ФГУП «Производственное объединение «Маяк» получило патент на ПО для создания цифрового двойника печи остекловывания РАО, разработанное совместно со специалистами Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ

Федеральным государственным унитарным предприятием «Производственное объединение «Маяк» (ФГУП «ПО «Маяк», входит в госкорпорацию «Росатом») получен патент на «Программу параметризации и автоматизации запуска компьютерных моделей «Цифровая модель печи остекловывания», разработанную совместно со специалистами Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ).

Авторское свидетельство на программу для ЭВМ № 2026615838 зарегистрировано Федеральной службой по интеллектуальной собственности 3 марта 2026 года.

Авторы: Боровков Алексей Иванович, главный конструктор по ключевому научно-технологическому направлению развития СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг», директор ПИШ СПбПУ; Горский Юрий Алексеевич, начальник отдела кросс-отраслевых технологий Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ; Евстратов Дмитрий Сергеевич, ведущий инженер отдела кросс-отраслевых технологий Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ; Ефимов-Сойни Николай Константинович, заместитель руководителя Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ; Никитин Георгий Игоревич, инженер-исследователь отдела кросс-отраслевых технологий Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ; Шайдуллин Сергей Минуллович, ведущий инженер-технолог Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ФГУП «ПО «МАЯК»; Понькин Евгений Игоревич, ведущий инженер-технолог ЦЗЛ ФГУП «ПО «МАЯК»; Поляков Евгений Викторович, начальник группы ЦЗЛ ФГУП «ПО «МАЯК»; Козлов Павел Васильевич, начальник исследовательской лаборатории ЦЗЛ ФГУП «ПО «МАЯК».

Зарегистрированная программа относится к области компьютерного инжиниринга и предназначена для автоматизации подготовки (параметризации и синтеза) конфигурационных файлов программного обеспечения компьютерного моделирования. В программе реализованы модули формирования файлов для взаимодействия с внешними пакетами численного моделирования для исследования тепловых, гидродинамических и электродинамических процессов. Программа содержит модули обработки и структурирования получаемых результатов, формирует графические и табличные представления. Программа применяется на Цифровой платформе CML-Bench® для оптимизации конструктивных и режимных параметров малогабаритных плавителей прямого электрического нагрева.

Напомним, по заказу ФГУП «ПО «МАЯК» в соответствии с целями и задачами Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016–2020 годы и на период до 2030 года» специалистами Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ выполнялась НИР «Разработка архитектуры высокоадекватной мультифизической цифровой модели печи остекловывания».

В 2023 году впервые в инженерной практике петербургскими политехниками была разработана архитектура мультидисциплинарной (мультифизической) цифровой модели печи остекловывания радиоактивных отходов (РАО) – в полном соответствии с ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения», где цифровая модель изделия определена 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».

Остекловывание в боросиликатное стекло – основной метод обращения с радиоактивными отходами (РАО), используемый во всем мире уже на протяжении десятков лет, признанный наиболее безопасным и долговечным способ долговременной изоляции высокоактивных отходов (ВАО). В его основе – перевод жидких радиоактивных отходов в стеклообразное состояние с помощью нагрева до высоких температур (более 1000℃) в специальных печах, что позволяет значительно сократить объем отходов и получить форму, устойчивую к воздействию факторов окружающей среды и пригодную для долговременного хранения.

Проектирование печей остекловывания является нетривиальной научно-технической задачей из-за сложности протекающих физико-химических процессов и высокой стоимости натурных испытаний. Ошибки в эксплуатации могут привести к повреждению оборудования. Создание цифровой модели позволяет исследовать поведение расплава и температурные режимы в виртуальной среде, снижая риски, затраты и сроки разработки.

Этапы проекта:

• На основе анализа мирового опыта проектирования установок остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов разработчики совместно со специалистами заказчика определили проектные режимы работы и условия использования, разработали ключевой элемент цифрового двойника – матрицу требований, целевых показателей и ресурсных ограничений.
• Были определены функциональные взаимосвязи между составными частями конструкции, разработаны и применены математические и компьютерные модели описания физическо-механических процессов, происходящих в процессе эксплуатации печи, таких как электродинамика, гидродинамика, теплообмен, прочность.
• Специалисты Инжинирингового центра СПбПУ разработали методики, определяющие связь измеряемых контролируемых показателей работы печи остекловывания на основных режимах работы с общими техническими характеристиками промышленной установки.
• При помощи многовариантного компьютерного моделирования разработчики смогли восполнить недостаточность результатов натурных испытаний, в частности, при оценке коэффициента теплоотдачи на токоподводах сдвоенного и донного электродов.

«Применение технологии цифровых двойников и разработка полномасштабной мультидисциплинарной цифровой модели с высоким уровнем адекватности реальному изделию и реальным физико-механическим процессам позволяет в значительной мере сократить натурные испытания промышленных конструкций за счет проведения цифровых испытаний на разработанных в процессе выполнения нашей работы цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах, снижая таким образом временные и финансовые издержки и оптимизируя уникальные технические характеристики сложнейшего и ответственного изделия».

Главный конструктор по ключевому научно-технологическому направлению СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг», директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», руководитель проекта

Алексей Боровков

 

Разработанная специалистами Инжинирингового центра ПИШ СПбПУ архитектура цифровой модели легла в основу создания цифрового двойника новой конструкции печи остекловывания и оптимизации режимов работы плавителя, что, по словам руководителя проекта со стороны предприятия-заказчика, начальника исследовательской лаборатории Центральной заводской лаборатории ФГУП «ПО «Маяк» по обращению и кондиционированию радиоактивных отходов Павла Козлова, станет новым этапом в технологическом развитии предприятия с полувековым опытом работ в данном направлении.

В 2023–2025 гг. в рамках НИР «Создание цифровой модели печи остекловывания» по заказу ФГУП «ПО «МАЯК» на Цифровой платформе разработки и применения цифровых двойников CML-Bench® – собственной системе управления деятельностью в области системного цифрового инжиниринга, созданной и развиваемой с 2006 года специалистами Экосистемы технологического развития СПбПУ, – разработана мультифизичная цифровая модель малогабаритного плавителя, включающая взаимосвязанные компьютерные модели тигля, системы охлаждения, установки индукционного нагрева, узла слива, а также модели прочности и ресурса. Модель учитывает тепловые, гидродинамические, электромагнитные и прочностные процессы. Виртуальные датчики позволяют проводить валидацию по натурным данным.

В ходе реализации проекта:

• Отработан подход к созданию ROM-моделей (Reduced Order Models) для ускоренного анализа режимов работы по показаниям датчиков. Построение суррогатной и редуцированной (ROM) модели печи остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов осуществлено на основе сгенерированных с помощью суперкомпьютерного моделирования синтетических данных. Так, один расчет на основе мультидисциплинарной компьютерной модели при помощи передовых НРС-CAE-систем выполняется 6 часов, а при помощи подсистемы CML-Bench®.AI Assistant – всего 5 мс (ускорение в 4+ млн раз).
• Для заказчика создан программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий эксплуатацию, расширение и актуализацию цифровой модели в процессе ее применения.

«Главный практический результат разработки в том, что система позволяет проводить полномасштабные испытания на виртуальных испытательных стендах, многократно проверяя различные сценарии работы и конструктивные решения. Использование технологии цифровых двойников позволяет перенести основную часть инженерных рисков на стадию разработки. Это означает, что и разработчики, и эксплуатанты высокотехнологичного оборудования могут протестировать эффективность различных сценариев работы на Цифровой платформе CML-Bench® и воплотить в реальной установке именно тот, что покажет лучшие результаты цифровых испытаний. В итоге общие затраты на жизненный цикл установки сокращаются, а ее надежность растет в разы».

Начальник отдела кросс-отраслевых технологий Инжинирингового центра (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ

Юрий Горский

 

Цифровая модель уже прошла валидацию у заказчика – ее показатели были сопоставлены с данными существующей опытной установки: расхождения по ключевым параметрам оказались минимальными, что подтвердило ее адекватность.

Подчеркнем, цифровая модель уникального оборудования создана впервые в мире. Технологией остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов обладают ограниченное число стран, и проект ФГУП «ПО «Маяк» и ПИШ СПбПУ направлен на решение важной экологической проблемы государственного значения, связанной с обеспечением ядерной и радиационной безопасности.

По данным ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами» – единственного в России предприятия, обеспечивающего эксплуатацию инфраструктуры финальной изоляции РАО и выступающего заказчиком проектирования и строительства соответствующих объектов, – «в течение нескольких десятилетий развития атомной отрасли на территории Российской Федерации было накоплено более 500 млн куб. м извлекаемых РАО. […] До недавнего времени была принята практика хранения накопленных отходов во временных хранилищах, надежно изолированных от окружающей среды. Срок эксплуатации таких пунктов хранения как правило не превышает 70 лет, в то время как период потенциальной опасности радиоактивных отходов варьируется от сотен до миллионов лет. […] Практика финальной изоляции позволяет перейти от временного хранения РАО к их безопасному и постоянному размещению в специальных инженерных сооружениях, что полностью исключает воздействие на человека и окружающую среду».

• СПбПУ впервые в мире разрабатывает для ПО «Маяк» подходы к созданию цифрового двойника печи остекловывания высокоактивных РАО (Научно-деловой портал «Атомная энергия 2.0», 29.09.2023)
• Цифровая печь. Как двойник печи помогает утилизации радиоактивных отходов (Коммерсант, 07.05.2024)
• Ученые СПбПУ создали первую в мире цифровую модель печи остекловывания радиоактивных отходов (Neftegaz.RU, 18.02.2026)

В научных журналах:

• Горский Ю. А., Евстратов Д. С., Мельникова Н. В., Никитин Г. И., Ефимов-Сойни Н. К., Боровков А. И., Козлов П. В., Шайдуллин С. М., Поляков Е. В., Понькин Е. И. Особенности разработки цифрового двойника эвакуируемого малогабаритного плавителя прямого джоулевого нагрева дизайна ФГУП «ПО «Маяк» // Радиоактивные отходы. 2025. № 2 (31). С. 45–59. DOI: 10.25283/2587-9707-2025-2-45-59.