Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» разработала математические и компьютерные модели подложки толкательной печи спекания и рекомендации по снижению её массы

Результат топологической оптимизации подложки при значении коэффициента трения 0,5 (слева) и 1,5 (справа)

Сотрудники Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) разработали математические и компьютерные модели для топологической и параметрической оптимизации конструкции подложек толкательной печи спекания таблеток смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) топлива. В этом виде ядерного топлива делящийся материал, смесь урана и плутония, представлен в виде нитрида, а не оксида, как в традиционном топливе.  СНУП-топливо считается более перспективным из-за большей теплопроводности, что может повысить эффективность работы реактора, увеличивая его топливную кампанию.

Заказчик научно-технологического проекта – АО «Прорыв» (входит в Госкорпорацию «Росатом»).
Разработка осуществлялась в соответствии с целями проекта Госкорпорации «Прорыв», который предусматривает создание новой технологической платформы атомной энергетики на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах. Такая технология позволит исключить тяжелые аварии на атомных электростанциях, исключить эвакуацию и отселение населения при возникновении аварий на энергоблоке, вырабатывать электроэнергию без накопления облученного ядерного топлива и многократно повторно использовать отработавшее ядерное топливо, что снимет проблему ограниченности ресурсной базы атомной энергетики.

Ускоренное развитие высокотехнологичной промышленности зависит от темпов перехода на современную технологическую основу и на передовые отечественные цифровые решения. Руководство страны ставит задачу обеспечить массовое внедрение российских ИТ-решений во всех стратегических отраслях. Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и Госкорпорация «Росатом» принимают активное участие в этой работе, координируя создание импортозамещающего программного обеспечения (ПО) для различных применений. В дополнение отметим, что в 2024 году на предприятии Госкорпорации «Росатом» – АО «Прорыв» – введена в эксплуатацию система управления данными и процессами расчётных и экспериментальных научных исследований «УРАНИЯ», в основу которой легла Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®  – собственная разработка инженеров Политехнического университета.

Руководитель проекта – главный конструктор по ключевому научно-технологическому направлению «Системный цифровой инжиниринг», директор Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков,
ответственный исполнитель проекта – начальник отдела системного инжиниринга Инжинирингового центра (CompMechLab^®) ПИШ СПбПУ Дмитрий Журавлёв.

Реализация проекта осуществлялась на базе Цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® с использованием передовой технологии цифровых двойников в соответствии с ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения», в котором

цифровая модель изделия определяется как «система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов цифровых и (или) иных испытаний по ГОСТ 16504 выполнена оценка соответствия предъявляемым к изделию требованиям».

Цифровая модель является  ключевым элементом цифрового двойника изделия. Технология цифровых двойников выступает драйвером устойчивого экономического развития высокотехнологичных компаний России в условиях ориентации на достижение технологического лидерства нашей страны.

С целью уменьшения износа внутренних частей толкательной печи спекания при высоких температурах (до 1950^°С) проведены работы по снижению массы подложки. Из анализа научных публикаций определены диапазоны возможных значений физико-механических свойств применяемых материалов (вольфрама для подложки, диоксида циркония для скользящей кладки печи) и коэффициентов трения в указанных условиях эксплуатации. Оптимизация конструкции проведена с учетом технологических ограничений на расположение конструктивных элементов и технологических особенностей обработки материалов.

Подложка и лодочка толкательной печи спекания

• «Полученные результаты оптимизации конструкции подложки толкательной печи спекания СНУП-топлива открывают новые перспективы для повышения безопасности, эффективности и экономичности ядерной энергетики. Снижение массы подложки уменьшает износ оборудования, что в конечном итоге приводит к уменьшению себестоимости производства ядерного топлива, а также повышает безопасность процесса производства.
• Внедрение цифровых технологий, прежде всего, передовой технологии цифровых двойников в процесс проектирования и оптимизации оборудования позволяет сократить время разработки новых изделий с улучшенными характеристиками. Благодаря разработке и применению математических и компьютерных моделей инженеры могут оперативно оценивать различные варианты конструкции, обоснованно предлагать  оптимальные решения и проводить необходимые корректировки в цифровой среде, не прибегая к дорогостоящим натурным испытаниям»,
  – заключил Дмитрий Журавлёв.

В условиях отсутствия однозначных данных о физико-механических свойствах материалов проведены расчеты для граничных значений диапазонов, определенных статистическими методами. Минимальное значение коэффициента трения в паре «вольфрам – диоксид циркония» было подтверждено экспериментально. Инженеры предложили 5 вариантов конструкции подложки, позволяющие в зависимости от применяемых способов обработки существующих изделий (или при изготовлении новых) снизить массу от 15% до 65%.

• «Использование современных технологий в конструировании изделий и оборудования, основанных на создании и применении математических и компьютерных моделей, позволяет существенно ускорить процесс разработки нового инновационного оборудования и значительно снизить затраты, и минимизировать риски на этапе эксплуатации.
• На основе проведенных оптимизационных расчетов получены варианты конструкции  подложки, снижающие массу исходной конструкции до 50% с обеспечением необходимой прочности и работоспособности изделий, что существенно уменьшает стоимость продукции.
• По результатам апробации технологии изготовления изделий облегченной конструкции и натурных испытаний на эксплуатационных режимах данный подход будет внедрен при разработке и модернизации другого оборудования с целью его оптимизации по конструкторским и технологическим параметрам»,
  – рассказал главный технолог проектного направления «Прорыв» Юрий Мочалов.

Новости по теме:

– Представлена разработка в области оптимизации работы атомных реакторов, 
https://nauka.tass.ru/nauka/24414111?ysclid=mcq5p68hvu777594989
– В Санкт-Петербургском политехе с помощью технологии цифровых двойников оптимизировали конструкцию детали для печи по изготовке СНУП-топлива, 
https://www.atomic-energy.ru/news/2025/07/04/157315
– Атом без эвакуации. Новая технология снижает риски катастроф на АЭС, 
https://poisknews.ru/fizika/atom-bez-evakuaczii-novaya-tehnologiya-snizhaet-riski-katastrof-na-aes/?ysclid=mcq5u8gb4y825592880
– Цифровые двойники помогли улучшить деталь для производства ядерного топлива
https://neftegaz.ru/news/tsifrovizatsiya/893167-tsifrovye-dvoyniki-pomogli-uluchshit-detal-dlya-proizvodstva-yadernogo-topliva/?ysclid=mcq5ypkehe24013730

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий.