ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА И АВАРИЙНОГО РЕАГИРОВАНИЯ

Актуальность разработки

В соответствии с «Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года», разработка и внедрение новых методов защиты населения и окружающей среды от чрезвычайных ситуаций техногенного характера относится к числу приоритетных задач в сфере обеспечения безопасности, Это обуславливает необходимость постоянного совершенствования систем радиационного мониторинга и аварийного реагирования на чрезвычайные ситуации (ЧС) с радиационным фактором, в частности, разработку эффективных аппаратных и программных средств поддержки принятия решений.

Для решения задач научно-технической поддержки мероприятий по защите населения и окружающей среды при чрезвычайных ситуациях с радиационным фактором в ИБРАЭ РАН создан комплекс информационных и программно-технических средств, который широко используется в практической работе ЦНТП ИБРАЭ РАН. Его основу составляют компьютерные расчетные коды, предназначенные для оценки радиационной обстановки в зоне аварии, прогнозирования доз облучения населения, выработки рекомендаций по мерам радиационной защиты. Справочно-информационная компонента комплекса включает в себя банк электронных карт и базы данных, содержащие описания характеристик ЯРОО и территорий их размещения, радиологические сценарии аварий, нормативно-техническую документацию.

Эффективность работы ЦНТП обеспечивается наличием разработанных ИБРАЭ РАН программно-технических комплексов поддержки принятия решений.

Назначение

Программно-технические комплексы (ПТК) поддержки принятия решений ЦНТП ИБРАЭ РАН предназначены для анализа и прогнозирования радиационной обстановки, оценки и прогнозирования радиационных рисков, выработки рекомендаций по защите населения и территорий от ЧС с радиационным фактором.

Решение этих задач осуществляется на основе численного моделирования переноса радионуклидов в атмосфере и водной среде, расчета доз облучения населения, анализа и обоснования эффективности защитных мероприятий, трехмерного моделирования и прогнозирования радиационной обстановки вокруг ядерно и радиационно опасных объектов (ЯРОО) и в условиях городской застройки.

Состав и характеристики

В состав программно-технического комплекса ЦНТП ИБРАЭ РАН входят следующие основные программные ресурсы:

• компьютерные расчетные коды для моделирования переноса радиоактивных примесей в атмосфере и водной среде, а также для расчета миграции радионуклидов в почве и по пищевым цепочкам почва — растения — животные — человек;
• расчетные коды для полномасштабной оценки и прогнозирования доз облучения населения;
• программные средства для анализа и обоснования эффективности защитных мероприятий в случае ЧС с радиационным фактором;
• системы приема, обработки и отображения в реальном времени данных территориальных и ведомственных систем радиационного мониторинга;
• средства трехмерного компьютерного моделирования атмосферного переноса радионуклидов на промплощадке ЯРОО и в условиях городской застройки (на основе CFD-кодов);
• программные средства имитации радиационной обстановки;
• справочно-информационные системы (банк электронных карт местности и базы данных, содержащие описания характеристик ЯРОО и территорий их размещения, радиологические сценарии аварий, нормативно-техническую документацию);
• аппаратные средства проведения видеоконференций, серверное и коммуникационное оборудование.

Программное средство прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций радиационного характера НОСТРАДАМУС

Предназначено для оперативного прогнозирования радиационной обстановки при выбросах радиоактивных материалов как во время аварий на ЯРОО, так и при их нормальной эксплуатации. Может использоваться для оценки экологической ситуации вокруг объектов, производящих выбросы радиоактивных веществ и аэрозолей в атмосферу. Компьютерная система моделирования основана на лагранжевой модели атмосферного переноса и содержит базу данных по свойствам радионуклидов (коэффициенты дозового преобразования, периоды полураспада). В расчете учитываются нестационарность источника, как точечного, так и объемного, а также полидисперсный состав выброса. Для определения дозовых нагрузок используются известные дозиметрические модели и базы данных по коэффициентам дозового преобразования (в соответствии с НРБ-99/09).

Основные характеристики ПС НОСТРАДАМУС:

• оперативность прогноза и возможность работы в реальном времени;
• модульность структуры; для обеспечения оперативности работы предусмотрены независимые модули ввода исходных данных по источнику и метеоинформации, которые могут работать автономно; в качестве отдельных модулей в систему включены блок приспособления ветрового поля к местному рельефу, а также блоки быстрой оценки высоты подъема примесей за счет конвекции при наличии тепловыделения;
• возможность просмотра и анализа развития радиационной обстановки на всей территории расчетной области, а также в отдельных точках (населенных пунктах);
• представление результатов расчета в удобном для восприятия виде — на картографической основе с цветовым выделением зон, где ожидается превышение допустимых дозовых нагрузок.

Входные данные ПС НОСТРАДАМУС: данные об источнике (положение, интенсивность выброса, продолжительность, нуклидный и дисперсный состав) и метеоданные (скорость и направление ветра на разных высотах, интенсивность осадков, категория устойчивости атмосферы либо синоптические данные, необходимые для определения класса устойчивости).

Выходные данные: приземные концентрации радионуклидов, плотности выпадений (распределение приземных и поверхностных концентраций радионуклидов, в свою очередь, определяет дозовые нагрузки на население), а также прогнозируемые дозы и мощности дозы от различных радионуклидов и по различным путям облучения.

Верификация ПС НОСТРАДАМУС проведена на экспериментальном материале, включающем в себя более 800 измерений приземных концентраций в разных экспериментах. Результаты верификации модели распространения (аттестационный паспорт № 158.1 от 17.04.2014, выдан сроком на 10 лет) показали, что она в целом дает правильную оценку приземных концентраций примеси и может быть использована для более широкого круга условий распространения радионуклидов по сравнению со стандартными методиками.

Программное средство прогнозирования радиационной обстановки при радиоактивных атмосферных выбросах в ближней зоне ЯРОО

Разработанное ИБРАЭ РАН программное средство предназначено для экспресс-оценки последствий радиационных аварий (расчет интегральной концентрации радиоактивной примеси, мощности дозы, ожидаемых ингаляционных доз и доз облучения по пищевым цепочкам) и кратковременных выбросов радиоактивных веществ в атмосферу в ближней зоне ЯРОО (на расстояниях до 30 км).

Особенностями программы являются улучшенная параметризация полуэмпирической гауссовой модели атмосферного переноса радиоактивной примеси, высокая скорость работы и учет полидисперсности примеси. Это дает возможность проводить детальное моделирование процессов диффузии радионуклидов в приземном слое в условиях сложного рельефа местности, а также при оценке радиационных аварий, сопровождающихся взрывом.

Программное средство ДОЗА+

Предназначено для расчета активности источника радиационного загрязнения и проведения экспресс-оценки дозовых нагрузок на население в начальный период радиационной аварии. Использование рекомендованной МАГАТЭ методики IAEA-TECDOC-1162/R позволяет проводить быстрые инженерные расчеты дозовых нагрузок на человека от источников бета- и гамма-излучения простейшей геометрии (точечных, линейных, дисковых) на различных расстояниях от источника, а также выполнять расчет доз внутреннего облучения вследствие поступления радиоактивных веществ с вдыхаемым воздухом и по пищевой цепочке.

Программный комплекс БРИЗ

Инженерный программный комплекс БРИЗ предназначен для оперативного расчета дозовых характеристик (экспозиционной дозы и МАЭД) полей ионизирующего фотонного излучения, создаваемых точечными, линейными, поверхностными и объемными источниками с равномерным распределением мощности. Расчет осуществляется как при наличии защиты, так и без нее, а также с учетом рассеянного излучения, при этом скорость расчета по коду БРИЗ на порядок выше скорости расчета по широко используемому коду MicroShield (США).

Программный комплекс Кассандра

Актуальной проблемой радиоэкологии является моделирование миграции радиоактивных веществ в водной среде. Разработанный в ИБРАЭ РАН программный комплекс (ПК) Кассандра предназначен для расчета уровней загрязнения рек и водоемов при сбросах радиоактивных веществ, оценки доз облучения населения при водопользовании, экспресс-анализа аварийных ситуаций, происходящих на различных этапах жизненного цикла ЯРОО.
ПК Кассандра использует двухкамерные (водная масса /слой донный отложений) модели миграции радионуклидов в водных объектах (река /водоем), учитывающие основные физико-химические процессы в них и обеспечивающие проведение расчетов с различным уровнем детализации входных данных. Блочная структура комплекса позволяет включать в него сторонние модели рек и водоемов. Он интегрирован на базе ГИС-технологий с моделями атмосферного переноса радионуклидов (в частности, с кодом НОСТРАДАМУС), получая от них входные данные о выпадении радиоактивных веществ в водные объекты и их водосборы.

Программный комплекс Нептун

Решение многих задач радиационного мониторинга и аварийного реагирования связано с необходимостью расчета миграции радионуклидов в морской (океанической) среде. В основе разработанного в ИБРАЭ РАН совместно со специалистами Института океанологии РАН и ИВТ РАН программного комплекса Нептун лежит лагранжева стохастическая модель крупных частиц, которая учитывает характерные особенности рассеивания примеси в квазиоднородном приповерхностном слое перемешивания, изменчивость морских и океанских течений, эффекты турбулентности на малых глубинах и вблизи береговой линии. ПК Нептун используется при анализе безопасности объектов атомного флота и оценке последствий радиационных аварий в морях и океанах.

Вид окна ПК КАССАНДРА и расчет концентраций радионуклидов в верхнем перемешанном слое океана (ПК НЕПТУН).

Программные средства трехмерного гидродинамического моделирования атмосферного переноса радионуклидов.

Специалистами отделения развития систем аварийной готовности и реагирования и лаборатории суперкомпьютерного моделирования и программных комплексов ИБРАЭ РАН в рамках работ по реализации ФЦП ЯРБ-1 были успешно выполнены НИР по созданию прототипа программного комплекса расчета переноса газоаэрозольных примесей в условиях трехмерной геометрии. В нем реализованы математические модели переноса газоаэрозольных примесей, модели осаждения аэрозолей на горизонтальные и вертикальные поверхности, модели расчета дозы облучения человека при внешнем гамма-излучении и ингаляции радионуклидов. 

В состав комплекса входит также модуль по созданию трехмерных моделей застройки и построению на их основе пространственных сеток для дальнейшего расчета переноса, а также база трехмерных компьютерных упрощенных моделей промплощадок ЯРОО Госкорпорации «Росатом» для целей моделирования переноса радиоактивных примесей в промышленной застройке (база включает модели 29 промплощадок ЯРОО). В ходе выполнения НИР программный код прошел валидацию на натурных экспериментах. Комплекс осуществляет оперативное картирования уровней радиационного фона, радиационного загрязнения поверхностей, концентрации примеси в воздухе и ряду других параметров. В комплексе реализованы элементы системы тренинга и помощи в принятии решений в условиях радиационной аварии на ЯРОО.

Поверхностная концентрация радионуклидов в условиях городской застройки.	Модель переноса на промплощадке АЭС.

Программные средства имитации радиационной обстановки.

Создание компьютерных симуляторов и систем имитации послеаварийной радиационной обстановки является имеющим большое значение аспектом научно-технической поддержки мероприятий по радиационному мониторингу и аварийному реагированию. Они обеспечивают высокую степень готовности противоаварийных служб, которая  поддерживается за счет проведения регулярных учений и тренингов. В ИБРАЭ РАН разработана программная система нового поколения Примеры рабочих экранов системы «Пионер», предназначенная для полномасштабной имитации последствий аварии на ЯРОО с генерацией данных оперативной радиационной разведки местности в зоне радиоактивного следа. 

Вид рабочего экрана программной системы «Пионер».

Программные средства расчетной оценки радиологической безопасности АЭС с ВВЭР

В 2017 году специалистами отделения анализа безопасности ядерных энергетических установок и отделения развития систем аварийной готовности и реагирования ИБРАЭ РАН был успешно реализован проект по созданию инструментария для обоснования безопасности действующих и проектируемых АЭС с ВВЭР в проектном и запроектном режимах работы, в том числе при тяжелых авариях с разрушением активной зоны реакторов. Проект основан на совместном использовании аттестованных программных средств СОКРАТ и НОСТРАДАМУС, что обеспечивает сквозной согласованный расчет всех стадий аварийного процесса, начиная от исходного события аварии, и адекватную оценку доз облучения населения.
В настоящее время ИБРАЭ РАН, руководствуясь требованиями и стандартами МАГАТЭ и МКРЗ по применению современных подходов к радиологическому моделированию при обосновании безопасности и зонировании территории вокруг АЭС, осуществляет разработку нового программного средства для проведения многовариантных расчетов возможных радиологических последствий и оценки дозовых нагрузок на население, обусловленных атмосферными выбросами при ЧС с радиа­ционным фактором на АЭС с реакторами ВВЭР.

Обоснование безопасности объектов ядерного наследия при моделировании атмосферных выбросов радиоактивных веществ

В рамках ФЦП ЯРБ-2 с участием нескольких отделений ИБРАЭ РАН, под общим руководством отделения анализа долгосрочных рисков в сфере обеспечения ядерной и радиационной безопасности, проводятся НИР по созданию расчетно-прогностического комплекса RELTRAN. Он предназначен для решения задач по обеспечению радиационной безопасности объектов использования атомной энергии как в период их функционирования, так и при выводе из эксплуатации, включая оценку параметров атмосферного выброса, моделирование атмосферного переноса радиоактивных веществ, оценку параметров радиационной обстановки и определение необходимости и эффективности контрмер. В ходе реализации поставленных задач в 2016—2017 годах решены вопросы разработки технологической платформы и архитектуры базовой версии RELTRAN, сформулированы требования к форме и содержанию базы исходных данных (базы знаний) в соответствии с требованиями российских нормативных документов и МАГАТЭ, определен состав физических и математических моделей комплекса RELTRAN и сформулированы функциональные требования к ним. Определены функциональные и программные блоки комплекса, принципы их работы и информационного взаимодействия.

Картографическое обеспечение программно-технического комплекса

Современные программно-технические комплексы для систем радиационного мониторинга и аварийного реагирования разрабатываются на основе технологии геоинформационных систем (ГИС). Основным рабочим интерфейсом ГИС-приложения является электронная карта, через которую можно получить доступ ко всей имеющейся информации по интересуемым объектам, а также наглядно отобразить результаты анализа и моделирования в рамках данного приложения.
В ИБРАЭ РАН в течение длительного времени проводятся работы по созданию и пополнению единого банка электронных карт (БЭК ИБРАЭ).

Сегодня банк электронных карт ИБРАЭ включает в себя большое количество векторных и растровых карт и планов различных масштабов:

• обзорные карты мира (масштабов 1:30 000 000, 1:1 600 000);
• обзорные карты России и стран СНГ (масштабов 1:1 000 000, 1:8 000 000);
• карты регионов России (масштабов 1:1 000 000, 1:100 000, OpenStreetMap);
• карты окрестностей ЯРОО России (масштабов 1:100 000, 1:200 000);
• отдельные номенклатурные листы карт различных масштабов (1:1 000 000, 1:200 000);
• отдельные тематические слои, растровые карты, планы и спутниковые снимки.

Справочно-информационная система.

Справочно-информационная система включает в себя: 

• Банк компьютерных моделей и программ для анализа различных аспектов радиационных аварий;
• Базу данных по характеристикам ядерно и радиационно опасных объектов и территорий их размещения (население, объекты окружающей среды, инфраструктура);
• Базу данных по радиологическим сценариям аварий;
• Базу данных по нормативно-технической документации в сфере аварийного реагирования (содержит российские и международные стандарты, регламенты, нормативные документы, методические руководства, законодательные акты, публикации МАГАТЭ). Предназначена для информационного обеспечения территориальных систем аварийного реагирования и радиационного мониторинга и позволяет хранить, выполнять поиск и отображать тексты и реквизиты нормативных документов, а также стандартов, применяемых на территории России и регламентирующих деятельность единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС на различных уровнях организации. Система отличается информационной полнотой и содержит большое количество документов по теме, в том числе законодательные акты федерального уровня, документы министерств, ведомств, АО, предприятий и организаций, нормативные документы, стандарты и методические руководства, описания территориальных систем аварийного реагирования, международные документы и публикации МАГАТЭ;
• Банк электронных карт (БЭК ИБРАЭ РАН), содержащий большое количество выполненных на основе технологий геоинформационных систем (ГИС) векторных и растровых географических карт различных масштабов, планов ядерно и радиационно опасных объектов, спутниковых снимков и т.д.

Фрагмент импортированной карты в формате OpenStreetMap и пример информационного окна базы данных по ЯРОО.

Практическое применение

Научно-техническая поддержка территориальных и ведомственных систем аварийного реагирования.

Моделирование радиационной обстановки на промплощадке ЯРОО с использованием трехмерных моделей; анализ данных мониторинга, поступающих с датчиков автоматизированных систем контроля радиационной обстановки (АСКРО) и систем передачи данных (СПД) оперативной технологической и радиационной информации с АЭС; обмен информацией и оказание экспертной поддержки кризисным центрам.

Осуществляется через НЦУКС МЧС России, СКЦ Росатома, КЦ Концерна «Росэнергоатом», Центр мониторинга и прогнозирования ЧС г. Москвы, другие региональные и ведомственные кризисные центры.

АСКРО (Балаковская АЭС).	СПД Калининской АЭС.

Аналитическая поддержка мероприятий по противодействию угрозе радиологического терроризма.

Трехмерное моделирование и анализ последствий диспергирования радиоактивных веществ в условиях плотной городской застройки; расчетное обоснование эффективности защитных мероприятий.

Высокая эффективность программно-технического комплекса ЦНТП ИБРАЭ РАН была продемонстрирована в ходе работ по анализу аварии на АЭС «Фукусима Дайичи» в марте 2011 г. и по прогнозированию возможных последствий радиационного инцидента в г. Электросталь в апреле 2013 г.

Анализ радиационных последствий аварии на АЭС «Фукусима Дайичи» (расчет по коду НОСТРАДАМУС).

 Результаты моделирования радиационной обстановки на площадке Электростальского завода тяжелого машиностроения.

Партнеры ИБРАЭ РАН по разработке программно-технического комплекса поддержки принятия решений

• МЧС России, Госкорпорация «Росатом»;
• ОАО «Концерн Росэнергоатом»;
• НИЦ «Курчатовский институт»;
• ФГБУ ВНИИ ГО ЧС (ФЦ);
• ОАО «СХК»;
• ФГУП «ПО «Маяк»;
• ОАО «ГНЦ НИИАР»;
• ФГБУ НПО «Тайфун»;
• ФГУП «РосРАО»;
• ОАО «Машиностроительный завод».