ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС НЕПТУН ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРСКОЙ (ОКЕАНИЧЕСКОЙ СРЕДЕ)

В ИБРАЭ РАН разработана математическая модель НЕПТУН-1, предназначенная для анализа уровня радиоактивного загрязнения морских и океанических акваторий на больших расстояниях от источника загрязнения с учетом характерных особенностей рассеивания примеси в воде морей и изменчивости морских течений. Она относится к типу стохастических лагранжевых моделей крупных частиц. По сравнению с классическим вариантом, эта модель требует использования меньшего количества пробных лагранжевых частиц при сохранении точности результатов.

Течения в крупных водных акваториях — океанах  и морях, прилегающих к океанам, — в целом имеют относительную стабильность, инерционны и меньше подвержены быстро меняющемуся атмосферному форсингу, чем течения во внутренних морях. Характерные течения даже у поверхности также относительно стабильны относительно атмосферного форсинга, но меняются в зависимости от сезона (месячная изменчивость прослеживается в меньшей степени). При попадании радиационного загрязнения на поверхность воды примесь, за счет ветрового воздействия, быстро перемешивается в так называемом верхнем квазиоднородном слое (ВКС) океана выше сезонного термоклина. Предполагается, что примесь равномерно распределена на глубине слоя перемешивания (толщина ВКС). Этот слой очень изменчив, зависит от времени года, широты и долготы. Турбулентный обмен между верхним слоем перемешивания (выше сезонного термоклина) и глубинными холодными водными пластами практически отсутствует.  Могут существовать средние течения — «даунвеллинг» (поток активности в более глубокие слои за счет средней вертикальной скорости, направленной вниз). Этот процесс также учитывается в модели.

Основные особенности модели НЕПТУН-1:

• квазидвумерная модель распространения радионуклидов на большие расстояния в двумерном неоднородном поле течений в приповерхностном слое;
• учтены процессы разбавления за счет даунвеллинга;
• интенсивность горизонтальной турбулентности  зависит от масштаба пятна загрязнения, в соответствии с данными обработки натурных экспериментов;
• учитываются цепочки распада;
• отслеживается береговая линия и особенности турбулентности вблизи береговой линии.

Распространение загрязнения в Тихом океане после сброса радиоактивности в воду (гипотетический источник 1МКи). Проинтегрированные по времени концентрации ¹³⁷Cs через 40 дней после события.

Расширенная версия модели

Совместно со специалистами ИВМ РАН на основе модели НЕПТУН разработана математическая модель для расчета распространения радионуклидов в морской среде  (небольшие моря) с учетом геометрии реального дна и особенностей береговой линии. При этом локализация источника радиоактивного загрязнения может быть произвольной, от дна до  поверхности моря.

Реализован пилотный проект модели НЕПТУН-2, ориентированный на условия Белого моря (которое является потенциально опасным с точки зрения радиоактивного загрязнения регионом). Ниже приведены примеры использования пилотной версии программы для моделирования гипотетической аварии с выходом радионуклидов сквозь защитные барьеры при затоплении плавучей транспортной базы в ходе утилизации АПЛ.

Моделирование приповерхностных течений.	Распределение температур на поверхности Белого моря.

Проинтегрированная по времени концентрация радиоактивной примеси (источник загрязнения в центральной части Белого моря, на глубине 20 метров). Радионуклидный состав источника: ⁹⁰Sr = 1.56∙10¹² Бк, ¹³⁷Cs = 1.56∙10¹² Бк,  ²³⁹Pu = 5.19∙10⁹ Бк.

Практическое применение

Модель и созданная на ее основе программный комплекс НЕПТУН успешно использовались для оценки и прогнозирования радиационной обстановки в ходе аварии на японской АЭС «Фукусима Дайичи» в марте 2011 г., когда в океаническую среду было выброшено большое количество радионуклидов.

Расчет концентраций радионуклидов в верхнем перемешанном слое океана после аварии на АЭС «Фукусима Дайичи».

Результаты моделирования показали: в отличие от наземных экосистем, в которых остаточное радиоактивное загрязнение может существовать в течение многих лет (что требует принятия решений по дезактивации территорий, по ограничению потребления пищевых продуктов, и даже по эвакуации населения), период обнаружения (на уровне чувствительности приборов) загрязнения радионуклидами верхнего перемешанного слоя океана в районе к востоку от Японских островов не превышает несколько месяцев, вследствие характерной для этого региона высокой скорости обновления вод,. Однако в ряде акваторий, расположенных в непосредственной близости от берега, может наблюдаться значительное локальное загрязнение дна. Вдали от береговой линии дрейф пятна загрязнения происходит в верхнем перемешанном слое; при этом очень незначительная доля примеси, попадающая в глубокие слои, быстро разбавляется. Такая картина соответствует данным мониторинга радиационной обстановки. Кроме того, возможны дополнительные загрязнения, связанные со смывом активности с суши. В целом же, загрязнение носит очень ограниченный характер, локализовано в основном в непосредственной близости от аварийной АЭС «Фукусима Дайичи» и не представляет потенциальной опасности для отдаленных  территорий и акваторий,  в том числе расположенных в Дальневосточном регионе России.

В настоящее время ПК НЕПТУН широко применяется при проведении комплексных научных исследований по оценке экологической и радиационной безопасности и анализу перспектив экологической реабилитации морей и океанов, омывающих Северо-Западный, Арктический и Дальневосточный регионы России.

Расчет концентраций радионуклидов в верхнем перемешанном слое океана при гипотетических авариях судов, перевозящих ОЯТ, у берегов Камчатки.