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».

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

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

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.