Русский / English 
NUCLEAR SAFETY INSTITUTE OF THE
RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
INSTITUTERESEARCHPROJECTSSCIENCE AND EDUCATIONNEWSCONTACTS
 
Projects » Ensuring Nuclear and Radiation Safety » Разработка системы расчетно-прогностических комплексов для обоснования долговременной безопасности объектов ядерного наследия и пунктов захоронения РАО

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РАСЧЕТНО-ПРОГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ЯДЕРНОГО НАСЛЕДИЯ И ПУНКТОВ ЗАХОРОНЕНИЯ РАО


Понимание обязательности применения выработанных на международном уровне требований и стандартов к обоснованию долговременной безопасности пунктов захоронения РАО и современная ситуация в части актуальности разработки и применения расчетных кодов для выбора оптимального варианта и критических сроков проведения работ, обоснования безопасности, эффективности проектных решений и отдельных операций по выводу из эксплуатации различных категорий объектов ядерного наследия и пунктов захоронения РАО, привело к необходимости разработки национальной системы импортонезависимых расчетных кодов.

Важное место в оценках потребностей интенсификации научно-технического прогресса в сфере обеспечения ядерной и радиационной безопасности занимают системы расчетных кодов. Основные направления развития программных средств и математических моделей связаны с:

  • мультимасштабностью элементов в составе систем захоронения (от размеров порядка миллиметров для состава контейнера РАО до километров для описания вмещающей геологической среды);
  • многообразием физических, химических и биологических процессов, влияющих на выход и распространение радионуклидов;
  • необходимостью выполнения многовариантных расчетов при моделировании различных сценариев долговременной эволюции захоронения;
  • необходимостью большого количества расчетов при анализе различных исходных значений параметров для получения оценок неопределенности и чувствительности.

В связи с этим к числу первоочередных задач разработки расчетных средств относятся:

  • переход от консервативного метода оценки безопасности к расчетам и моделированию на основе реальных и фактических исходных данных;
  • переход от моделей отдельных процессов к моделированию объекта в целом;
  • переход от упрощенных камерных, одномерных, двумерных и псевдотрехмерных моделей к детализированным трехмерным моделям;
  • интегрирование крупномасштабных расчетных комплексов и моделей с САПР и локальными моделями систем и процессов;
  • разработка новых расчетных методов для оптимизации вычислительного процесса (параллельные вычислительные алгоритмы, адаптивные неструктурированные сетки).

Трехмерное гидрогеологическое моделирование ЯРОО

В сотрудничестве с ИВМ РАН в лаборатории геомиграционного моделирования ИБРАЭ РАН разработан и аттестован расчетный код GeRa, предназначенный для трехмерного гидрогеологического моделирования, оценки безопасности пунктов захоронения РАО и других объектов, потенциально способных оказывать воздействие на грунтовые воды. Код GeRa ориентирован на использование современных вычислительных технологий: адаптивных неструктурированных сеток, высокопроизводительных вычислений с использованием суперЭВМ, методов конечных объемов для дискретизации задач. С его помощью выполняется оценка миграции радионуклидов (содержание которых на выходе из барьеров безопасности определяется на основе исследований деградации инженерных барьеров безопасности (ИББ) в лаборатории методологии обоснования безопасности) в геологической среде с учетом нестационарных граничных условий, влияния гидрологических объектов, геологических неоднородностей, техногенных объектов и пр.

Выполняются практические работы по гидрогеологическому моделированию проектируемых пунктов захоронения РАО и объектов ядерного наследия. Среди них:

  • пункт глубинного захоронения РАО в Нижнеканском массиве;
  • выводимый из эксплуатации промышленный уран-графитовый реактор;
  • площадки ПЗРО в Северске и Новоуральске.

Создана и подана на аттестацию модель полигона закачки жидких РАО в глубокие водоносные горизонты «Северный», учитывающая сложную многослойную геологическую структуру объекта, наличие геологического разлома, плотностную конвекцию закачиваемых растворов.

Моделирование распространения радионуклидов, выходящих через ИББ, в пределах
пункта захоронения РАО

 

Создание гидрогеологической модели пункта захоронения в расчетном коде GeRa

Одним из важных достижений стала разработка программного средства ГЕОПОЛИС, представляющего собой программную реализацию геофильтрационной-геомиграционной модели полигона «Северный»: трёхмерная модель+ расчетный модуль (код GeRa)+база данных мониторинга полигона «Северный». Данное средство уникально ввиду своей сложности, обширности моделируемых процессов, количества собранных и использованных фактических данных. ПС ГЕОПОЛИС используется для прогнозного моделирования распространения ореолов загрязнителей в геологической среде и для моделирования последствий некоторых воздействий на ПГЗ ЖРО внешних событий и процессов в период эксплуатации полигона и после его закрытия; является управляющей моделью полигона «Северный».

Пример применения: ГЕОПОЛИС – 3D-модель полигона закачки ЖРО «Северный» (объект НО РАО)

3D-модель полигона закачки ЖРО «Северный»

 

Комплекс программно-технических средств «ОБОЯН»

Разработан программно-технический комплекс обоснования безопасности объектов ядерного наследия (ОБОЯН), с применением которого выполнен комплексный анализ безопасности ряда объектов с применением современных приборов и расчетных средств, а также выбраны оптимальные стратегии по обращению с ними.

В комплекс программно-технических средств анализа ядерной, радиационной и экологической безопасности объектов ядерного наследия (ПТК «ОБОЯН») входят:

  • системы инструментального анализа состояния объектов ядерного наследия и окружающей среды;
  • программные средства расчетного моделирования и прогноза радиационной обстановки;
  • базы данных по объектам;
  • интерфейс, обеспечивающий взаимодействие подсистем комплекса и представление информации в удобной для пользователя форме.

Анализ возможных сценариев эволюции объектов ядерного наследия включает в себя:

  • моделирование радиационных полей;
  • моделирование (с использованием камерных и 3D-моделей) процессов миграции радионуклидов с учетом процессов деградации барьеров безопасности;
  • оценку радиационных рисков для населения и персонала при различных условиях организации работ на объектах;
  • обработку и визуализацию данных с использованием современных методов трехмерного моделирования и создания геоинформационных систем (ГИС).

Практическое применение: оценка текущего состояния, долгосрочный прогноз, анализ и обоснование безопасности объектов ядерного наследия, а также возможных сценариев их эволюции при выводе из эксплуатации.

Расчет радиационной обстановки в помещениях
объекта ядерного наследия
Распределение мощности дозы в помещении
радиационно загрязненного здания

 

Программное средство DESTRUCT

Разработан инструмент DESTRUCT, предназначенный для анализа изменения свойств инженерных барьеров безопасности (ИББ) в результате долгосрочной эволюции материалов. Расчетное моделирование миграции радионуклидов через ИББ осуществляется с использованием мультифизичных моделей, учитывающих физические, химические и тепловые процессы. Анализ этих процессов проводится на основе результатов исследований теплофизических свойств материалов, полученных в лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН.

Структура инженерных барьеров безопасности, учитываемых при анализе эволюции материалов контейнеров, используемых для захоронения РАО

Структура инженерных барьеров безопасности, учитываемых при анализе эволюции материалов контейнеров, используемых для захоронения РАО

Программные инструменты оптимизации проектно-технологических решений

Совместно с АО «НЕОЛАНТ» разрабатывается программно-аппаратный комплекс проектирования, оптимизации и управления выводом из эксплуатации российских и зарубежных объектов использования атомной энергии (ПАК Digital Decommissioning), основанный на цифровых технологиях информационного и имитационного моделивания, виртуальной реальности, нацеленный на решение задач оптимизации разрабатываемых проектно-технологических решений.

Программные инструменты для расчета радиационных характеристик РАО и ОЯТ и функционалов полей ионизирующих излучений

К числу системных задач ЗСЖЦ ОИАЭ относится оценка характеристик полей ионизирующих излучений в элементах и конструкциях ОИАЭ и радиационных характеристик РАО и ОЯТ. Здесь необходимо учитывать принципиальное отличие от задач обоснования радиационной безопасности при проектировании ОИАЭ, в которых заранее известны все ключевые параметры объектов (геометрия, характеристики источников ионизирующих излучений и т.д.), а неопределенности носят прогнозируемый характер. При обосновании безопасности ЗСЖЦ точная информация о характеристиках объекта отсутствует, а результаты проводимых практических измерений не всегда можно однозначно интерпретировать, что обусловливает необходимость разработки оригинальных подходов и оптимизации методологической базы.
В рамках решения этой сложной научно-технической задачи особо актуальны вопросы характеризации РАО и моделирования их поведения в условиях захоронения. Институт осуществляет тесную кооперацию с эксплуатирующими организациями, в частности с ФГУП «ПО «Маяк», где накоплено большое количество высокоактивных остеклованных РАО. Для моделирования поведения остеклованных ВАО в условиях захоронения, в частности, прогнозирования изменения физико-химических свойств, растрескивания матрицы и т. д. разрабатывается специализированный расчетный код, базирующийся на опыте лаборатории разработки интегральных расчётных кодов ИБРАЭ РАН, полученный при создании расчетного кода нового поколения БЕРКУТ, с помощью которого моделируется поведение ядерного топлива в условиях облучения.

Программный инструмент FENIA для расчета тепловых полей

Специалистами лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН разработан 3D-конечно-элементный код FENIA (Finite Element Nonlinear Incremental Analysis) для оценки процессов распределения тепловой нагрузки и механического разрушения вследствие термических, химических и биологических процессов внутри матрицы с РАО, а также в барьерах безопасности. Программный инструмент FENIA реализует совместное решение уравнений теплопередачи, расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) и движения воды в пористой среде.
В разработанной для ПЗГРО в Нижнеканском массиве сеточной модели (сетка охватывает ПГЗРО и 400 м горной породы вокруг него в каждом направлении) учитываются все скважины, заполняемые РАО, и растянутый по времени график их загрузки. В результате расчета получены данные об изменениях температурного поля внутри ПГЗРО и в окружающей горной породе на период до 10000 лет.

Расчетное поле температур в ПГЗРО через 55 лет с начала заполнения

Расчетное поле температур в ПГЗРО через 55 лет с начала заполнения

Современные методики анализа данных и оценки достоверности результатов моделирования

Лаборатория геостатистического моделирования является ведущим подразделением Института в области разработки адаптивных методов анализа данных (аппроксимация, классификация, кластеризация данных, выявление признаков, учет неоп­ределенностей) в применении к задачам геостатистики, создания искусственных нейронных сетей, текстмайнинга и методов калибровки параметров на основе использования эвристических оптимизационных алгоритмов.
Одним из значимых практических результатов этих исследований стала разработка специального программного продукта MOUSE, позволяющего выполнять оценку чувствительности расчетных моделей к их параметрам, а также проводить анализ неопределенности и оценивать достоверность результатов расчетно-прогностического моделирования по обоснованию безопасности объектов ядерного наследия и пунктов захоронения РАО. Программный продукт реализует механизмы, обеспечивающие взаимодействие со всеми расчетными комплексами, разрабатываемыми в Отделении анализа долгосрочных рисков в сфере обеспечения ядерной и радиационной безопасности.

 


IBRAE RAN © 2013 Site map | Feedback