Трансформация инноваций

В первые годы финал «Иннолидера» проводился на молодежном форуме «Форсаж». Участники целую неделю общались и готовились к защите проектов в полевых условиях. В прошлом году защиты проходили в рамках молодежного конгресса в Санкт-Петербурге.

В этом году очная программа конкурса проводилась в Москве и длилась три дня (два из них — образовательные мероприятия: семинары, мастер-классы, встречи с экспертами).

Стоит отметить: проекты, участвовавшие в конкурсе-2019, стали принципиально другими. В первые годы было много глобальных, очень дорогих, но трудноосуществимых проектов; они привлекали широтой мысли и грандиозностью идей, но грешили нечетким горизонтом выполнения. С тех пор инноваторы как будто повзрослели: в проектах этого года очень мало прожектерства, они детально продуманы и просчитаны, содержат полные экономические выкладки. Инноваторы стали думать на тему прибыли, и оказалось, что даже разработки, предназначенные для глобальных исследовательских проектов, имеют вполне реальные коммерческие ­перспективы.

По всей стране (и, разумеется, в Росатоме) полным ходом идет цифровизация, и этот тренд тоже отчетливо виден в проектах 2019 года. Охват тем, интересных инноваторам, по-прежнему очень широк: от инженерных конструкций для строительства АЭС до усовершенствований в области ­бэкенда.

«Атомный эксперт» публикует топ-5 самых интересных выступлений инноваторов.

Не только для ITER

Проект: спектрометр нейтронов на основе кристалла стильбена.

Автор: младший научный сотрудник частного учреждения ITER, младший научный сотрудник АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» Андрей Ковалев.

«Спектр нейтронов — одна из основных характеристик нейтронного поля. По данным о спектре нейтронов можно восстановить физические характеристики источника нейтронов, измерить эквивалентную дозу в месте расположения детекторов.

Попробую объяснить принцип работы спектрометра на простом примере. Когда в автомобиле вы нажимаете педаль газа, то стрелка на спидометре ползет вверх. Наш прибор показывает, как идет процесс синтеза, сколько реакций происходит в плазме и другие параметры. По аналогии с машиной, это скорость (или мощность) термоядерной установки.

Наш спектрометр предназначен для измерения спектра нейтронов в диапазоне от 1 до 15 МэВ. Ключевой элемент этого спектрометра — кристалл стильбена, и у него есть ряд преимуществ: эффективность регистрации нейтронов, работа в условиях повышенного флюенса и короткая длительность сцинтилляции. То есть это долговечное, высокоэффективное устройство. Кроме того, все компоненты сопутствующей электроники нашей разработки можно реализовать на отечественном оборудовании.

Наше изделие может использоваться как для решения научно-технических задач, так и в гражданской сфере. Потенциальные потребители: экспериментальные стенды и термоядерные установки, источники нейтронов для геологоразведки и центры ядерной медицины.

Сейчас, на этапе внедрения наших разработок на действующих экспериментальных установках термоядерного синтеза, мы ведем активные переговоры с корейскими, китайскими, японскими партнерами, представители европейских стран также проявляют к спектрометру интерес.

Что касается гражданской сферы, в России активно ведется разработка комплексов терапии онкологических заболеваний быстрыми нейтронами. Для таких комплексов актуальна проблема измерения эквивалентной дозы нейтронов. В этом направлении мы активно сотрудничаем с коллегами из Обнинска. Мы разрабатываем „глаза“ оператора: нейтроны невидимы; наша разработка поможет определить, как они повлияют на облучаемый объект, и зарегистрировать нейтроны, вылетающие из детектора.

Также нейтронные генераторы применяются при геологоразведке. Например, на марсоходе Curiosity установлены генераторы нейтронов производства ВНИИА им. Н. Л. Духова: нейтроны отражаются от почвы Марса и детектируются системами, подобными нашей; изучив спектр частиц, можно сделать выводы о составе почвы Марса.

Себестоимость нашей продукции сравнительно низка по сравнению с другими типами детекторов: это 1−2 млн руб., включая конечную поставку — с программным обеспечением и „руководством пользователя“. У нас есть опыт как в области разработки детекторов, так и в их интеграции, подключении к электронике (чтобы спектр выводился на компьютер), в написании современного программного обеспечения (чтобы оператор мог обращаться с нейтронным спектрометром, не будучи его разработчиком).

На данном этапе развития проекта мы предоставляем услугу по измерению параметров источника. Стоимость этой услуги — 265 тыс. руб. Однако в перспективе мы планируем продавать готовое коммерческое изделие, помещающееся в чемоданчик, бóльшую часть пространства которого занимает ноутбук. В этом случае стоимость продукта будет, естественно, гораздо выше.

Увеличится и объем рынка; сейчас мы оцениваем его в 398 млн руб.».

Старое важнее нового

Проект: материаловедческая сборка реактора БН-600.

Автор: инженер-конструктор пятой категории АО «ОКБМ Африкантов» Дмитрий Максимцев.

«2020 год станет юбилейным для реактора БН-600: сейчас идет сороковой год его эксплуатации, первоначально назначенный срок службы — 30 лет. Продление эксплуатации реактора не только несет экономическую выгоду, но и заставляет решать технические задачи, связанные с обоснованием более длительной эксплуатации. Вариант решения одной из этих задач я и хотел бы представить.

Срок службы реакторной установки в целом определяется сроком службы незаменяемых корпусных конструкций реактора.

Такое оборудование работает в условиях повышенных температур и нейтронного облучения, а также под воздействием нагрузок накапливает повреждения, негативно влияющие на изменение механических свойств металла. К незаменяемому оборудованию относятся корпус реактора, опорный пояс, напорный трубопровод, внутрикорпусная защита, опора теплообменника, нейтронный отражатель (подпорка), коллекторы и напорная камера.

Срок службы реакторной установки обоснован до 2025 года, однако ее стабильная работа позволяет поставить вопрос о продлении этого срока. Для решения данного вопроса нужны серьезные, представительные материаловедческие исследования.

Очевидно, что расчетных обоснований недостаточно. В реакторе при его пуске не были предусмотрены образцы-свидетели незаменяемого оборудования, а из работающих элементов невозможно извлечь часть металла для его оценки. Решению данной проблемы могут помочь состаренные фрагменты металла теплообменника, извлеченного из реактора в 2006 году. Из этих состаренных фрагментов можно изготовить материаловедческие образцы. Таким образом, цель моего проекта — создание конструкции для облучения в активной зоне материаловедческих образцов из металла критических элементов реактора.

В качестве критического элемента мы выбрали нейтронный отражатель — это одна из наиболее ответственных единиц внутрикорпусного оборудования, определяющая положение сборок в активной зоне реактора и находящаяся в самых сложных радиационных и температурных условиях.

Конструкция материаловедческой сборки представляет собой наружную геометрию штатной сборки ТВС; она состоит из головки, шестигранного чехла и хвостовика, но внутри вместо твэлов расположены три комплекта материаловедческих образцов. Они разнесены по высоте, что обеспечивает необходимый температурный и радиационный ­режим облучения. Подогрев осуществляется за счет соседних тепловыделяющих ­сборок.

Дополнительно необходимо изготовить контрольные, или эталонные, комплекты для получения информации о свойствах стали в исходном состоянии.

Результатом материаловедческих исследований станет оценка консервативности прогнозов характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости конструкционных материалов. Конечным результатом проекта должна стать контрольная материаловедческая сборка. Ожидаемый эффект — подтверждение прогнозных характеристик физико-механических свойств стали подпорки реактора БН-600 и продление срока его службы до 60 лет.

Преимущество проекта: высокая представительность материаловедческих исследований, проводимых на состаренном металле, ­эксплуатировавшемся непосредственно в реакторе.

В 2017 году были разработаны техническое задание и технический проект сборки, в этом году они откорректированы, подготовлена техническая документация для заключения договоров. Ко второму полугодию 2020 года мы планируем изготовить и поставить сборку на БАЭС для облучения, а к 2024-му — получить результаты исследований.

Ориентировочная стоимость проекта — 18 млн руб., а его экономическая эффективность (при удовлетворительных результатах материаловедческих исследований) определяется сроком продления службы реактора (ориентировочно до 60 лет) и оценивается в несколько миллиардов рублей».

Зонтик для АЭС

Проект: погодное укрытие для защиты строительных конструкций реакторного здания от неблагоприятных погодных условий.

Автор: Юрий Антонов, АО «Атомэнергопроект», филиал ВНИПИЭТ.

«Росатом осуществляет масштабную программу строительства сооружений по всему миру, в портфеле зарубежных заказов — 36 блоков, центр потенциальных заказов смещается в Восточную и Юго-Восточную Азию. Идет реализация проектов АЭС „Куданкулам“ в Индии и АЭС „Руппур“ в Бангладеш, планируется строительство атомной электростанции во Вьетнаме. Строительство атомных блоков в этих регионах сопряжено с рядом негативных факторов, один из которых — климатический: с июня по октябрь там длится сезон муссонов с обильными осадками: 25 мм/мин или 1,5 м/ч (за час может наполниться водой бочка объемом 1,5 м³!).

Обильные осадки чреваты подтоплениями территорий и затоплением строительных конструкций. Их длительный контакт с влагой и проникновение внутрь воды могут привести к ухудшению свойств строительных материалов и последующему разрушению.

Кроме того, на строительной площадке идут технологические процессы, требующие сухих помещений (сварка трубопроводов, монтаж оборудования, бетонирование строительных конструкций и другие). Из-за этого интенсивность строительных работ в период муссонов значительно падает.

Чтобы исключить эти негативные факторы, АО „Атомэнергопроект“ предлагает конструкцию укрытия, которое, как зонтик, накрыло бы здание реактора и не позволило его затопить. Этот проект в значительной степени отличается от существующих прототипов укрытий. Отказ от громоздких и массивных металлических ферм, использование вантовой системы облегчают строительные конструкции и снижают их металлоемкость.

Укрытие состоит из телескопических трубных опор, расположенных вдоль здания реактора; на них крепится двухполосная система висячего покрытия (по типу вантового). Верхняя нить — несущая, нижняя предназначена для создания двускатной кровли, ­отводящей воду.

Еще один немаловажный фактор: данное укрытие позволяет продолжать строительно-монтажные работы благодаря сдвижным полосам, сделанным из специальной армированной ткани. Каждую полосу можно сдвинуть, как гармошку, и выполнить монтаж и демонтаж оборудования, а также бетонирование той или иной конструкции.

Данная разработка уникальна — это подтвердил патентный поиск. Мы подали заявку на патент.

Конструкция погодного укрытия разрабатывалась в рамках проекта „Организация строительства для стран с неблагоприятными погодными условиями“. Стоимость разработки составила 7 млн руб.

Дальнейшее финансирование и реализация проекта были приостановлены.

Исключение из строительно-монтажных работ остановок и простоев, связанных с погодными условиями в регионе строительства АЭС, позволит сократить сроки и стоимость работ. Предварительные расчеты показали, что экономия может составить $ 0,5 млн в месяц».

Улучшая коллайдер

Проект: разработка нового поколения Nb3Sn- сверхпроводников для коллайдеров будущего.

Автор: Мария Крылова, научный сотрудник АО «ВНИИНМ им. академика А. А. Бочвара».

«Сейчас идет модернизация Большого адронного коллайдера; это кольцо с длиной окружности 27 км, в котором ускорительная система состоит из порядка 1300 дипольных магнитов, основанных на ниобий-титановых сверхпроводниках — „рабочих лошадках“ всех современных установок. Однако у этих сверхпроводников есть ограничения по верхним критическим полю и температуре. Основная цель модернизации коллайдера — повышение статистики и силы столкновения частиц, что позволит изучать редкие явления. Для этого все магнитные системы планируется заменить на более высокопольные Nb₃Sn-сверхпроводники.

Что представляет собой единичный магнит? Метр в ширину, порядка 10−15 метров в длину, внутри — две вакуумные трубки, внутри которых, в свою очередь, в противоположных направлениях разгоняются частицы. Вокруг этих трубок расположены магнитные обмотки, состоящие из единичных композитов, скрученных в кабель Резерфорда. Каждый композит представляет собой систему повторяющихся модулей, внутри которых порядка 35 тыс. ниобиевых волокон, окружающих сердечник олова, и все это — внутри бескислородной медной стабилизационной оболочки.

К каждому стенду предъявляется ряд требований по геометрическим и электрофизическим параметрам. Самый важный параметр — это плотность критического тока, в данном случае — 2500 ампер на 1 мм². Для сравнения: в сверхпроводниках для магнитной системы ITER плотность критического тока была порядка 1000 ампер на 1 мм². То есть достичь плотности тока в 2500 ампер на 1 мм² — это вызов для всех мировых компаний.

В чем особенности технологий получения Nb3Sn- сверхпроводников? Для того чтобы достигнуть высокой токонесущей способности, пришлось полностью поменять метод изготовления, что потребовало работы с чистым оловом. Олово, медь и ниобий обладают совершенно разными механическими свойствами, и соединение Nb3Sn чрезвычайно хрупкое: оно не выдерживает деформации более 1%, поэтому необходимо пользоваться композиционными технологиями. Это многостадийный сложный процесс совместной деформации: олово закладывается на предпоследней стадии, так как работать с легкоплавким материалом в композите довольно сложно. А формирование монолитной заготовки происходит на финальной стадии изготовления — во время холодной пластической деформации.

Сверхпроводник рождается в ходе длительной термообработки. Происходят метаморфозы: в центре вместо олова в результате диффузии меди формируется бронза, а олово уходит в ниобиевые волокна. Мы провели комплекс исследований, изучая влияние различных термообработок на структуру и свойства сверхпроводников. В результате была разработана наилучшая термообработка. Она длится порядка восьми дней. Именно эта термообработка позволила не только достичь высокой токонесущей способности, но и сохранить стабилизирующие свойства.

Конструкцию и технологию изготовления Nb₃Sn-сверхпроводников методом ВИП мы разработали в АО"ВНИИНМ» и внедрили на производственной площадке АО ЧМЗ.

В 2017 году мы поставили в ЦЕРН 20 км Nb₃Sn-провода, полностью удовлетворяющего спецификации Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC). Выполнение этих требований дает возможность участвовать в проекте Циклического коллайдера будущего, Future Circular Collider (FCC), проект которого будет запущен после окончания программы БАК.

Успешная спецификация в FCC (проект предполагает участие шести-восьми фирм) позволит, во‑первых, создать новую конкурентоспособную технологию (защищенные РИД); во‑вторых, получить доступ к участию в проекте FCC с промышленным выпуском 6000 кг Nb3Sn-провода для магнитов ускорителя (цена ЦЕРН ~€ 2 тыс./ кг).

Общая коммерческая перспектива оценивается в 25−46 млрд руб.".

Полезный двойник

Проект: использование концепции «цифровой двойник» при разработке и оптимизации конструкции оборудования атомных энергоустановок.

Автор: кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НИКИЭТ» Дмитрий Огнерубов.

«Что такое цифровой двойник? Это математическая модель оборудования, повторяющая геометрию и физические принципы работы исследуемой установки. У цифровых двойников есть ряд неоспоримых преимуществ: используя их, можно найти и устранить ошибки в работе дорогостоящего оборудования без его остановки и проведения физических экспериментов; исследовать принципиально неизмеряемые величины, такие как температура в объеме активной зоны ядерного реактора; улучшить физические характеристики оборудования; оценить оставшийся ресурс оборудования и спрогнозировать его работу в результате различных действий персонала.

Цифровые двойники в области теплофизики реализуются на базе методов вычислительной гидродинамики, CFD (Сomputational Fluid Dynamics).

Возможности CFD-моделирования достаточно обширны; это, например, учет сложных теплофизических процессов или создание 0-, 1-, 2- и 3-мерных расчетных моделей, стационарная и нестационарные постановки задачи в рамках одного проекта для оптимизации процесса вычисления и увеличения точности расчета. Для CFD-моделирования используются современные программные комплексы, такие как ЛОГОС, ANSYS CFX/Fluent, Siemens Star-CCM+, и программные продукты собственной разработки. Общее количество разработанного ПО данного типа в мире исчисляется тысячами.

Мой вклад в исследование заключается в следующем: я лично отработал технологию существенного (~1000−10 000 раз) ускорения трехмерного моделирования теплогидравлических задач („цифровых двойников“), что позволило ускорить расчет полномасштабных энергоустановок до уровня, близкого к режиму реального времени.

Данная технология позволит создать цифровой двойник энергетического оборудования (в случае необходимости), а также разработать превентивную модель управления энергоустановкой с предварительной проверкой действий оператора на цифровом двойнике перед изменением параметров оборудования.

Как создается цифровой двойник? Это CAD-модель, для которой строится расчетная сетка, в дальнейшем ставится задача в препроцессоре, осуществляются моделирование/симуляция с использованием решателя и обработка результатов.

Наш проект концептуально отличается от ряда аналогичных. Во-первых, так как наиболее ресурсоемким является процесс расчета модели, мы предлагаем использовать нестандартный подход к моделированию теплогидравлики, что ускорит расчет до 10 000 раз. Во-вторых, используя достижения современного ПО, предлагается организовать рабочую группу для решения комплексных, междисциплинарных задач в рамках одного продукта: теплогидравлика, нейтронная физика, прочность и так далее — то есть тех задач, решение которых актуально для промышленности.

Базис проекта уже заложен: в АО „НИКИЭТ“ есть рабочие группы по моделированию теплогидравлики, прочности, нейтронной физики. Имеются необходимые вычислительные ресурсы и программное обеспечение.

Потенциальные клиенты — крупные и средние российские компании, работающие в области инжиниринга. В перспективе мы видим возможность выхода на международный рынок.

Конечный продукт разработки цифрового двойника — цифровая физическая модель, повторяющая основные принципы работы энергоустановки, расширяющая знания о ней.

Основным конкурентом разработки на территории РФ я считаю группу разработчиков ВВЭР-ТОИ (проект цифровой АЭС), где реализованы трехмерные цифровые двойники теплофизического оборудования, скорость моделирования которых на порядки выше нашей методики. Однако это не прямой конкурент: в проекте ВВЭР-ТОИ высокая скорость моделирования достигается „грубой“ сеткой и мощными вычислительными ресурсами, в то время как мы предлагаем другой метод решения задачи.

На международном уровне конкуренты — это новые продукты ANSYS Discovery, в которых реализованы методы CFD-моделирования и расчета прочности конструкции в режиме реального времени. Но данный программный продукт позиционируется как средство разработки эскизного проекта ввиду недостаточной точности моделирования. Кроме того, появились новые методы решения задач гидродинамики и теплообмена в Лагранжевой постановке задачи (например, Simulia XFlow), позволяющие производить моделирование в режиме, близком к реальному времени. Однако данные методы, несмотря на все их преимущества, недостаточно развиты и требуют существенных вычислительных ресурсов.

Ориентировочные сроки реализации проекта — два-три года. Планируемые расходы по проекту — 5 млн руб./ (чел·год). Планируемые доходы по проекту — 7 млн руб./ (чел·год). Помимо очевидных эффектов от внедрения, таких как выход на новые рынки, увеличение доходов предприятия и повышение производительности труда, есть и другие: выполнение работ за пределами отрасли и создание цифровых двойников высокого уровня сложности должны привести к появлению принципиально новых для отрасли идей. Кроме того, цифровые двойники улучшают проработку энергоустановок, что приводит к увеличению срока их службы, повышению безопасности, уменьшению металлоемкости и сопутствующих затрат».