
Ядерная энергетика — отрасль, которая может кардинально изменить саму концепцию источников энергии будущего. До недавнего времени ресурсы, связанные с ней, считались невозобновляемыми, но российские специалисты буквально разрушают этот взгляд. Как «новый атом» обеспечит Россию и все человечество энергией на тысячелетия, может ли атомная энергетика быть безопасной и как во всем этом замешаны роботы, «Миру робототехники» в эксклюзивном интервью рассказал главный технолог проектного направления «Прорыв» госкорпорации «Росатом» Юрий Мочалов.
— Расскажите о проекте «Прорыв». Чем он интересен для госкорпорации «Росатом» и для развития ядерной энергетики в целом?
— Прежде всего проектное направление «Прорыв» — это новое качество атомной энергетики. Сегодня вся наша отрасль работает в открытом цикле: сырье добывается, превращается в топливо, топливо загружается в АЭС, вырабатывается электричество, а выгруженное облученное топливо направляется на склад для долговременного хранения. Задача проекта — сделать цикл замкнутым, то есть использовать топливо, один раз облученное в реакторе, как исходное сырье для изготовления новых порций свежего топлива. Вот это замыкание топливного цикла и использование реакторов уже не на тепловых, а на быстрых нейтронах позволяет нам говорить о новом качестве атомной энергетики.
Есть пять ключевых моментов, которые являются постулатами нашего проектного направления:
- Полностью избежать техногенных аварий, связанных с эвакуацией населения. Мы создаем технологии и самое главное оборудование (особенно реакторной части), в которых не может быть аварий, влекущих за собой выброс радиации.
- Расширение топливной базы. В реакторах на тепловых нейтронах используется уран-235, который в общем содержании урановой руды составляет всего 0,7%. Мы обогащаем уран и в топливе получаем порядка 4,4%. Оставшийся отвальный уран — уран-238 — хранится невостребованным на специальных площадках. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют вовлечь уран-238 в цикл. Это переворачивает всю концепцию топливной базы мировой энергетики. Энергетический потенциал запасов нефти, угля и газа в этом случае составит не более 14%. 86% — это потенциал урана-238. Мы будем обеспечены топливом на десятки тысяч лет.
- Радиационно-эквивалентное приближение к захоронению отходов. Большую часть активных веществ — уран и плутоний — мы используем. А та часть, которая находится за ураном, — так называемые минорные актиниды, являющиеся долгоживущими изотопами, требующими создания специальных барьеров безопасности с точки зрения радиоактивности — просто выжигается в реакторах на быстрых нейтронах.
- Невозможность использования атомных технологий для производства ядерного оружия. Поэтому технологии закладываются таким образом, чтобы избежать выделения наиболее опасного вещества — плутония.
- Конкурентоспособность. Атомная энергетика должна конкурировать с возобновляемыми источниками и газовой генерацией энергии.
Отсюда и проистекает наш интерес к роботизации. Мы рассматриваем ее как долгосрочный источник конкурентоспособности, возможность достижения безопасных технологических операций, исключения ошибок и облучения персонала.
— Что делается для того, чтобы воплотить постулаты, о которых вы говорили выше, в жизнь?— Создается опытно-демонстрационный энергетический комплекс (ОДЭК) в ЗАТО Северск Томской области на площадке Сибирского химического комбината. Это первое промышленное замыкание топливного цикла с использованием быстрого реактора. На одной площадке будут расположены модуль фабрикации, реактор «БРЕСТ-300» и модуль переработки. Задача проектного направления — создать промышленные энергокомплексы, в состав которых будут входить реакторы большой мощности. «БРЕСТ» — это промежуточный реактор мощностью 300 МВт. А промышленный энергокомплекс — это два реактора по 1200 МВт и модули, которые обеспечивают реализацию замкнутого топливного цикла.
Модуль фабрикации будет запущен в 2024 году. В 2026-м произойдет физический пуск «БРЕСТа», а модуль переработки появится к 2030 году. Он будет практически полностью основан на роботизированных линиях.
— Так как мы заговорили о роботизированных линиях, спрошу: а какую, собственно, роль во всем этом играет роботизация?
— Начиная работы по роботизации, мы пошли двумя путями. Первый — создание макетов и «боевых» образцов робототехнических изделий. Второй — их применение при конструировании оборудования путем создания робототехнических комплексов (РТК) и робототехнических линий на их основе, которые потом будут использоваться при проектировании производств.
Пока уйду от техники и вернусь к проектным работам, потому что они прежде всего дали нам возможность оценить конкурентоспособность направления.
Совместно с коллегами из АО «Диаконт» были разработаны и предложены в качестве основной технологической рамки подходы на основе безлюдного производства и технологического ядра производства. То есть все запланированные проектные операции по технологическим картам, ремонту и обслуживанию оборудования и РТК в пределах технологического ядра осуществляются роботизированными системами. При этом оборудование, его установка и размещение проектируются таким образом, чтобы обеспечить доступность не для человека, который может быть более гибким и креативным, а именно для роботов, работающих по заданным программам.
Проектирование безлюдного производства — это новая культура. Здесь взаимосвязаны конструкторы, разработчики робототехнических систем и проектные организации, которые создают конечные решения.
Эта концепция позволила нам провести некоторые оценки. Что они показали? При использовании роботов площадь технологического ядра и всех основных производственных помещений сокращается в 3–4,5 раза. Хотя, казалось бы, робот более неповоротливый, не может срезать углы, как человек. Но тем не менее это так. Особенно с учетом того, что человека надо помимо рабочего места обеспечить еще многим другим.
Понятно, что совсем исключить человека на вспомогательных и остальных участках не удается. Однако численность персонала снижается более чем в 4 раза. И человек уже непосредственно не связан с технологическими операциями. Ему не требуется ходить туда, где опасно. Достаточно просто наблюдать с помощью телевизионных и иных систем.
Самое главное, что в этом случае мы получаем эффект от локализации технологического ядра на одном этаже. На других этажах мы спокойно достраиваем все необходимые технологические вспомогательные модули.
— Расскажите подробнее о процессе работы робототехнических линий?
— Там, где робот имеет дело непосредственно с изделием, самый простой вариант роботизации. Почему легко роботизирована автомобильная промышленность? Роботы работают непосредственно на сборке конечного изделия, сочленяя детали или агрегаты в определенной последовательности. У нас при производстве топлива такие операции тоже есть.
Поясню. Топливо, грубо говоря, представляет собой трубку, в которой находятся топливный сердечник или таблетки. Эта трубка называется тепловыделяющий элемент или ТВЭЛ. Из ТВЭЛ собирается тепловыделяющая сборка (ТВС). Там, где робот собирает ТВЭЛ или ТВС, никакой сложности нет. Мы получаем максимальный эффект от сокращения площадей и минимизации персонала.
А там, где мы должны получить, например, таблетку, между роботом и конечным продуктом стоит какой-то аппарат: печь, смеситель, пресс, гранулятор и т. д. И место робота определяется качеством конструкторской проработки. Интеграция роботов в технологический процесс требует не их размещения рядом с аппаратом, а гармоничной имплементации в полностью автоматизированный процесс, учет взаимосвязи сложных робототехнических систем в условиях, отступающих от традиционной компоновки и выполнения операций, недоступных для обслуживания и ремонта человеком.
В идеале для меня конечная цель выглядит так: печь сама приехала на место, закрепилась, подключилась к разъемам, включила транспортную систему, приняла продукт, обработала его и выдала на следующую операцию. А отработав свой ресурс, собралась и уехала. Вот идеальный случай роботизированного безлюдного производства, к которому мы стремимся.
Надо понимать, что на самом деле каких-то революционных решений с точки зрения самих типов роботов в линии нет. Они применяются, например, в автомобилестроении и медицинской промышленности.
Ключевое отличие в другом. На основе этих решений создается широкий спектр робототехнических комплексов — устройств, способных выполнять серию технологических операций для получения конечного изделия. Эти РТК способны работать с высокими дозами радиации, в условиях повышенной запыленности радиоактивными веществами и, что немаловажно, в условиях контролируемой, то есть инертной атмосферы. У нас в камерах, как правило, не воздух, а азот или даже аргон. Соответственно не все электротехнические изделия способны работать в такой среде. Например, в аргоне работают не все электродвигатели. Они просто выходят из строя.
— А каким образом машины защищены?
— Прежде всего, это защитные корпуса из нержавеющей стали. Они позволяют проводить дезактивацию привычными химическими методами, что важно в условиях радиации. От альфа-излучения — это, как правило, пыль — машины защищены с помощью герметизации соединений.
Когда мы имеем дело с еще более сложными системами, связанными с большими дозами излучения, используется метод разделения. То есть в части, непосредственно связанной с технологическими процессами, мы не используем электронику — она находится за защитными экранами.
Сервисные роботы также находятся в экранной зоне, где облучение снижено, и просто выезжают из нее по мере необходимости обслуживания.
— Были ли какие-то уникальные решения для этой линии?
— Были. Например, класс сервисных роботов, которые от действующих моделей отличаются исполнением более специфичным, связанным со средой, с запыленностью и облучением. Это нержавеющие корпуса, специализированная электроника и защита. Их создание — дополнительные затраты. Но мы можем эти решения упростить, пойти на снижение класса. Это значительно снизит стоимость этих изделий и позволит использовать их в более широком круге производств. Эти подходы закладывались изначально.
Многие устройства, которые используются на линии, — транспортные платформы, робототехнические комплексы — разработаны для создания ТВС впервые. Например, трубки в ТВС должны быть дистанцированы друг от друга. Это, в частности, осуществляется за счет навивки проволоки. Зачастую это делается вручную. У нас же это делает робот в вертикальном положении. При этом он одновременно приваривает эту проволоку. То, что процесс выстроен вертикально, важное достижение, так как мы экономим площадь, в отличие от сборки в длину, как на текущих производствах.
У нас есть роботы-сборщики двух типов ТВС в соответствии с двумя основными видами реакторных установок на быстрых нейтронах: реакторы с натриевым теплоносителем, которые сегодня освоены и широко используются, и со свинцовым теплоносителем, например «БРЕСТ». У них отличаются сами ТВС: в первом случае используется дистанцирующая решетка, во втором — проволока, наличие или отсутствие внешнего чехла.
Конечные робототехнические комплексы мы получали за счет синергии нескольких робототехнических устройств. Такие изделия уникальны.
— Кто принимал участие в разработке линии?
— Ключевые организации — АО «Диаконт» из Санкт-Петербурга, которое давно сотрудничает с атомной отраслью. Машину по навивке проволоки разрабатывала московская Лаборатория электроники.
Есть еще инженерное бюро Воронежского акционерного самолетостроительного общества. С точки зрения топлива это основные организации. Для модуля переработки у нас привлечен ЦНИИ робототехники и технической кибернетики из Санкт-Петербурга.
— Электроника российская?
— Не вся. Из «недружественных» стран мы импорт практически полностью исключили. Но у нас есть и другой импорт. Прежде всего китайский. Потому что долгое время нам было некогда и неинтересно этим заниматься. При наличии на рынке готовых решений это просто не требовалось. Сейчас требуется, но нас это не остановит.
— А программное обеспечение?
— ПО мы переводим полностью на российское, начиная с операционной системы.
— А вся линия как единый робототехнический комплекс будет управляться одной кнопкой? Или конечному пользователю потребуется множество экранов и компьютеров?
— Линия настраивается один раз. Приведенные в синхронизацию устройства начнут работать по нажатию одной кнопки.
— Пожалуй, один из главных вопросов: что будет делать линия?
— Линия будет выполнять широкий спектр работ: прессование таблеток, формирование топливного столба, получение ТВЭЛ и сборка ТВС для натриевого или свинцового реакторов.
— Может ли линия или отдельные роботы внедряться и использоваться на других производствах и в других отраслях?
— С учетом требований отрасли мы можем адаптировать оборудование. А сами решения можно будет комбинировать.
— А использовать искусственный интеллект в этой линии предполагается?
— Мы его, по сути, уже используем. Мы занимаемся роботизацией оборудования по обращению с радиоактивными отходами. Там у нас создан комплекс для сортировки отходов, основанный на техническом зрении и ИИ. Нейросеть отличает дерево от стекла, металла и так далее.
— Насколько я знаю, демонстрационная версия такой робототехнической линии собрана на федеральной территории «Сириус». Расскажите об этом поподробнее.
— Вся роботизация, о которой я говорил выше, изначально создавалась под промышленный энергокомплекс. Но в какой-то момент мы увидели, что достигли стадии, когда можем уже при реконструкции модуля фабрикации для ОДЭК в Северске частично использовать роботизированные технологии.
Вот эти технологические РТК мы смонтировали на территории университета «Сириус» для совершенствования принятых технических и программных решений, адаптации прикладного программного обеспечения под отечественную операционную систему (реализация программы импортозамещения), демонстрации и отработки систем управления надежностью оборудования и РТК.
Мы получим единственную на сегодняшний день линию взаимосвязанных аппаратов по производству ядерного топлива. Реальное топливо она производить не будет, но это первый опыт, который позволит нам отработать цепочки передачи, сервисного обслуживания, работу самих аппаратов.
Это очень важно, потому что требует транспортных технологий и систем, которые по определенным циклограммам должны передать продукт с одного участка производства на другой. Вторая задача — отработка программного обеспечения. Мы изначально должны поставлять программное обеспечение с оборудованием в «коробочной» версии.
— Я так понимаю, что линия в «Сириусе» преследует и образовательные цели?
— Все то, о чем я говорил, требует смены парадигмы в обучении и подготовке специалистов: перейти от подготовки высококвалифицированного оперативного персонала к обучению кадров для создания и управления высокотехнологичными робототехническими комплексами. А следить за работой РТК будет персонал, которому уже не требуется специальная высокая квалификация, потому что все заложено в робототехнических комплексах. Смене этой парадигмы во многом было посвящено создание линии на площадке «Сириус».
Для «Прорыва» образование в первую очередь связано с подготовкой специалистов, которые будут обслуживать робототехнические комплексы на производстве. Второе — это обучение конструкторов и проектировщиков будущего, которые создадут безлюдное технологическое ядро. Третье — подготовка смены, то есть студентов, аспирантов, магистрантов, инженеров.
— То, что сейчас собрано в «Сириусе», — это готовое оборудование или макеты?
— Это макеты. Их отличие от «боевых» версий в том, что создание последних требует определенного контроля в соответствии с нормативными требованиями. Здесь мы их обходили, потому что эта линия изначально не задумывалась для работы с ядерным топливом.
— А какие-то примерные сроки создания «боевой» линии есть?
— При реконструкции модуля фабрикации для ОДЭК в Северске в 2027 году частично будем использовать роботизированные технологии. Модуль переработки на ОДЭК начнет создаваться с 2027 года, к 2030 году планируется его готовность. Его планируется роботизировать уже практически полностью.
— В рамках работы над линией был создан конструктор. Для чего?
— Это продвинутый вариант. Из набора деталей дети от 12 лет могут конструировать полный аналог линии, которую они увидят в «Сириусе». При этом там применены продвинутые конструкционные детали, которые позволяют создавать аналоги транспортных систем, роботов-сборщиков.
Фишка в том, что конструктор можно не только физически собрать, но и создать для него программное обеспечение.
— И последний вопрос. В меньшей степени технический и в большей — философский. Приведет ли появление безлюдного технологического ядра к потере рабочих мест?
— Атомной отрасли к 2030–2035 году для новых высокотехнологичных направлений потребуется около 300 тысяч человек. То есть ситуация скорее обратная. Безлюдное технологическое производство позволит компенсировать кадровый дефицит. Задача — убрать людей с производства в отделы разработки и подготовки робототехнических систем.
В «Сириусе» мы создаем первую базу, на которой отработаем эти системы. Она не последняя. Аналогичную учебную базу мы планируем создать в Северске. Там будет другой состав оборудования: мы будем работать с реальным ураном. Как раз отработаем операции, в которых между роботом и продуктом стоит какой-то аппарат, и роботизацию модуля переработки.