Прогнозная оценка радиационной безопасности приповерхностного хранения и захоронения РАО

Российские специалисты разработали и используют современную методологию оценки безопасности приповерхностных хранилищ, отвечающую рекомендациям международных организаций и требованиям национальных нормативных документов.

ГУП МосНПО «Радон» осуществляет деятельность по сбору, транспортированию, обработке и долговременной изоляции радиоактивных отходов низкой и средней активности, а также оказывает научно-методическую и практическую помощь предприятиям, ранее входившим в систему спецкомбинатов «Радон». Работы по оценке безопасности приповерхностных хранилищ на региональных спецкомбинатах и в Научно-производственном комплексе ГУП МосНПО «Радон» ведутся с 1994 года.

Первоначально основное внимание было сосредоточено на получении исходных данных и выполнении прогнозных миграционных расчетов. К настоящему времени разработаны математические и компьютерные модели [1], накоплен практический опыт выполнения оценки различных систем хранения и захоронения отходов [2, 3]. В процессе выполнения работ на конкретных объектах определены наиболее приемлемые математические модели выноса радионуклидов из хранилищ и последующего массопереноса во вмещающих породах.

Вместе с тем, практика показала, что расхождение результатов решения одной задачи для одного и того же объекта может достигать нескольких порядков в силу большого количества неопределенностей в исходных данных, математических моделях и поведении оцениваемой системы в будущем. Большое значение имеют неопределенности, связанные с длительностью периода потенциальной опасности радиоактивных отходов. Предсказать поступки и поведение людей через такие интервалы времени нереально, поэтому возникает проблема определения возможных путей облучения и, следовательно, оценки дозы, обусловленной радиоактивными утечками в отдаленном будущем. Это усложняется тем, что в рамках временных периодов в сотни и более лет, представляющих потенциальный интерес с точки зрения оценки безопасности, вероятны существенные изменения в системе приповерхностной долговременной изоляции РАО. Они могут быть следствием естественной эволюции системы инженерных и природных барьеров, а также деятельности человека в предшествующие периоды, в том числе, в процессе эксплуатации хранилища.

Методология оценки безопасности

С 1997 года работы по совершенствованию метода прогнозной оценки безопасности выполнялись специалистами ГУП МосНПО «Радон» в рамках научных координационных программ МАГАТЭ (ISAM [4-5], ASAM, PRISM, SADRWMS) и опробовались на различных объектах приповерхностного захоронения РАО. При выполнении этих проектов были сформулированы основные положения методологического подхода к оценке безопасности.

Эволюция координационных исследовательских программ МАГАТЭ

В основе методологии лежит системный подход, который заключается в том, что оцениваемый объект рассматривается как единая взаимосвязанная система, включающая:

• источники возможного загрязнения – упаковки РАО (матрицы отходов, контейнеры, закрытые радионуклидные источники и т.д.) и инженерные барьеры хранилища;
• ближнюю зону хранилища – вмещающие или подстилающие естественные породы, непосредственно контактирующие с хранилищем;
• дальнюю зону хранилища (геосферу) – вмещающие породы, контактирующие с ближней зоной и биосферой, состояние и характеристики которой влияют на миграцию радиоактивных веществ от границы ближней зоны к границе биосферы;
• биосферу – окружающую среду, которая может подвергнуться радиационному воздействию приповерхностного хранилища.

Метод прогнозной оценки радиационной безопасности системы долговременной приповерхностной изоляции РАО [6, 7] включает разработку контекста оценки, подробное описание системы захоронения, разработку и обоснование сценариев, создание моделей, прогнозный расчет и анализ полученных результатов.

На первом этапе определяют ключевые аспекты оценки: конкретную цель; критерии безопасности и окончательные расчетные величины; консервативность оценки при разрешении неопределенностей в исходных данных; общее описание хранилищ и характеристики отходов; геолого-гидрогеологические характеристики площадок хранилищ; описание основных путей воздействия РАО на окружающую среду; период времени, для которого выполняется оценка; варианты поведения (деятельности) населения в рассматриваемый период.

На следующем этапе выполняется подробное описание и анализ системы захоронения – систематизированное изложение сведений об объекте, позволяющее определить сценарии и содержащее численные значения параметров, которые потребуются для расчетов соответствующих  математических моделей. По мере выполнения оценки и получения дополнительных данных описание хранилища может быть скорректировано.

Для разработки сценариев, в зависимости от конкретной цели оценки и наличия информации о хранилище и объектах окружающей среды, применяют различные подходы и методы, в том числе построение дерева отказов или дерева событий, матрицы взаимодействий и т.д. Одним из приемлемых подходов является оценка гипотетических состояний элементов системы, рассмотрение возможных путей и механизмов переноса радионуклидов от хранилища до границы санитарно-защитной зоны, результатов их воздействия на окружающую среду, всех механизмов и путей возможного облучения человека и тех ситуаций (состояний системы), которые могут к ним привести.

Упрощенная структура выполнения оценки безопасности

На основе подробного описания конкретного сценария для количественного анализа его возможных последствий строится концептуальная модель, которая содержит краткое формализованное описание системы и качественные описания взаимодействия ее элементов. Затем модель выражается в математической форме – в виде групп дифференциальных уравнений и алгебраических выражений, которые решаются с помощью готовых или специально разработанных программных средств.

Результаты расчетов, для проверки, сопоставляются с известными данными мониторинга оцениваемого или аналогичного объекта. Если результаты не имеют внутренних логических противоречий и согласуются с данными наблюдений, полученные расчетные значения контрольных величин необходимо сопоставить с соответствующими критериями безопасности. При этом необходимо учитывать, что в силу принятых допущений, упрощений и схематизации объекта, эти значения не являются достоверным прогнозом облучения населения, персонала и загрязнения окружающей среды в будущем, а служат лишь для оценки возможного состояния объекта и принятия соответствующих решений, направленных на предотвращение негативного воздействия на окружающую среду.

На практике несколько этапов могут выполняться одновременно, возможен возврат к предыдущим стадиям для уточнения или изменения исходных данных, параметров и граничных условий моделирования и даже постановки задачи оценки безопасности.

Данный метод использован специалистами ГУП МосНПО «Радон»:

• при выполнении миссий МАГАТЭ, связанных с выбором площадки (Литва) [8], вводом в эксплуатацию (Иран, Бангладеш), анализом безопасности действующих предприятий по обращению с РАО (Беларусь, Армения);
• при оценке безопасности Саратовского, Волгоградского, Ростовского, Самарского и подготовке проекта реконструкции Мурманского спецкомбинатов (в настоящее время – отделений ФГУП «РосРАО»);
• при обосновании безопасности способа изоляции закрытых радиоактивных источников в хранилищах колодезного типа с включением их в металлическую матрицу;
• при обосновании безопасности и расширении условий лицензирования для эксплуатации в качестве хранилищ скважин большого диаметра;
• при определении максимальной активности и обосновании продления срока эксплуатации промплощадки ГУП МосНПО «Радон»;
• при выводе из эксплуатации приповерхностного хранилища РАО на одном из специализированных объектов;
• при обосновании безопасности вывода из эксплуатации промышленных уранграфитовых реакторов (ПО «Маяк) по варианту захоронения на месте.

Оценка безопасности может быть эффективно использована и для решения других задач. Так, на ГУП МосНПО «Радон» был разработан алгоритм использования метода прогнозной оценки безопасности для определения максимальной активности РАО [9, 10], разработаны методические рекомендации по обоснованию продления срока эксплуатации площадок спецкомбинатов «Радон» [11].

Обоснование и демонстрация безопасности

Оценку безопасности следует отличать от обоснования безопасности (safety case). Его основная задача – доказательство безопасности рассматриваемого объекта или принятого решения по обращению с РАО. Обоснование может включать несколько оценок безопасности, направленных, например, на оптимизацию конструкции сооружения, обоснования критериев приемлемости отходов, размеров необходимой санитарно-защитной зоны и т.д.

Подход к обоснованию безопасности в том или ином виде существует практически во всех странах. Наиболее простой пример – перечень документов, включая оценку безопасности и оценку воздействия на окружающую среду, которые необходимы при лицензировании деятельности по обращению с РАО. Формализованный подход и его реализация на государственном уровне требуют наличия законодательных основ, научно-технической базы, системы финансирования, системы менеджмента и контроля. Без этих элементов введение в обязательном порядке обоснования безопасности может привести к дискредитации этого подхода из-за невозможности его практического осуществления.

Оценку и обоснование безопасности следует, в свою очередь, отличать от демонстрации безопасности. Если для оценки и обоснования допустимо (и часто необходимо) использование детальных, в том числе трехмерных, моделей, вероятностных расчетов, соответствующей научной терминологии и способов представления научных результатов, то при демонстрации результаты необходимо преподносить на языке, доступном для аудитории – политиков, регулирующих органов, местного населения, научной общественности и т.д. При этом могут понадобиться дополнительные расчеты для маловероятных ситуаций, сопоставление полученных результатов с воздействием и рисками для населения в общепонятных ситуациях – при дорожно-транспортных происшествиях, пожарах, хронических заболеваниях и т.д. Добиться взаимопонимания и доверия к полученным результатам – это задача тех, кто выполняет и представляет оценку и обоснование безопасности, а не лиц, принимающих решение на основе результатов оценки.

Математические модели

Построение и реализация математических моделей являются неотъемлемым и важным этапом оценки безопасности, частью общего итерационного процесса. На разных этапах жизненного цикла объектов для хранения и захоронения РАО оценка и обоснование безопасности выполняются по-разному и требуют использования различных математических моделей. Они зависят от целей, задач и других параметров контекста оценки безопасности, рассматриваемых сценариев, сложности моделируемой системы, наличия исходных данных и других факторов.

Говоря о математических моделях, следует различать: сложные исследовательские модели для понимания процессов, оценки их важности с точки зрения безопасности и т.д. и более простые модели для проведения сопоставительной оценки безопасности и демонстрации полученных результатов. Каждая из этих категорий имеет свои преимущества и недостатки, но и те, и другие должны быть взаимно согласованы между собой. На практике часто целесообразно консервативное упрощение моделей, их геометрии или структуры (например, использование одномерного переноса в гомогенной изотропной среде). Некоторые процессы можно не учитывать или использовать их упрощенное описание (не учитывать кинетику химических реакций и.т.д.). Некоторое упрощение может быть использовано при решении уравнений, в частности, в некоторых случаях можно не учитывать нелинейные члены.

Использование упрощенных моделей часто помогает достичь взаимопонимания с различными заинтересованными сторонами, но не снижает актуальности и необходимости разработки современных компьютерных средств для детального моделирования процессов выхода радионуклидов из окончательных форм РАО, их миграции в инженерных и природных барьерах, взаимодействия отходов и ближней зоны. Чтобы упростить модели, сначала необходимо точно определить, что происходит в моделируемой системе, что часто очень непросто без сложных математических моделей. Для обоснования безопасности хранилищ РАО важны как сложные математические модели, так и упрощенные решения, но еще важнее их корректное применение и правильная интерпретация полученных результатов.

Литература:

1. Model Formulation, Implementation and Data for Safety Assessment of Near Surface Disposal Facilities. ISAM Modelling and Data Working Group. Working Document: ISAM/MDWG/WD01. Version 0.4, Interna-tional Atomic Energy Agency, Vienna, 10 August 2001. – 218 с.
2.   Прозоров Л.Б. Площадку оценили на «отлично» / Л.Б. Прозоров, В.В Мартьянов, А.В. Гуськов // «Безопасность окружающей среды». – 2006. – №2. – С.42-43.
3.   Прозоров Л.Б. Оценка геоэкологической безопасности размещения радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности в районах со смешанным гидродинамическим режимом / Л.Б. Прозоров, В.В. Мартьянов, А.В. Гуськов и др. // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2005 г. – 2007. – Вып. 13. - С.54-57.
4.   Л.Б. Прозоров. Оценка геоэкологической безопасности размещения радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности в районах с отсутствием «верховодки» / Л.Б. Прозоров, В.В. Мартьянов, А.В. Гуськов и др. // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2004 г. – 2006. – Вып. 12. – С.51-53.
5.   TECDOC Series No. 1380. Derivation of Activity Limits for the Disposal of Radioactive Waste in Near Surface Disposal Facilities. IAEA. – Vienna – 2004. – 150 с.
6.   Гуськов А.В. Разработка метода прогнозной геоэкологической оценки системы захоронения РАО в приповерхностных хранилищах. Автореферат дис. канд. техн. наук. – М. – 2009. – 24 с.
7.   Ткаченко А.В., Оценка безопасности приповерхностных хранилищ / А.В. Ткаченко, А.В. Гуськов // «Безопасность окружающей среды». – 2006. – №3. – С.51-55.
8.   An International Peer Review Of The Programme For Evaluating Sites For Near Surface Disposal Of Ra-dioactive Waste In Lithuania. Report Of The IAEA International Review Team. International Atomic Energy Agency. – Vienna. – 2006. – 89 с.
9.   Дмитриев С.А. Методологический подход к определению максимальной активности твердых радио-активных отходов для безопасного размещения в приповерхностных хранилищах спецкомбинатов «Радон» / С.А. Дмитриев, А.В. Гуськов // «Вопросы радиационной безопасности». – 2009. – №2. – С.64-71.
10.   Гуськов А.В. Определение максимальной активности твердых радиоактивных отходов для при-поаерхностного хранения в ГУП МосНПО «Радон» // «Вопросы радиационной безопасности». – 2010. – №4. – С.37-47.
11.  Гуськов А.В. Методический подход к обоснованию продления срока эксплуатации СК «Радон» // «Медицина труда и промышленная экология». – 2009. – No3. – С.11-16.