Введение
Для сложных технологических объектов (установок) при проектировании и планировании их сооружения, модернизации или вывода из эксплуатации (демонтажа) эффективным применением их цифровых исполнительных инженерных моделей (ЦИИМ) является создание на основе ЦИИМ имитационных моделей технологических операций (ИМТО), планируемых к включению в проектную документацию строительства, модернизации, демонтажа. Такие имитационные модели позволяют отрабатывать ключевые аспекты механических операций перед их отражением в проектной документации на строительство, модернизацию и вывод из эксплуатации. На стадии проектирования это позволяет избежать пространственно-временных коллизий, убедиться в работоспособности, безопасности и оптимальности разрабатываемых проектно-технологических решений. А на стадии практической реализации обеспечивает предварительную подготовку персонала, в том числе, к возникновению возможных внештатных ситуаций при реализации технологических операций.
Создание ИМТО требуется, прежде всего, для наиболее сложных проектно-технологических решений строительства/монтажа/демонтажа. Например, таких, как строительство/модернизация в существующих ограниченных строительных объемах и площадях (ранее построенные промышленные здания с пустующими объемами, подгорные выработки, насыщенные действующими установками промплощадки и т.п.), где имеющиеся пространственные ограничения могут существенно влиять на технологию строительства. Другой пример, для которого крайне эффективно применение ИМТО – это вывод из эксплуатации радиационно-загрязненных объектов использования атомной энергии (ОИАЭ). Как и в случае строительства/модернизации объектов в тесненных условиях, демонтажные операции вывода из эксплуатации также могут осуществляться в уже сформированных строительных объемах, но, кроме того, характеризуются высокими уровнями радиационного фона, связанного с нарушением защитных барьеров при демонтаже. В свою очередь, наличие значительного радиационного фона предопределяет, во-первых, безлюдный формат выполнения демонтажных операций, а, во-вторых, требует учета изменения радиационной обстановки на каждом этапе выполнения технологического процесса демонтажа для учета ее влияния.
В этом материале мы представим практический опыт группы компаний «НЕОЛАНТ» - участника Ассоциации «Цифровые активы промышленности» по созданию ИМТО демонтажа графитовой кладки реактора АМБ-100 1-го блока Белоярской АЭС, сформированной и примененной в начале 2010-х гг. для проверки соответствующей технологии демонтажа, разработанной классическим методом двумерного проектирования и конструирования и представленной в виде технического отчета в комплекте с проектно-конструкторской документацией.
Белоярская АЭС - первая в СССР ядерная электростанция большой мощности, расположенная в Свердловской области в 3,5 км от города Заречный и 45 км от Екатеринбурга. Первый и второй блоки ее оснащены уран-графитовыми реакторами АМБ-100 и АМБ-200 («Атом Мирный Большой») и запущены в эксплуатацию, соответственно, в апреле 1964 года и декабре 1967 года. Реакторы АМБ-100 и АМБ-200 стали развитием реактора АМ-1 первой в мире Обнинской атомной электростанции.
Эксплуатация энергоблоков позволила отработать технологию для создания более мощных энергоблоков с уран-графитовыми канальными реакторами: реакторы АМБ стали предшественниками большой серии блоков АЭС с РБМК (реактор большой мощности канальный), включая 1 и 2 энергоблоки Ленинградской АЭС. В силу новизны технологии реакторов АМБ, в 1964 – 1974 годах на реакторе АМБ-100 неоднократно случалось разрушение тепловыделяющих сборок активной зоны. В 1977 году произошло расплавление 50 % тепловыделяющих сборок активной зоны реактора АМБ-200 на втором блоке Белоярской АЭС. В связи с ускоренным исчерпанием ресурса первый блок был остановлен в 1981 году, а второй – в 1989 г. По имеющимся оценкам в графитовой кладке реактора АМБ-100 находится от 100 до 200 кг ядерных материалов в виде просыпей, распределенных по многим локальным зонам кладки.
Наличие просыпей ядерных материалов, как и высокая радиоактивность реакторных конструкций определили разработку в начале 2010-х гг. безлюдной технологии демонтажа графитовой кладки и реакторных конструкций и сбора просыпей ядерного топлива на основе применения дистанционно управляемых роботов БРОКК-50 одноименной немецкой фирмы БРОКК.
К преимуществам этого дистанционно управляемого робота можно отнести компактность и маневренность в пространствах минимального размера, наличие большого спектра дистанционно сменяемых насадок, устойчивость за счет большой площади опоры четырех аутигеров, наличие камер наблюдения на манипуляторе и корпусе робота, упрощающих оператору управление и выполнение операций.
Краткое описание моделируемой технологии
Представленная к имитационному моделированию технология демонтажа, упрощенно описывая, заключалась в использовании для демонтажа графитовой кладки и реакторных конструкций, а также сбора просыпей ядерного топлива дистанционно управляемого робота BROKK, для перемещения которого в рамках шахты реактора служит специальная конструкция - карусель, которая предварительно монтируется в защитном шатре над шахтой реактора, представляет собой настил на домкратах, которых постепенно опускается в глубину шахты, по мере выборки роботом нижележащих слоев графитовой кладки. Настил карусели разделен на сегменты со съемными крышками, открывающими доступ к том или иной части графитовой кладки под снятой крышкой.
При разборке кладки в соответствии с представленной исходной технологией используются три различных навесных инструмента (насадки) робота BROKK:
- Захватом-манипулятором робот опускает и поднимает плиты настила, крышки контейнеров, в которые помещаются изъятые блоки и отпиленные куски стояков СУЗ (системы управления защитой), а также захватывает куски треснувших блоков.
- Цанговым захватом робот захватывает и опускает графитовые блоки, используя отверстия в их центре.
- Циркулярной пилой робот отпиливает верхние части стояков СУЗ (система управления защитой), препятствующих изъятию блоков цанговым захватом.
Согласно технологии, неподвижные камеры наблюдения располагаются под шатром карусели по ее периметру, а насадки меняются роботом автоматизировано с применением специальных универсальных разъемов на насадках и манипуляторе робота.
Задачи имитационного моделирования
Основной задачей имитационного моделирования являлось подтверждение работоспособности разработанной технологии на всех этапах ее выполнения, включая извлечение растрескавшихся или сплавленных графитовых блоков (вес одного графитового блока порядка 80 кг) с учетом кинематики работы манипулятора работа, конфигурации опорных ребер настила карусели, проверки доступности всех зон демонтажа, работоспособности автоматической смены насадок, удобства наблюдения и управления оператора.
Имитационная модель технологических операций демонтажа
Для разработки ИМТО демонтажа графитовой кладки на основе конструкторской документации из архивов Белоярской АЭС и отчетов об обследовании графитовой кладки была разработана детальная модель реактора АМБ-100.
Совместно со специалистами фирмы BROKK была разработана модель робота BROKK-50, учитывающая все его габаритные и кинематические особенности. Также были смоделированы комплект сменных насадок, контейнеров для сбора графитовых блоков и просыпей ядерных материалов и др. элементы, необходимые для имитационного моделирования.
Имитационная модель включала моделирование физики реального мира, которое реализовывало физику твердых тел, не позволяя объектам «проникать» друг в друга, имитировало действие силы тяжести на объекты, движение гусениц, манипуляторов и навесных инструментов робота.
Для обеспечения максимальной достоверности к имитационной модели был подключен пуль дистанционного управления робота, предоставленный фирмой БРОКК.
ИМТО выполнена в двухэкранной конфигурации. Первый экран – это экран отображения трехмерной модели, визуализирующей сценарий рабочего процесса демонтажа. Второй экран – экран графического интерфейса управления ИМТО, предоставляющий возможности по управлению моделированием, установкой камер, осуществлением записи, воспроизведением записанных сценариев и т.д.
ИМТО функционирует в двух режимах: имитации и воспроизведения.
В режиме имитации пользователь с помощью устройства ввода (включая выносной пульт управления BROKK-50) в режиме реального времени управляет роботом, осуществляя операции по демонтажу графитовой кладки. Этот режим позволяет проверить выполнимость моделируемых технологических операций, удобство работы оператора в условиях моделируемой конфигурации оборудования (размещение обзорных камер, элементов освещения и т.д.), а также позволяет моделировать различные аварийные ситуации с извлекаемыми блоками.
В режиме воспроизведения пользователь может просматривать ранее записанные сценарии, имея возможность в любом месте сценария остановить воспроизведение и продолжить имитацию. Этот режим предназначен для анализа отработанных операторами технологических операций и выявления проблемных мест моделируемой технологии с целью ее дальнейшего улучшения.
ИМТО позволяет разместить на настиле карусели одновременно несколько роботов для моделирования их совместной работы, т.е. поддерживает многопользовательский режим работы.
Экран отображения трехмерной модели позволяет отображать данные с различных камер наблюдения для моделирования условий, приближенных к предполагаемым условиям в ходе демонтажа графитовой кладки.
В экране отображения трехмерной модели можно расположить до 4 кадров камер наблюдения одновременно, управляя их размещением с помощью элемента управления камерами, расположенного на экране графического интерфейса.
ИМТО демонтажа позволяет размещать как стационарно расположенные камеры, так и размещать камеры на насадках робота. Также в ИМТО демонтажа добавлена возможность управлять свободной камерой, которая может перемещаться в любых направлениях по «сцене», однако, поскольку при реальном рабочем процессе такой камеры не будет, она носит вспомогательный характер, в основном для обозрения сцены в режиме воспроизведения записанного сценария. В режиме имитации свободная камера может использоваться в случае, если остальные камеры не позволяют дать необходимый уровень обзора для выполнения требуемой операции. При этом все факты включения свободной камеры ИМТО фиксируются и отображаются в режиме воспроизведения, чтобы показать, что для выполнения данной операции текущее расположение камер не подходит, и его необходимо изменить.
Для упрощения определения элементов конструкции, которые мешают выполнению технологических операций, в ИМТО демонтажа реализована система оповещения о коллизиях (столкновениях) объектов. Так, при коллизии движущихся частей роботов с другими объектами на сцене и те, и другие подсвечиваются красным цветом.
На практике многие блоки в шахте реактора находятся в различных аварийных ситуациях. Для отработки аварийных ситуаций при извлечении блоков в графитовой кладке реактора в ИМТО предусмотрен механизм моделирования произвольных аварийных ситуаций. Моделируются следующие типы аварийных состояний блоков кладки реактора:
- трещиноватые блоки;
- «козловые» аварии (слипание нескольких блоков).
Трещиноватый блок при попытке захвата его цанговым захватом имеет вероятность треснуть, развалившись на несколько частей, в зависимости от давления на него со стороны цангового захвата.
При «козловых» авариях происходит спекание несколько соседних блоков в пределах одного или нескольких слоев графитовой кладки в единый массив. Поскольку манипулятор робота имеет ограничение в грузоподъемности, то невозможно поднять достаточно крупный массив спекшихся блоков. В этом случае необходимо ударами насадок разбивать эти массивы на массивы меньшего размера, которые уже можно поднять. Изъятие в ИМТО массива из двух спекшихся блоков изображено на следующем рисунке.
На экране графического интерфейса ИМТО демонтажа расположены элементы управления для управления процессом имитационного моделирования и его настройками.
На экране графического интерфейса ИМТО расположены следующие элементы управления:
- сценариями;
- камерами;
- аварийными состояниями блоков;
- комментариями;
- отображения управляющих воздействий;
- отображения извлеченных отходов.
Элемент управления сценариями предназначен для выбора начальных состояний кладки реактора при отработке технологических операций, а также сохранения отработанных последовательностей и сохранения новых сцен для последующей отработки технологических операций. В элементе управления сценариями отображается иерархическое дерево сохраненных сцен с дополнительной информацией о них, сцены можно запустить в режимах имитации и воспроизведения (см. рисунок 14). По каждому сценарию приводится сводная информация – продолжительность сценария, количество извлеченных блоков, скриншот сцены с одной из камер и т.д.
Элемент управления камерами предназначен для выбора камер, изображение с которых будет выводиться на экран имитационной модели. Он позволяет разместить на экране отображения трехмерной модели от одной до четырех выбранных камер.
Элемент управления аварийными состояниями блоков позволяет в режиме имитации, «на лету» изменять аварийные состояния блоков, делая их трещиноватыми, нормальными или создавая спекшиеся массивы блоков. В режиме воспроизведения данный элемент управления отображает динамику изменения состояния блоков без возможности их изменения.
Элемент отображения управляющих воздействий предназначен для наглядной демонстрации, какие управляющие воздействия реального пульта BROKK производятся в данный момент.
Элемент отображения извлеченных отходов отображает массу и объем извлеченных графитовых и металлических отходов, а также динамику извлечения этих отходов.
Результаты имитационного моделирования представленной технологии демонтажа графитовой кладки реактора АМБ-100
В процессе разработки и применения ИМТО демонтажа графитовой кладки реактора АМБ-100 Белоярской АЭС были выявлены существенные проблемы разработанной технологии демонтажа.
Автоматизированная смена насадок манипулятора робота
В предложенной ранее технологии изначально предлагалось использовать один робот, и с помощью средств автоматической смены насадок устанавливать на него одну из необходимых в данный момент насадок.
В процессе моделирования данных операций было выявлено, что в рамках процессов, происходящих при демонтаже, невозможно осуществить автоматическую смену насадок, поскольку это операция, требующая высокой точности расположения манипулятора робота относительно устанавливаемой насадки, которую невозможно достичь в условиях управления роботом BROKK, используя обзор с телекамер.
В результате имитационного моделирования, по согласованию с разработчиком, была предложена модификация технологии, предполагающая использование трех роботов, на которых сразу будут установлены нужные насадки, без необходимости их смены. Указанный вариант технологии также был воспроизведен на ИМТО и показал лучшие результаты извлечения блоков, несмотря на образовавшуюся сложность координации нескольких роботов.
Сложность работы с неподвижными камерами
В процессе работы с имитационной моделью было выяснено, что набор неподвижных камер не позволяет организовать достаточный обзор для выполнения некоторых операций. В основном, это касается процесса извлечения блоков из графитовой кладки. Из камер, располагающихся на карусели, практически не видно ситуации под настилом. Камеры на насадках предоставляют приближенное изображение, которое не позволяет увидеть картину в целом. По этой причине в процессе работы с ИМТО приходилось использовать, в основном, свободную камеру, которая не реализуема в рамках реального техпроцесса. Вследствие этого была выявлена необходимость переработки схемы расположения камер на основе анализа требуемых ракурсов камер с помощью моделирования технологических операций на имитационной модели.
Низкий процент блоков, которые возможно извлечь с помощью предложенной технологии
Некоторые блоки кладки невозможно извлечь по одной из причин:
- Мешает конструкция карусели (ребра настила карусели).
- Не хватает длины манипулятора робота, чтобы достать блок.
Чтобы определить процент блоков, которые возможно изъять, используя предложенную технологию, были проведены полномасштабные испытания по извлечению блоков кладки реактора в условиях различных ситуаций и составлен отчет, в котором были рассмотрены различные варианты расстановок роботов при изъятии блоков под каждой плитой настила.
Для каждой плиты настила, под которой извлекаются блоки, для каждого варианта расстановки роботов была составлена схема, иллюстрирующая, какие из блоков можно захватить, а какие нельзя. На следующем рисунке изображен пример такой схемы. Красной рамкой обозначены границы плиты настила, под которой происходит поднятие блоков. Синими изображены блоки, которые возможно изъять. Желтыми и фиолетовыми – блоки, которые изъять невозможно, т.к. мешает конструкция карусели. Зелеными изображены блоки, которые невозможно изъять, поскольку не хватает длины манипулятора робота.
Также в результате проведения имитационного моделирования было выявлено, что при наличии в кладке козловых аварий со спеканием трех и более блоков извлечение таких спекшихся кусков в принципе невозможно вследствие недостаточной грузоподъемности манипулятора робота BROKK.
В качестве решения предложено применение раскалывания образовавшихся агрегатов блоков, для чего следует либо предусмотреть наличие дополнительного робота со специальной насадкой типа «отбойный молоток», либо обеспечить необходимую прочность насадки-захвата с тем, чтобы её можно было использовать также и для этих целей.
Выводы
С помощью ИМТО демонтажа было проведено имитационное моделирование технологии демонтажа графитовой кладки реактора АМБ-100 первого блока Белоярской АЭС для верификация первоначально разработанной технологии. По результатам имитационного моделирования было выявлено, что для извлечения в рамках представленной технологии доступно только около 30 % графитовых блоков. По результатам имитационного моделирования была предложена другая конструкция карусели, предполагающая использование монолитной круглой плиты с отверстием в виде сектора круга с центром в центре плиты. Конструкция плиты является поворотной – плита может поворачиваться вокруг своей центральной оси.
Выполненная группой компаний «НЕОЛАНТ» работа по созданию ИМТО демонтажа показывает значимость имитационного моделирования процедур демонтажа ОИАЭ для верификации и оптимизации проектно-технологических решений в их механической части. Однако в сфере ВЭ ОИАЭ сопутствующим важнейшим фактором демонтажа является радиационная обстановка, которую также необходимо представлять и оценивать в трехмерном пространстве имитационной модели на каждом этапе имитационного моделирования операций демонтажа.
За рубежом имитационные модели технологических операций демонтажа, учитывающих радиационный фактор, уже применяются достаточно широко и давно. Например, известны пакеты имитационного моделирования:
- VRDose, Разрабатывается Халденским центром виртуальной реальности Института энергетических технологий (Halden Virtual Reality Center, Institute for Energy Technology, Норвегия) с 2002 года. Пакет предназначен для моделирования радиационной обстановки и ее динамических изменений в процессе производства работ на выделенных участках ОИАЭ, а также планирования и оптимизации работ в условиях влияния радиационных факторов.
- DEMPlus (Decommissioning Expertise Maintenance). Разработан в 2016 году компанией CYCLIFE DS (принадлежит EDF) совместно с Комиссариатом по атомной и альтернативной энергетике Франции (CEA). Ядром инструмента является BIM-модель целевого участка ОИАЭ. Набор дополнительных модулей обеспечивает функционал платформы. Функциональные модули: дозиметрии (расчет и 3D-визуализация), фрагментирования (цифровое сопровождение демонтажа), выявления коллизий, кинематики устройств, расчетов РАО, сметный, планирования, генерации отчетов. Опубликованные показатели эффективности применения DEMPlus (снижение затрат): поиск технологических решений - 30%, практические работы - 20%, воздействие вредных факторов - 30%, переработка и кондиционирование РАО - 30%.
В начале 2010-х годов отечественные расчетные коды моделирования поля мощности эквивалентной дозы гамма-излучения на цифровых моделях ОИАЭ еще отсутствовали. В настоящее время в цифровой платформе Digital Decommissioning разработки Группы компаний «НЕОЛАНТ» реализована возможность на основе трехмерной геометрии помещений объекта демонтажа их его элементов, их массовых и материальных характеристик, а также их известной удельной активности расчета распределения в помещении поля мощности эквивалентной дозы гамма-излучения. Это открывает возможности формирования в рамках цифровой платформы Digital Decommissioning полнофункциональной среды имитационного моделирования операций демонтажа элементов ОИАЭ, учитывающей изменения радиационной обстановки. Такая среда имитационного моделирования позволит проводить детальное сравнение различных вариантов осуществления демонтажных операций, включая пространственно-механическое, радиационное моделирования, подсчет трудозатрат, дозовых нагрузок и объемов образования РАО.