Цифровая трансформация: модернизация атомной энергетики

Атомная отрасль столкнулась с комплексом вызовов, связанных с модернизацией инфраструктуры, созданной десятилетия назад, и разработкой новых реакторных технологий — при безусловном обеспечении безопасности, эффективности и устойчивости. Многие АЭС до сих пор используют бумажную документацию, ручные процессы и устаревшие системы управления. Параллельно старение кадрового состава создает риски утраты критически важных знаний и компетенций. Однако переход к цифровым решениям позволяет не только преодолеть эти ограничения, но и оптимизировать процессы сохранения и передачи знаний.

Для компаний атомной энергетики, стремящихся сохранить конкурентоспособность и долгосрочную устойчивость, цифровая трансформация становится обязательным условием. Внедрение таких технологий, как автоматизация, интеллектуальное программное обеспечение и аналитика данных, способно повысить операционную эффективность, оптимизировать затраты и стимулировать инновации — обеспечивая тем самым устойчивые позиции в динамично меняющемся энергетическом секторе.

Цифровизация рабочих процессов способна модернизировать эксплуатацию, усилить безопасность и повысить эффективность в условиях усложняющихся регуляторных и технических требований. Создание цифровых АЭС, интегрирующих передовые технологии управления, открывает новые возможности для трансформации отрасли. Среди ключевых направлений цифровизации атомной энергетики можно выделить следующие.

Цифровые двойники

Цифровой двойник представляет собой виртуальную копию физической системы, которая непрерывно получает данные в реальном времени для моделирования, анализа и оптимизации рабочих процессов. В атомной энергетике цифровые двойники создают динамические, основанные на данных модели реакторов, позволяя инженерам исследовать режимы эксплуатации, стратегии технического обслуживания, системы управления и сценарии отказов без внесения изменений в реальные объекты.

Несмотря на то, что цифровые двойники уже активно тестируются и внедряются, такие проекты, как совместная инициатива Национальной лаборатории Айдахо (INL) и Комиссии по ядерному регулированию США (NRC), направлены на изучение возможностей их применения для автономного управления реакторами с использованием методов машинного обучения (ML) и прогнозной аналитики. Создание INL Центра передового опыта в области цифровых инноваций (DICE) свидетельствует о переходе технологии цифровых двойников из стадии научных исследований в практическое применение в атомной отрасли. Потенциальные преимущества этой технологии значительны: цифровые двойники способны улучшить процесс принятия решений, повысить точность оценки рисков, оптимизировать производительность и обеспечить автономную эксплуатацию. Благодаря интеграции больших объемов данных в реальном времени цифровые двойники также функционируют в качестве централизованного аналитического узла, предоставляя заинтересованным сторонам точные сведения о прошлых, текущих и прогнозируемых состояниях энергоблоков, что в конечном итоге способствует повышению безопасности и эффективности атомной энергетики.

Цифровые системы контроля и управления

Системы контроля и управления (КиУ) являются центральной нервной системой атомной электростанции, обеспечивая непрерывный мониторинг, координацию и управление всеми компонентами и оборудованием станции для безопасной и эффективной эксплуатации. Блочный щит управления выполняет роль центрального узла этих систем, позволяя осуществлять мониторинг и координацию работы оборудования в реальном времени. Модернизация устаревших аналоговых систем КиУ путем замены их на современные цифровые комплексы представляет собой ключевое направление обновления энергоблоков.

Цифровые системы КиУ обеспечивают автоматизированную диагностику, непрерывный контроль состояния оборудования и прогнозное техническое обслуживание, что сокращает необходимость в ручных проверках и минимизирует простои. Кроме того, они устраняют проблему устаревания компонентов, исключают характерные для аналоговых систем уязвимости к отказам и снижают аппаратную сложность.

В то время как многие АЭС по всему миру уже много лет используют цифровые системы КиУ, в США процесс перехода на новые технологии идет медленнее из-за регуляторных сложностей, экономических соображений и сохраняющейся зависимости от проверенных аналоговых решений. Однако перспективные ядерные технологии, включая усовершенствованные реакторы (Advanced Reactors, AR) и малые модульные реакторы (Small Modular Reactors, SMR), изначально проектируются для работы с цифровыми системами КиУ. Эта тенденция стимулирует отраслевую трансформацию, ускоряя внедрение цифровых технологий как в новые проекты реакторов, так и при модернизации действующих энергоблоков. Показательным примером стал исследовательский реактор PUR-1 Университета Пердью. Хотя PUR-1 не является энергетическим реактором, он стал первым в США ядерным реактором, получившим лицензию на эксплуатацию с полностью цифровой системой КиУ. Данное достижение подчеркивает растущую роль цифровых технологий в повышении точности мониторинга, безопасности и эффективности реакторных установок.

Соответствие нормативным требованиям

Атомная энергетика является одной из наиболее строго регулируемых отраслей в мире. Эксплуатирующие организации и операторы АЭС должны соблюдать обширный комплекс законов, норм и стандартов, установленных государственными органами, такими как Комиссия по ядерному регулированию США (NRC), Европейская группа регуляторов ядерной безопасности (ENSREG), Комиссия по ядерной безопасности Канады (CNSC) и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), а также организациями по стандартизации, включая ASME, ANS, ISO, IEEE, IEC и другие.

Процесс лицензирования может быть длительным и сложным, поскольку требует тщательного учета факторов безопасности, политических аспектов, финансирования и общественного мнения. Для перспективных технологий, таких как усовершенствованные реакторы и малые модульные реакторы, регулирующие органы и организации по разработке стандартов (SDO) регулярно обновляют или вводят новые нормативы, чтобы учитывать меняющиеся требования к безопасности, защите и эксплуатации.

Цифровое управление стандартами позволяет упростить процесс соблюдения нормативных требований. Использование цифровых стандартов дает компаниям возможность оперативно получать доступ к необходимым документам и применять их, сокращая время на ручной поиск актуальных версий. Автоматизированные уведомления могут оповещать пользователей об обновлениях стандартов, а интеллектуальные инструменты сравнения — выделять конкретные изменения, что снижает риски несоблюдения требований.

Прослеживаемость жизненного цикла проекта

В атомной отрасли прослеживаемость имеет критическое значение, поскольку соблюдение нормативных требований, безопасность и эксплуатационная надежность зависят от тщательного документирования и управления данными. Компании должны вести полный учет документации для обеспечения соответствия требованиям, упрощения аудитов и снижения риска дорогостоящих задержек или штрафов. При этом значительная часть институциональных знаний отрасли до сих пор хранится в бумажных документах и устаревших системах. Цифровая трансформация играет ключевую роль в сохранении критически важных инженерных данных, улучшении их доступности и обеспечении обоснованного принятия решений на всех этапах жизненного цикла энергоблока.

Помимо обеспечения соответствия требованиям, прослеживаемость проекта способствует улучшению взаимодействия между участниками, управлению рисками и повышению операционной эффективности. Создание единого цифрового источника достоверной информации гарантирует точную фиксацию всех изменений, согласований и модификаций проекта, а также обеспечивает легкий доступ к ним. Это не только сокращает объем доработок и задержки проекта, но и способствует инновациям, повышению безопасности и долгосрочному управлению активами в условиях быстро развивающегося сектора ядерной энергетики.

Цифровые инновации

Цифровая трансформация выступает катализатором инноваций в ядерной отрасли, способствуя развитию перспективных технологий, включая реакторы нового поколения (такие как малые модульные реакторы, усовершенствованные реакторы и микрореакторы), передовые топливные технологии, методы обращения с радиоактивными отходами и аддитивное производство. Эти достижения основаны на применении цифровых инструментов, таких как аналитика на базе искусственного интеллекта для оптимизации эксплуатации и технического обслуживания, а также цифровых систем контроля и управления, которые играют ключевую роль в современных реакторных проектах. Кроме того, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы — фундамент технологического прогресса в ядерной сфере — ускоряются благодаря цифровому доступу к стандартам, патентам и технической литературе. Интеллектуальное программное обеспечение и инструменты научного анализа на основе ИИ позволяют быстрее выявлять, анализировать и внедрять прорывные решения, определяя будущее чистой энергетики.

Преодоление барьеров

Путь к цифровой трансформации в ядерной отрасли сопряжён с рядом вызовов. Ключевой проблемой является кибербезопасность, поскольку интеграция цифровых систем требует создания надёжных механизмов защиты критически важной инфраструктуры и обеспечения безопасности реакторов. Несмотря на наличие нормативных документов, таких как NRC 10 CFR 73.54 и IEC 62645, отсутствие единых стандартизированных требований к цифровым технологиям в отрасли порождает неопределённость, усложняя и удлиняя процесс соблюдения нормативов.

Ещё одним препятствием становится сопротивление персонала изменениям, поскольку цифровая трансформация предполагает освоение новых навыков и отказ от традиционных процессов. Кроме того, модернизация устаревших систем и переход от аналоговых к цифровым системам контроля и управления сопряжены с техническими сложностями и высокими затратами, требуя значительных инвестиций и тщательной интеграции для сохранения безопасности и соответствия регуляторным требованиям.

Дополнительным вызовом остаются высокие эксплуатационные расходы, связанные со старением инфраструктуры. Тем не менее, несмотря на эти трудности, цифровизация играет ключевую роль в модернизации ядерной отрасли, повышении её эффективности и обеспечении долгосрочной устойчивости.

Безопасное и интеллектуальное будущее

Для компаний ядерной энергетики, осуществляющих цифровизацию, успех начинается с разработки комплексной стратегии кибербезопасности, внедрения централизованных цифровых процессов и стратегических инвестиций в технологии. Применение принципов security-by-design ("безопасность через проектирование") позволяет минимизировать киберриски и обеспечить устойчивость критической инфраструктуры. Создание единого достоверного источника данных повышает точность информации, способствует соблюдению нормативных требований и улучшает взаимодействие между подразделениями. Кроме того, инвестиции в специализированные инструменты цифрового инжиниринга позволяют оптимизировать операционную деятельность, повысить эффективность и стимулировать инновации.

Активное внедрение цифровой трансформации сегодня позволит компаниям ядерного сектора достичь новых стандартов безопасности, повысить операционную эффективность и закрепить свои позиции в динамично развивающемся энергетическом секторе.