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

Расчетный код GeRa

Программное средство ГЕОПОЛИС

ПТК «ОБОЯН»

Расчетно-прогностический комплекс DESTRUCT

Программные инструменты оптимизации проектно-технологических решений

Расчетно-прогностический комплекс CORIDA 

Программные инструменты для расчета радиационных характеристик

Программный инструмент FENIA для расчета тепловых полей

Расчетный инструмент «ТКВ-Прогноз»

Расчетный код MOUSE

Расчетно-прогностический комплекс «Бакис»

Важное место в оценках потребностей интенсификации научно-технического прогресса в сфере обеспечения ядерной и радиационной безопасности занимают системы расчетных кодов. Основные направления развития соответствующих 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 зарубежной практике при обосновании проектов создания ПГЗРО имеет место комплексное использование совокупности расчетных средств, предназначенных для моделирования различных физико-химических процессов и оценки различных аспектов обеспечения безопасности ядерных объектов (см. пример).

В ходе разработки и обоснования ключевых мероприятий ФЦП ЯРБ-2 в российской атомной отрасли сложилось понимание обязательности применения выработанных на международном уровне требований и стандартов к обоснованию долговременной безопасности пунктов захоронения РАО. 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 обусловливает необходимость разработки национальной системы импортонезависимых расчетных кодов. 

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).

Взаимосвязь расчетных моделей для обоснования долговременной безопасности объектов наследия

К настоящему времени в ИБРАЭ РАН создан и подготовлен к государственной аттестации ряд программных средств и расчетно-прогностических комплексов (РПК), предназначенных для обоснования долговременной безопасности объектов использования атомной энергии, объектов ядерного наследия, существующих и проектируемых пунктов долговременного захоронения и изоляции радиоактивных отходов.

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 нового поколения 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.

Основные объекты моделирования РПК GeRa/V2 (подготовлен к государственной аттестации в 2020 году):

• фильтрация в напорных и безнапорных, а также ненасыщенных условиях, двухфазная фильтрация (жидкость-газ);
• адвективно-дисперсионно-диффузионный перенос радионуклидов, химически активных и нейтральных примесей в поровых и трещиноватых средах;
• равновесные и кинетические химические взаимодействия в системе раствор-порода;
• радиоактивный распад переносимых нуклидов;
• плотностная конвекция;
• перенос в средах с двойной пористостью;
• течение растворов с переменной вязкостью;
• перенос веществ в коллоидной форме;
• взаимодействие подземных и поверхностных вод;
• сорбция с динамическим коэффициентом распределения.

С использованием кода GeRa проводятся 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 «Северный» закачки в глубокие водоносные горизонты жидких РАО, образовавшихся при работе трех ядерных реакторов и радиохимического завода ГХК. Модель учитывает 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».

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

Расчетно-прогностический комплекс DESTRUCT

Разработанный в ИБРАЭ РАН расчетно-прогностический комплекс (РПК) DESTRUCT (Degradation struture) предназначен для комплексного учета процессов эволюции инженерных барьеров безопасности (ИББ) при оценке миграции радионуклидов за их пределы. Расчетное моделирование осуществляется с использованием мультифизичных моделей, учитывающих физические, химические и тепловые процессы, сопровождающие эволюцию ИББ и влияющие на выход радионуклидов за пределы объекта. Анализ этих процессов проводится на основе результатов исследований теплофизических свойств материалов, полученных в лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН. В состав комплекса входят расчетные модели выщелачивания из стекломатриц, коррозии металлических, деградации бетонных, эволюции бентонитовых барьеров безопасности, а также расчетно-прогностические средства анализа миграции радионуклидов в геологических средах.

Основные объекты моделирования РПК DESTRUCT:

• материалы изолирующего контейнера, их физические, химические и биологические характеристики в момент захоронения;
• механические, тепловые, химико-биологические процессы, оказывающие воздействие на отходы, контейнеры, уплотнители и другие инженерно-технические элементы;
• изменение свойств (плотность, пористость, проницаемость) и целостности матрицы (стекло, цемент и др;);
• миграция радионуклидов через инженерные барьеры безопасности;
• изменение сорбционно-гидроизоляционных, фильтрационных, свойств инженерных барьеров безопасности; влияние термических процессов на скорости химических реакций и физических процессов; влияние порообразования на режимы переноса водной фазы, и вытеснение поровой воды;
• образование и накопление основных дозообразующих радионуклидов;
• поглощение воды буферным материалом (изменение влажности, пористости, расходов транспортной водной среды).

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.

Расчетно-прогностический комплекс CORIDA

Расчетно-прогностический программный комплекс (РПК) CORIDA осуществляет прогнозирование радиационных полей с учетом изменений характеристик источников излучения и инженерных барьеров безопасности и предназначен для решения задач обоснования радиационной безопасности объектов использования атомной энергии, объектов ядерного наследия и пунктов захоронения радиоактивных отходов на всех стадиях их жизненного цикла. Результаты решения таких задач в значительной степени зависят от характеристик радиоактивных отходов как источников излучения, поэтому в состав комплекса входит модуль нуклидной кинетики TRACT, верификация которого в 2019 году осуществлялась на бенчмарк-экспериментах по энерговыделению и реакторных экспериментах по измерению радионуклидных составов отработавших ТВС на Нововоронежской АЭС. Для моделирования переноса нейтронного и фотонного излучений используется программа TDMCC; в состав программного комплекса включены специализированный графический редактор и конвертер данных о геометрии, материалах и источниках излучения.

Основные объекты моделирования РПК CORIDA: 

• перенос нейтронного, фотонного и электронного излучений;
• внешнее облучение персонала с учетом эволюции источников и барьеров безопасности, в частности, на этапах работ по демонтажу конструкций ЯРОО и удалению РАО;
• изменение состава материалов при нейтронном облучении за счет активации, деления, трансмутации и радиоактивного распада ядер;
• энерговыделение в процессе выдержки ВАО и ОЯТ;
• характеристики источников излучений в геометрических пределах, ограниченных инженерными барьерами безопасности объекта;
• радиогенная эволюция ближней зоны.

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 и растрескивания матрицы, 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

Расчет изменений теплового режима, напряженно-деформированного состояния (НДС) и механической прочности элементов конструкции и вмещающей среды имеет важное значение при проектировании объектов захоронения РАО. Тепловые поля внутри и вокруг ПЗРО оказывают существенное влияние на протекание различных физических и химических процессов в ПЗРО.

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. 

Основные объекты моделирования РПК FENIA:

• объемное и поверхностное тепловыделение; распространение тепла в материалах инженерных барьеров безопасности и геологической среде; упруго-пластическое, термо-упруго-пластическое, вязко-упруго-пластическое деформирование материалов;
• напряженно-деформированное состояние, вызванное тепловым и силовым нагружением, с учетом зависимости свойств материала от температуры;
• влияние распространения тепла на термомеханическое состояние;
• перемещения, скорости, ускорения, деформации, напряжения и внутренние усилия, возникающие в сечениях конструкций и упаковок при силовых и температурных статических и динамических воздействиях;
• собственные и вынужденные колебания конструкций;
• контактное взаимодействие деформируемых поверхностей, изменяемых в процессе нагружения.

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

«ТКВ-Прогноз»

Расчетный инструмент «ТКВ-Прогноз», разработанный в сотрудничестве с ПО «Маяк», предназначен для прогнозирования и оценки опасных последствий в различных сценариях управления гидротехническими сооружениями Теченского каскада водоемов (ТКВ) в различных климатических условиях. 

Моделирование состояния водного баланса ТКВ

Расчетный код MOUSE

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 расчетного кода MOUSE (Model Uncertainty and Sensitivity Estimation), который представляет собой программный комплекс для учета неопределенностей в процессе разработки численных моделей и предоставляет инструменты для анализа чувствительности и оптимизации параметров.

Модуль анализа чувствительности MOUSE включает в себя разнообразие глобальных методов, таких как:

• вариационные (метод Соболя и FAST);
• моменто-независимые (PAWN);
• корреляционные и регрессионные индексы, метод Морриса и другие.

MOUSE — моделенезависимое программное обеспечение и может применяться к любым численным моделям с известной структурой входных и выходных данных. При этом MOUSE является одним из ключевых элементов разрабатываемой ИБРАЭ РАН системы расчетных кодов для численной оценки безопасности в задачах захоронения РАО и вывода ОИЯЭ из эксплуатации. .

Расчетно-прогностический комплекс «Бакис»

Разрабатываемый в ИБРАЭ РАН широкофункциональный расчетно-прогностический комплекс (РПК) «Бакис» предназначен для моделирования распространения радиоактивных примесей в поверхностных водных объектах суши, в том числе проточных и слабопроточных, и прогнозирования радиационного воздействия при их загрязнении на население и водную биоту. Одной из целей его разработки является необходимость обоснования безопасности действующих и выводимых из эксплуатации радиационно опасных объектов, чья деятельность может оказывать воздействие на водные объекты как путем прямых сбросов радиоактивных веществ, так и посредством загрязнения при аварийных атмосферных выбросах, и оценки доз облучения населения и биоты с учетом всех путей поступления радионуклидов.