Математическая модель транспортно-технологической схемы обращения с радиоактивными отходами

Технологии

18 июня 2012

Моделирование транспортно-технологической схемы обращения с РАО позволяет снизить расходы на их окончательную изоляцию.

В проекте закона РФ «Об обращении с радиоактивными отходами» провозглашен принцип их обязательного захоронения (окончательной изоляции). Для этого предусмотрено создание единой системы обращения с РАО под эгидой ГК «Росатом». Реализация этих планов позволит решить оставшуюся с советских времен проблему накопления больших объемов низко- и среднеактивных РАО.

К настоящему времени в России накоплено около 500 млн м³ жидких и твердых РАО, причем для окончательной изоляции существенной их части требуется предварительное кондиционирование и транспортировка. Независимо от выбранного критерия «извлекаемости» РАО организация работы по захоронению требует огромных финансовых вложений. Для уменьшения стоимости при сохранении требуемых сроков выполнения работ необходимо качественное планирование транспортно-технологической схемы обращения с РАО (ТТС РАО).

Описание модели ТТС РАО

В Радиевом институте создана пилотная модель ТТС РАО (далее – модель), предназначенная для решения следующих задач:

прогнозирование накопления РАО в хранилищах при различных сценариях их воспроизводства, переработки, транспортировки и окончательной изоляции;
оптимизация размещения планируемых объектов инфраструктуры и перевозок РАО;
выбор оптимального места захоронения отходов.

Под объектами инфраструктуры понимаются:

промышленные объекты, на которых образуются РАО;
временные хранилища отходов;
установки по переработке (кондиционированию) РАО;
пункты захоронения (ПЗРО);
транспортные средства;
автомобильные и железные дороги, подъездные пути и т.д.

При моделировании учитывались следующие входные параметры:

объемы накопленных и эксплуатационных РАО в существующих хранилищах;
проектная вместимость существующих и строящихся хранилищ;
вывод энергоблоков АЭС из эксплуатации;
существующие возможности по отгрузке РАО с площадок;
пропускная способность транспортной инфраструктуры;
возможные параметры ПЗРО и требования к транспортной инфраструктуре;
существующие типы упаковок РАО;
экономические параметры – стоимость строительства ПЗРО, подъездных путей, временных хранилищ (если требуются), контейнеров для РАО и их перевозок железнодорожным и автомобильным транспортом, а также стоимость и срок службы транспортных контейнеров (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема модели ТТС РАО

Модель построена в среде имитационного моделирования AnyLogic с использованием «дискретно-событийного» подхода. При таком подходе динамика системы представляется как последовательность операций (производство, переработка, транспортировка, хранение), производимых с некими объектами, представляющими РАО и транспортные средства. Период времени, рассматриваемый в модели (модельное время), а также периодичность сбора статистической информации о количестве РАО на различных объектах задаются пользователем.

Апробация модели проводилась на примере ключевых предприятий Северо-Западного федерального округа (СЗФО). Исходные данные для модели были получены из анализа существующих баз данных, таких как данные федерального государственного статистического наблюдения «Сведения о радиоактивных отходах, поступлении радионуклидов в окружающую среду и загрязненных ими территориях». Поскольку в существующих источниках часто отсутствует информация об изотопном составе РАО (она нужна для правильного выбора технологий захоронения, кондиционирования и перевозки), имеющиеся сведения дополнялись путем анализа публикаций, а также методом экспертных оценок. Исходные данные хранятся в виде реляционной базы данных, которая специально была разработана для использования в моделях, помогающих принимать управленческие решения.

Модель предоставляет удобный пользовательский интерфейс (рис. 2), с помощью которого можно выбирать место расположения ПЗРО, задавать дату начала строительства и модельное время. В ходе моделирования пользователю выдается информация обо всех выбранных площадках (степень заполнения временного хранилища, денежные затраты для данной площадки), график строительства очередей пункта захоронения, расходы на постройку, транспортировку и окончательную изоляцию РАО.

Рис. 2. Пользовательский интерфейс программы

Результаты моделирования

С использованием модели ТТС РАО проведено сравнение общих затрат на захоронение РАО, накопленных на объектах СЗФО, при условии строительства могильника на одной из трех предложенных площадок – в районе города Соснового Бора Ленинградской области, в Мурманской и Архангельской областях. Кроме того, сравнили два типа контейнеров для РАО – КРАД и НЗК. Для всех случаев строительство могильника предполагалось начать в 2014 году.

Пример полученных результатов моделирования приведен на рисунке 3, где показана зависимость полных (без учета этапа кондиционирования) затрат на захоронение накопленных и эксплуатационных РАО от местоположения могильника и типа применяемых контейнеров. Данные приведены на период до полного заполнения всех очередей ПЗРО.

Рис. 3. Пример результатов моделирования

Из полученных данных видно, что наиболее экономически выгодным местом для постройки ПЗРО является район Соснового Бора, где есть подходящий для захоронения массив глин. Постройка ПЗРО именно на этой площадке позволяет сэкономить около 6-7 млрд рублей по сравнению с другими вариантами, в основном за счет наличия развитой транспортной инфраструктуры. Кроме того, сократить расходы поможет использование, где это возможно, контейнеров типа КРАД вместо НЗК.

С помощью данной модели можно получить сведения о степени загрузки временных хранилищ на территориях исследуемых площадок. В результате моделирования было выяснено, что во избежание строительства новых крупных временных хранилищ на объектах СЗФО необходимо построить первую очередь ПЗРО не позднее 2015-2017 годов.

В ходе моделирования был также выявлен важный параметр – скорость отгрузки упаковок с РАО с мест их образования. Показано, что при увеличении скорости отгрузки отходов из временных хранилищ в два раза по сравнению с существующими суммарные затраты на захоронение снижаются на 2-3 млрд рублей, при этом удается избежать переполнения временных хранилищ РАО.

Согласно модели, общая структура расходов на захоронение РАО следующая. На строительство могильника потребуется примерно 80% средств, на контейнеры – около 15%, на транспортировку – менее 5%.

Перспективы

Представленный вариант модели транспортно-технологической схемы обращения с РАО представляет собой первый этап работы, учитывающий доступную информацию о реальном состоянии дел в СЗФО. В дальнейшем, по мере получения достоверной информации, ее систематизации, формулирования вопросов, модель может быть значительно модифицирована. В частности, планируется учесть риски при транспортировке РАО различными маршрутами, добавить этап кондиционирования РАО с возможностью выбора оптимальных методов в каждом конкретном случае, более полно применять геоинформационные технологии, а также распространить модель на другие регионы РФ.

Создаваемая модель может стать существенным подспорьем при принятии управленческих решений по оптимальной организации транспортно-технологической схемы обращения с радиоактивными отходами, а также в перспективе войти в автоматизированную систему управления единой системой обращения с РАО в России.