СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МАСТЕР-ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПГЗРО В НИЖНЕКАНСКОМ МАССИВЕ

Оптимизация решений по созданию ПГЗРО в Нижнеканском массиве

Инструментарий для научно-технической поддержки и обоснования безопасности проекта ПЗГРО

Актуальность задачи

Изоляция в глубоких геологических формациях в настоящее время считается наиболее приемлемым методом обращения с высокоактивными отходами (ВАО), способным минимизировать их негативное воздействие на человека и объекты окружающей среды в течение всего периода потенциальной опасности. Мировой опыт показывает, что создание пунктов глубинного захоронения РАО (ПГЗРО) — чрезвычайно сложная проблема, требующая длительных и масштабных усилий по разработке научно-технических основ и инструментария для оценки и обоснования долговременной безопасности, а также неизбежной оптимизации характеристик объекта. Ключевым вопросом в решении проблемы захоронения высокоактивных РАО является глубина и достоверность обоснования безопасности на значительные периоды времени, поэтому создание ПГЗРО целесообразно начать с сооружения подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) для проведения детальных исследований геологического строения участка размещения объекта и процессов взаимодействия элементов конструкции объекта с материалами вмещающей среды, а также отработки технических вопросов его строительства и эксплуатации, получения необходимых достоверных данных. Практическая реализация любых решений должна базироваться на детальных знаниях и быть признана в обществе.

Создание ПГЗРО в России входит в число приоритетных задач, принятых к реализации в рамках Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016—2020 годы и на период до 2030 года» (ФЦП ЯРБ-2). Строительство ПГЗРО и создаваемой «параллельно» с ним ПИЛ осуществляется в Красноярском крае, в Нижнеканском массиве горных пород на глубине около 500 м. Характеристики исследований, требующихся для обоснования принимаемых решений по этой проблеме (их масштаб, наукоемкость, разнородность и взаимосвязанность) таковы, что в отдельности ни одна организация ни в одной стране не обладает всеми необходимыми компетенциями. В связи с этим в 2016 году директором по государственной политике в области РАО, ОЯТ и ВЭ ЯРОО Госкорпорации «Росатом» было признано целесообразным консолидировать вопросы научно-технического сопровождения создания ПГЗРО в формате Стратегического мастер-плана исследований по долговременной безопасности (СМП НКМ).

Необходимо отметить, что методология стратегического планирования в течение длительного времени рассматривается как одно из основных направлений деятельности ИБРАЭ РАН и успешно себя зарекомендовала применительно к таким комплексным и долговременным проектам, как утилизация объектов атомного подводного флота на Северо-Западе России и перевод в безопасное состояние Теченского каскада водоемов (ТКВ) ФГУП «ПО «Маяк».

Стратегический мастер-план исследований в обоснование безопасности сооружения, эксплуатации и закрытия пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов (СМП НКМ) в рамках горизонта планирования 2070 г. (как рационально минимального срока принятия решений по закрытию ПГЗРО) позволит:

• итерационно (в соответствии с необходимостью) оптимизировать проектные и эксплуатационные параметры ПИЛ и ПГЗРО;
• разработать и осуществлять сопровождение программы исследований и программы подготовки РАО к захоронению;
• готовить обоснования долговременной безопасности ПГЗРО для российских регуляторов и международных экспертиз. 

Фазы работ в рамках СМП НКМ и сроки их реализации

В рамках первой фазы утвержденной Стратегии разработана комплексная программа исследований для оценки долговременной безопасности захоронения РАО и оптимизации СМП НКМ на период планирования до 2030 г. В ней в качестве первоочередных (2019—2021 гг.) мероприятий выделены:

• выполнение предпроектных обоснований по развитию ПИЛ в части исследовательских установок, мест их размещения, оборудования для проведения исследований, систем, обеспечивающих их работоспособность;
• развертывание комплексных систем долговременных наблюдений по основным процессам, влияющим на безопасность ПГЗРО;
• выполнение геологоразведочных работ, в том числе по выявлению структурных нарушений и ненарушенных блоков пород, определению и прогнозу развития тектонических условий района размещения ПГЗРО, уточнению характеристик подземных вод;
• решение вопросов оборудования экспериментальных установок, методического обеспечения работ на площадке и в лабораториях, материалов и расчетного инструментария.

ИБРАЭ РАН является одной из ведущих организаций в области разработки и научно-технической поддержки СМП НКМ. Деятельность Института в этом направлении включает в себя проведение научно-организационных мероприятий, поднотовку соглашений, направленных на организацию действенного сотрудничества с российскими и зарубежными партнерами, проведение комплексных научных исследований и разработку современных программно-технических средств для обоснования долговременной ядерной, радиационной и экологической безопасности ПГЗРО. В качестве примера такой работы можно привести подписание в конце 2019 — начале 2020 года ряда трехсторонних соглашений с участием ИБРАЭ РАН, ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами» (ФГУП «НО РАО»), ОАО «Красноярскгеология», Сибирского федерального университета (СФУ), Пекинского научно-исследовательского института геологии урана (БРИУГ). Эти соглашения были посвящены научному, образовательному и техническому сотрудничеству в области исследований проблем обращения с радиоактивными отходами, в частности, вопросам строительства подземной исследовательской лаборатории в Нижнеканском массиве и обмену опытом по созданию российской ПИЛ и китайской подземной исследовательской лаборатории в районе Бейшань.

Подписание соглашения о сотрудничестве между ИБРАЭ РАН, ФГУП «НО РАО» и СФУ

В настоящее время в рамках мероприятий СМП НКМ завершена разработка и совместно с ФГУП «НО РАО» начата реализация долговременной научной программы по обоснованию безопасности геологического захоронения РАО (утверждена Директором по государственной политике в области РАО, ОЯТ и ВЭ ЯРОО Госкорпорации «Росатом» 09.01.2019 г.). К этим работам привлечены ИГЕМ РАН, ИФХЭ РАН, Геофизический центр РАН, СПбО ИГЭ РАН, НИТУ «МИСиС», МГУ, Сколтех, АО «Красноярскгеология», Санкт-Петербургский филиал АО «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон» — «ВНИПИЭТ». 

Продолжаются полевые работы на выбранном для размещения подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) участке «Енисейский», в число которых включены рекогносцировочные геологические маршруты, геофизические и геохимические исследования, геологоразведочные работы. 

Разработан облик ПИЛ с привязкой к основному объему исследований. Соответствующие предложения были одобрены на совместном заседании НТС № 5 и НТС № 10 Госкорпорации «Росатом» 10.10.2019. Начаты работы по подготовке технической документации для их практического внедрения.

Создана единая база геологических данных по всем проводившимся в районе размещения ПИЛ исследованиям (бурение глубоких скважин (до 700 м), опытно-фильтрационные работы, геофизические и др. изыскания); на ее основе разработаны и функционируют геологическая и гидрогеологическая модели.

 Профильная модель участка «Енисейский» по линии скважин Р-9, Р-10, Р-6, Р-5

Трехмерная геологическая модель участка «Енисейский»

Результаты исследований, полученные в рамках разработки и реализации научной программы СМП НКМ в 2019 году, были представлены сотрудниками Института на 3-м совещании международного Кристаллического клуба (Crystalline Club) в г. Железногорск, 21-м заседании Объединенной группы по обоснованию безопасности ПГЗРО (IGSC) Комитета по обращению с РАО АЯЭ/ОЭСР и других представительных международных площадках.

 Участники Crystalline Club

Оптимизация решений по созданию ПГЗРО в рамках СМП НКМ

В рамках проекта проводится работа по созданию информационной системы (PULSE) научного сопровождения ПИЛ и ПГЗРО в Нижнеканском массиве. Информация, касающаяся всех аспектов инженерно-технической осуществимости проекта, будет агрегироваться в цифровой информационной модели (ЦИМ). «Цифровой двойник» или цифровая информационная модель — это прототип реального объекта, группы объектов или процессов, где каждый элемент связан с базой данных, в которой сохраняется и актуализируется атрибутивная информация на всех этапах жизненного цикла. Интеграция ЦИМ предоставляет такие возможности, как использование в расчетах актуальных характеристик элементов системы инженерных барьеров, верификация технических решений и оптимизация технологических процессов при помощи имитационных моделей.

Потоки данных и функции цифрового двойника в информационной системе научного сопровождения PULSE

Внедрение технологии «цифровой двойник» в проекте создания ПГЗРО в части моделирования основных технологических процессов  для последующего анализа и оптимизации было начато ИБРАЭ РАН совместно с АО «НЕОЛАНТ» в 2017 году. В настоящее время работа по созданию цифрового двойника осуществляется по следующим ключевым направлениям:

• классификация и кодирование строительной информации для последующей автоматизации процессов инженерных изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации;
• трехмерное моделирование;
• интеграция информационной модели с базой знаний в части документации и данных;
• создание системы мониторинга стоимостных показателей проекта;
• верификация в цифровом формате решений по транспортно-технологической схеме обращения с РАО;
• создание распределенной ИТ-инфраструктуры для функционирования цифрового двойника и центра сопровождения строительства на площадке.

Состав ЦИМ ПГЗРО НКМ и внутренняя схема взаимодействия

Разработка инструментария для научно-технической поддержки и обоснования безопасности проекта ПЗГРО НКМ

В обосновании безопасности пункта окончательной изоляции РАО важную роль играют задачи моделирования долговременной эволюции объекта при помощи расчетных кодов, результаты которых являются критичными для проектных решений. Как показывает мировая практика, при обосновании зарубежных проектов создания ПГЗРО используется широкий спектр расчетных кодов, относящихся к различным аспектам обеспечения безопасности ОИАЭ. В связи с этим, специалистами ИБРАЭ РАН в течение нескольких последних лет осуществляется создание современных расчетных моделей и разработка на их основе целого ряда расчетно-прогностических комплексов как взаимосвязанной системы программных инструментов, предназначенных для решения указанных задач. Эта работа проводится в тесном взаимодействии различных подразделений и лабораторий Института, благодаря чему обеспечиваются мультифизичность и комплексный характер исследований и практических решений.

Расчетные модели, используемые при обосновании ПГЗРО в рамках СМП НКМ и их взаимосвязи

Анализ изменения свойств ИББ. Разработан расчетно-прогностический комплекс (РПК) DESTRUCT для анализа изменения свойств инженерных барьеров безопасности (ИББ) в результате эволюции материалов. С его применением выполняется расчет миграции радионуклидов с учетом физических, химических и тепловых процессов, оцениваемых на основе результатов исследований теплофизических свойств материалов, полученных в лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН.

Расчетная оценка радиационных характеристик ОИАЭ и радиационного воздействия. Расчеты и оценки с учетом переноса гамма и нейтронного излучения в трехмерной геометрии могут быть выполнены с применением разработанного в ИБРАЭ РАН современного РПК КОРИДА. Для задач оценки радиационных характеристик остеклованных ВАО используется опыт лаборатории разработки интегральных расчётных кодов по созданию твэльного кода нового поколения БЕРКУТ.

Распространение радионуклидов в атмосфере и водной среде. Разрабатываются расчетно-прогностические комплексы (РПК) для анализа распространения радиоактивных и химических веществ в атмосфере с учетом ветрового переноса и моделирования газовых потоков в ближней и дальней зонах ЯРОО (RELTRAN) и для моделирования переноса загрязнений в поверхностных водоемах (CADAM).

Геомиграция радионуклидов. В рамках научно-технической поддержки СМП НКМ специалистами лаборатории геомиграционного моделирования ИБРАЭ РАН с использованием кода GeRa реализован расчет миграции радионуклидов в геологической среде с учетом нестационарных граничных условий, влияния гидрологических объектов, геологических неоднородностей, техногенных объектов и пр. Содержание радионуклидов на выходе из инженерных барьеров безопасности определяется на основе исследований деградации ИББ в лаборатории методологии обоснования безопасности.

Расчет тепловых полей и их влияния на прочность конструкции ПЗГРО. Специалистами лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН разработан 3D конечно-элементный код FENIA для оценки процессов распределения тепловой нагрузки и механической прочности элементов конструкции ПГЗРО с учетом результатов расчетного исследования эволюции материалов барьеров безопасности, полученных в лаборатории методологии обоснования безопасности Отделения анализа долгосрочных рисков в сфере обеспечения ЯРБ. В результате расчета получены данные об изменениях температурного поля внутри ПГЗРО и в окружающей горной породе на период до 10000 лет.

Анализ неопределенностей и оценка достоверности результатов моделирования. Специалистами лаборатории геостатического моделирования ИБРАЭ РАН разработан программный инструмент MOUSE для учета неопределенностей, оценки достоверности результатов, анализа чувствительности модели к ее параметрам и калибровки модели при выполнении расчетно-прогностического моделирования по обоснованию безопасности объектов ядерного наследия и пунктов захоронения РАО. Реализуются механизмы обеспечения взаимосвязанной работы всех описанных выше расчетных комплексов с использованием единых исходных данных для достижения результатов комплексного решения.

Система управления знаниями. В настоящее время в рамках работ по практической реализации СМП НКМ разрабатывается специальная система PULSE (Project of the Underground Laboratory Scientific Escort), как прообраз будущей базы знаний по проекту ПГЗРО в Нижнеканском массиве и виртуальной ПИЛ. В базе знаний PULSE, реализованной в концепции «цифрового двойника», систематизируются информация о проекте, сопроводительные документы и литературные источники по тематике проекта создания ПГЗРО (более 1000 документов), требования МАГАТЭ и Ростехнадзора к различным стадиям реализации проекта ПГЗРО (более 350 документов), зарубежные отчеты по реализации сходных проектов (более 900 документов) и много другой релевантной научно-технической информации. По мере реализации этапов проекта информация в базе знаний продолжает накапливаться.
Вектор развития PULSE — постепенная интеграция расчетно-программных комплексов, накопленного массива данных, проектных решений и современных технологий в структуру цифровой ПИЛ.

Иллюстрация детализации от цифрового двойника площадки до цифрового двойника эксперимента