯ АЭС С ВВЭР»

• Отдельные компоненты ПТК «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

В последние годы несомненной тенденцией во всех областях промышленности является их цифровизация. В атомной энергетике одним из перспективных направлений в этой области является создание цифрового двойника АЭС, наличие которого уже в ближайшее время может стать обязательным атрибутом для продажи проектов на международном рынке. Цифровой двойник является виртуальной моделью объекта, позволяющей отслеживать его состояние на всех этапах жизненного цикла с целью предотвращения возможных коллизий данных, оптимизации обслуживания и повышения эффективности использования объекта.

В АО «Концерн Росэнергоатом» задумались о необходимости создания виртуальных моделей АЭС уже давно. В 2009 г. стартовала разработка концепции и технологии «Виртуальной АЭС с ВВЭР». С 2015 г. началась активная стадия проекта с наименованием «Разработка программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР». Основные исполнители работ: АО «ВНИИАЭС» и ИБРАЭ РАН. Финансирование осуществляется за счет средств ФРКП АО «Концерн Росэнергоатом».

Группа разработчиков ПТК «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» из ИБРАЭ РАН и АО «ВНИИАЭС»

Программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» представляет собой совокупность интегрированных в общей среде расчетных кодов, обеспечивающих согласованное моделирование многообразных процессов, протекающих в системах и элементах АЭС с РУ технологии ВВЭР, функционирующую на высокопроизводительной вычислительной системе, рабочие места и видеостену из мониторов с высоким разрешением.

Это полностью отечественная разработка, позволяющая осуществлять расчеты с помощью компактного суперкомпьютера российского производства. Разработка позволяет без каких-либо последствий менять режим работы и прогнозировать изменения состояния оборудования, что, в свою очередь, позволяет сделать действующие АЭС более безопасными на всех стадиях жизненного цикла. Платформа программно-технического комплекса Виртуальной цифровой АЭС станет основной для разработки современных тренажеров оперативного персонала АЭС, что окажет позитивное влияние на качество подготовки персонала, и, как следствие, на уровень безопасности эксплуатации атомных станций. 

Программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» способен решать широкий спектр задач, включая:

• инженерную поддержку Кризисного центра АО «Концерн Росэнергоатом» и формирование сценариев противоаварийных тренировок;
• верификацию проектных решений;
• расчетное обоснование безопасности;
• повышение операционной эффективности, и другие.

Пилотная модель программно-технического комплекса разрабатывается для энергоблока №1 НВАЭС-2.

Состав системы расчетных кодов программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

Система кодов, входящих в состав программно-технического комплекса, позволяет моделировать следующие процессы:

• нейтронно-физические в активной зоне реакторной установки;
• теплогидравлические в оборудовании реакторного и турбинного отделений, в системе помещений защитной оболочки;
• распространения тепла в твэле;
• наработки и выхода продуктов деления в газовый зазор твэла;
• термомеханические в топливе и оболочке твэла;
• распространения продуктов деления по первому контуру и в системе помещений защитной оболочки;
• разрушения активной зоны, поведения расплава на днище корпуса реактора и в устройстве локализации расплава;
• электромеханические в оборудовании электрической части энергоблока.

Все вышеуказанные процессы моделируются согласованно друг с другом. Кроме того, высокоточные коды работают совместно с моделями АСУ ТП и систем второго контура, разработанными в АО «ВНИИАЭС».

Для моделирования нейтронно-физических, теплогидравлических и термомеханических процессов предусмотрена иерархия моделей и  прецизионных расчетных кодов — от инженерных подходов до углубленного моделирования:

• по нейтронной физике: диффузионное приближение, метод Монте-Карло;
• по теплогидравлике: канальное приближение, ячейковое приближение, приближение пористого тела, CFD с RANS моделями турбулентности;
• по термомеханике: 1.5D приближение, 3D приближение на базе метода конечных элементов.

Методы углубленного моделирования (CFD с RANS моделями турбулентности, метод Монте-Карло, 3D приближение на базе метода конечных элементов) позволяют проводить верификацию проектных решений, выполнять оптимизацию конструкции, а также могут использоваться для проведения прецизионных уточняющих расчетов, настройки моделей инженерных методик.

Расчет распределения перемещений с использованием термомеханического кода FEMSolverThermomechanics. 
а) — корпус реактора под воздействием внутреннего давления и термического расширения, вызванного внутренним нагревом;
б) — стальная шестеренка под действием силы тяжести и давления на внутреннюю окружность

Следует отметить, что входящие в состав программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» расчетные коды могут использоваться не только в составе ПТК, но и как автономные программные продукты. Для этих целей каждый из модулей снабжен руководством пользователя и руководством по моделям, верификационным отчетом, графическим интерфейсом пользователя, позволяющим произвести подготовку данных для расчета и визуализировать результаты моделирования.

Особенности программной реализации компонентов программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

Компоненты программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» реализованы на основе методологии объектно-ориентированного программирования на языках С++ или FORTRAN. При этом обеспечена кросс-платформенность как всего ПТК, так и его отдельных компонентов по отношению к операционным системам семейств Windows и Linux. Реализовано распараллеливание компонентов на основе технологий OpenMP и MPI, позволяющих в полном объеме использовать возможности высокопроизводительной вычислительной системы, входящей в состав программно-технического комплекса.

Разработка программ проводится с использованием системы коллективной разработки программного обеспечения SVN, кроме того, в проекте используются специальные процедуры контроля качества, такие как контроль исходных текстов на предмет соответствия шаблонам, автоматическое тестирование и другие.

Текущее состояние разработки и планы дальнейшего развития программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

В 2017 году завершена разработка основных расчетных кодов, формирующих ядро программно-технического комплекса. Первая демонстрация программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» состоялась 23 мая 2018 г. в АО «ВНИИАЭС» (дочернее общество АО «Концерн Росэнергоатом», входит в электроэнергетический дивизион Госкорпорации «Росатом») в рамках проведения 11-й Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2018). В 2018 году завершена разработка последнего из модулей — модуля разрушения активной зоны. Кроме того, в 2018 г. завершены работы по интеграции отдельных программных модулей в состав программно-технического комплекса.

К концу 2018 года были полностью завершены работы по монтажу и наладке технических средств. В конце 2019 г., после завершения работ по верификации программно-технического комплекса и его опытной эксплуатации,  проведены приемо-сдаточные работы. 

В 2019 году на программно-техническом комплексе Виртуально-цифровой АЭС прошло около 100 автономных и комплексных испытаний. Опытная эксплуатация ПТК подтвердила возможность его применения для проведения противоаварийных тренировок и комплексных противоаварийных учений, верификации алгоритмов управления энергоблоком АЭС, верификации противоаварийных инструкций и проектно-конструкторских решений наиболее ответственного оборудования.

Распределение плотности материалов и температуры в УЛР, полученное при выполнении сквозного расчета сценария аварии «Большая течь при разрыве трубопровода первого контура с полной потерей всех источников переменного тока (более 24 ч)»

3 марта 2020 года  программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая атомная электростанция с реактором ВВЭР» принят в промышленную эксплуатацию. Практическое применение виртуально-цифровой АЭС начинается с 1 квартала 2020 года. На базе комплекса организована разработка сценария противоаварийного учения на Нововоронежской АЭС, которое пройдет в 2020 году. В дальнейшем планируется поэтапное внедрение программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» в деятельность Кризисного центра АО «Концерн Росэнергоатом», его тиражирование на другие энергоблоки и решение прикладных задач, стоящих перед АО «Концерн Росэнергоатом».

Научный руководитель ИБРАЭ РАН Большов Л.А. и научный руководитель АО «ВНИИАЭС» Соловьев С.Л.  на первой демонстрации ПТК «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» комиссии во главе с первым заместителем ген. директора по операционному управлению ГК «Росатом» Локшиным А.М. 

Демонстрация ПТК «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» делегации во главе с научным руководителем проектного направления «Прорыв» Адамовым Е.О. и советником генерального директора Госкорпорации «Росатом» Асмоловым В.Г. Докладчик к.ф-м.н. Мосунова Н.А.

Демонстрация ПТК «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» делегации во главе с научным руководителем проектного направления «Прорыв» Адамовым Е.О. и советником генерального директора Госкорпорации «Росатом» Асмоловым В.Г. 

© Отделение разработки программного обеспечения для анализа безопасности АЭС
© Отделение анализа безопасности ядерных энергетических установок