Создание цифрового двойника для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека в районе расположения ОДЭК

Совершенствование реакторных установок и ядерных топливных циклов с целью повышения их экономической эффективности и радиационной безопасности является необходимым условием развития атомной промышленности. Влияние на население и объекты окружающей среды ионизирующего излучения, связанного с выбросами и сбросами радионуклидов, рассматривается в качестве специфического и главного экологического фактора [1, 2]. В этой связи следует подчеркнуть значимость радиоэкологических оценок, эксплуатируемых и планируемых ядерно-энергетических объектов.

Для обеспечения экологической безопасности населения и окружающей среды при строительстве и планируемом вводе в эксплуатацию опытно-демонстрационного энергокомплекса (ОДЭК) с реактором на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300 и предприятиями, обеспечивающими замыкание топливного цикла [3] с применением геоинформационных технологий (ГИС), была разработана современная цифровая система («цифровой двойник»). Цифровой двойник является виртуальной копией реального объекта, создаваемой на основе математических моделей и программных средств. Эта система предназначена для систематизации, визуализации и анализа информации для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека при нормальной эксплуатации радиационно-опасных объектов и в случаях аварийных ситуаций.

Для оценки доз облучения населения и наполнения цифрового двойника слоями электронных карт, созданных на основе прогнозных расчётов для условий нормальной эксплуатации

Кречетников В.В.* – науч. сотр.; Титов И.Е. – науч. сотр.; Спиридонов С.И. – гл. науч. сотр., д.б.н.; Карпенко Е.И. – директор, д.б.н. НИЦ «Курчатовский институт» – ВНИИРАЭ. Соломатин В.М. – нач. отдела, к.б.н.; Фейгин А.И . – нач. отдела. АО «Прорыв».

РУ БРЕСТ-ОД-300 и различных аварийных сценариев, был задействован расчётный модуль ГИС «Прогноз». Модуль содержит 4 блока: «Модуль ГИС Банк данных», «Модуль ГИС Дозовые нагрузки», «Модуль ГИС Прогноз (хроника)», «Модуль ГИС Прогноз (авария)» [4].

Объекты и методы исследования

Цифровой двойник был создан в программной среде ArcGis, которая позволяет проводить анализ пространственно-распределённых данных и даёт возможность наиболее полно отобразить в виртуальной среде реальный объект. Вся собранная информация хранится в геобазах данных, представленных атрибутивными таблицами, в которых помимо атрибутов хранится и пространственная составляющая. Визуализация собранных атрибутивных данных осуществляется посредством электронных карт различной тематики. Проект открыт для внесения новых и редактирования существующих данных в случае необходимости.

При создании карт, отображающих пространственное распределение дозовых нагрузок на население, использовалась интерполяция по методу Кригинга. В отличие от других методов интерполяции, инструмент Кригинг основывается на статистических моделях, включающих анализ автокорреляции (статистических отношений между измеренными точками), и включает поисковый статистический анализ данных, моделирование вариограммы, создание поверхности и (дополнительно) изучение поверхности дисперсии [5, 6].

Электронные карты цифрового двойника для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека в районе расположения ОДЭК создавались для 10-ти сценариев проектных аварий, 2-х сценариев запроектных аварий и 2-х сценариев нормальной эксплуатации реакторной установки (РУ). В табл. 1 приведены сценарии атмосферных выбросов радиоактивных веществ в случае аварийных ситуаций и при нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300.

Таблица 1

Сценарии атмосферных выбросов радиоактивных веществ в случае аварийных ситуаций и при нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300

Ситуация облучения	Сценарий атмосферного выброса радиоактивных веществ
Нормальная эксплуатация	Выброс из РУ при нормальной эксплуатации без использования фильтров Выброс из РУ при нормальной эксплуатации с использованием фильтров
Нарушение нормальной эксплуатации	Достижение эксплуатационного предела (ЭП) по разгерметизации твэлов Достижение предела безопасной эксплуатации (ПБЭ) по разгерметизации твэлов
Проектная авария	Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура под ГО/мгновенный выброс без учёта работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура под ГО/мгновенный выброс с учётом работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура под ГО/суточный выброс без учёта работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура под ГО/суточный выброс с учётом работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура в ЦЗ/мгновенный выброс без учёта работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура в ЦЗ/мгновенный выброс с учётом работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура в ЦЗ/суточный выброс без учёта работы фильтров Разгерметизация газовой полости блока реакторного/выход защитного газа первого контура в ЦЗ/суточный выброс с учётом работы фильтров Разгерметизация ресивера выдержки защитного газа Разгерметизация всех твэлов одной ТВС при перегрузке
Запроектная авария	Выброс газовой подушки при достижении ПБЭ по негерметичным твэлам Ввод полного запаса положительной реактивности путём извлечения из активной зоны РО СУЗ с максимальной проектной скоростью при работе РУ на мощности или МКУ

Для условий нормальной эксплуатации реакторной установки предусмотрено 2 сценария атмосферных выбросов радионуклидов: без использования и с использованием фильтров. Эти данные рассматривались в качестве входных при расчёте дозовых нагрузок на население, проживающее на прилегающей к ОДЭК территории. В сценариях нарушения нормальной эксплуатации предполагалось, что радионуклиды из негерметичных твэлов с дефектами будут попадать из активной области в окружающую среду в течение 5-ти сут. Для проектных аварий в первых двух сценариях, описанных в табл. 1, расчёт проводился с учётом и без учёта работы фильтров для случая мгновенного выброса продолжительностью 23 с и суточного выброса. Для сценария «Разгерметизация ресивера выдержки защитного газа» время выброса составляло 1,5 ч, а в случае сценария «Разгерметизация всех твэлов одной ТВС при перегрузке» – 10 сут. Для запроект-ных аварий при первом сценарии время выброса составляло 1,5 ч, а в случае наиболее тяжёлого аварийного сценария – 5 сут. Суммарная активность поступивших в атмосферу радионуклидов в этом случае будет существенно превышать суммарную активность для 1-го сценария.

Таким образом, собранные данные включают активности радионуклидов в составе атмосферных выбросов РУ БРЕСТ-ОД-300 для совокупности сценариев, охватывающих нарушение нормальной эксплуатации, проектные и запроектные аварии. Сценарные выбросы различаются по суммарной активности, наличию или отсутствию отдельных радионуклидов, вкладам радионуклидов в суммарную активность и временной протяжённости выбросов. Следует отметить, что для оценки радиоэкологической значимости отдельных радионуклидов необходимо сопоставлять не их активности в составе выброса, а формируемые ими суммарные дозовые нагрузки. Указанные выше характеристики выбросов были использованы в качестве исходных данных для расчёта доз облучения населения и последующего создания векторных карт цифрового двойника.

Результаты и обсуждения

Цифровой двойник для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека в районе расположения ОДЭК содержит атрибутивные базы геоданных и созданные на их основе базовые цифровые карты типов землепользования; характеристики сельскохозяйственных предприятий, расположенных в районе размещения ОДЭК; локализации зон наблюдения и рельефа [7], а также электронные карты результатов прогнозных оценок доз облучения населения. Электронные базовые карты разбиты на 4 группы и содержат 130 слоёв (рис. 1):

• -    группа «Зоны наблюдения» содержит слои, отображающие расположение границ: старой санитарно-защитной зоны (СЗЗ), новой СЗЗ, зоны наблюдения и 30-км зоны АО «СХК». Группа «Промышленные площадки АО «СХК» содержит слои расположения промышленных площадок;

• -    группа «Типы землепользования» содержит слои, показывающие: место расположения и характеристики водных объектов, дорог, населённых пунктов, болот, полей, дачных и садовых участков, кустарников, лесов, островов, земель сельхозназначения;

• -    группа «Рельеф» содержит растровые слои, построенные по изолиниям, отображающие рельеф местности;

• -    группа «Сельское хозяйство» содержит слои, отображающие информацию об административной характеристике сельхозугодий в районе расположения ОДЭК, а также об агрохимических показателях: типе почв, механическом составе, содержании калия, фосфора, органического вещества и кислотности почв.

Q GISAOSHK-ArcMap

Файл Вид Закладка Вставка Выборка Геообработка Настройка Окна Справка

EDeeanoaxi», г-|<».||1Ж5» -1Иаэиша1>-в i^Mzisiaiae pw™P-                     iB’BE«anQE3iBaiBn^zzM@a*BBE«^ei::::i**i«' и 1*10 в 2 ha*ibiiib е>м

Доза внешнего облучения населения Доза внешнего облучения критгрупп населения Доза внутреннего облучения населения Доза внутреннего облучения критгрупп населения Суммарная доза облучения населения

Рис. 1. Рабочая область цифрового двойника с группами слоёв.

Электронные карты пространственного распределения прогнозных оценок доз населения строились на основе модельных расчётов. Для расчёта годовых доз облучения человека применялся программный модуль ГИС «Прогноз», который представляет собой совокупность взаимодействующих модулей, объединённых общим набором файлов данных, и основан на единых методологических подходах и общем интерфейсе. В его состав входят следующие программные модули (рис. 2):

• -    ГИС «Банк данных» для обеспечения централизованного накопления и многоцелевого использования данных по радиоэкологическим показателям окружающей среды в виде единого Банка данных;

• -    ГИС «Дозовые нагрузки» для оценки доз облучения биоты на основе единого Банка данных радиоэкологического мониторинга, данных систем радиационного контроля и прогноза радиационно-экологической обстановки на основе Гауссовых моделей осаждения радионуклидов;

• -    ГИС «Прогноз» (хроника) для выполнения прогнозных расчётов доз внешнего и внутреннего облучения населения при хронических радиоактивных выпадениях на основе единого Банка данных радиоэкологического мониторинга, данных систем радиационного контроля и прогноза радиационно-экологической обстановки на основе Гауссовых моделей осаждения радионуклидов;

• -    ГИС «Прогноз» (авария) предназначен для выполнения прогнозных расчётов доз внешнего и внутреннего облучения населения в течение длительного времени после аварийных радиоактивных выпадений.

Рис. 2. Вкладка «Модуль ГИС по расчёту доз облучения».

Рис. 3. Раздел «Модуль ГИС по расчёту доз облучения».

Для расчёта доз облучения населения от проектируемых выбросов при нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300 применялся блок расчёта «Модуль ГИС Прогноз (хроника)». Для сценариев нарушения нормальной эксплуатации, проектных и запроектных аварий использовался блок расчёта «Модуль ГИС Прогноз (авария)».

Собранные данные по радиоактивным выбросам были внесены в соответствующий раздел «Исходные данные». Для каждого сценария была добавлена информация, характеризующая активности радионуклидов, выбрасываемых в атмосферу по всем временным фазам с заданной высотой выброса (рис. 3).

Для расчётов при условиях нормальной эксплуатации использовались средние годовые метеоданные по направлению ветра для региона (табл. 2), которые вносились в расчётный блок во вкладку «Исходные данные по метеоусловиям» (рис. 4).

Таблица 2 Повторяемость направлений ветра

Направление ветра	с	ссв	св	всв	в	вюв	юв	ююв	ю	ююз	юз	зюз	з	зсз	сз	ссз
Частота встречаемости, %	3	3	3	5	5	3	4	5	9	15	16	9	6	5	5	4

Рис. 4. Ввод исходных данных по метеоусловиям.

Расчёт доз облучения для аварийных выбросов и нарушении нормальной эксплуатации проводился при неизменных заданных погодных условиях. Для этого выбирался расчётный модуль «Прогноз дозы облучения при однократном аварийном выбросе и неизменных метеорологических условиях».

Полученные в ходе расчётов данные были сохранены в таблице формата .xls в выбранную рабочую область, затем добавлены в виде слоёв электронных векторных карт в цифровой двойник для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека в районе расположения ОДЭК (рис. 5-8).

Рис. 5. Добавление полученных результатов как точечные объекты на карту.

Рис. 6. Электронная карта «Суммарная годовая доза, мЗв/год» при нормальной эксплуатации с учётом фильтра.

OsiSAOH-bcM)»                                                                                                            -ax юав® e • ' Фн[]™^=^]®яя®яо >e          .

Рад» crop-                                      _                         ■          ^ ^ £ -4=10© It ” * ^- * • О 11 M l£ Й ; Надписи--B-4 -4-a-H -Й Быстра-.

ной^рйяТпО' i

Рис. 7. Добавление полученных результатов как точечные объекты на карту.

Рис. 8. Электронная карта «Суммарная доза, мЗв/год» при выбросе газовой подушки при достижении ПБЭ по негерметичным твэлам.

В результате помимо базовых слоёв, характеризующих объект исследования, в цифровой двойник было добавлено 90 слоёв, включающих точечные слои, содержащие атрибутивную информацию о дозах облучения в расчётных точках, линейные слои изолиний распределения доз облучения и растровые слои пространственного распределения доз облучения. Всего в состав проекта входит 220 слоёв, находящихся в 5 подкаталогах (группах), содержащих различную атрибутивную информацию (табл. 3).

Таблица 3

Количество слоёв, добавленных в цифровой двойник в основную группу «Сценарии атмосферных выбросов РУ БРЕСТ-ОД-300»

Название подкаталога	Количество слоёв
Подгруппа «Базовые слои»
Базовые слои                                                              1	130
Подгруппа «Нормальная эксплуатация»
С учётом фильтров	3
Без учёта фильтров	3
Подгруппа «Нарушение нормальной эксплуатации»
Достижение ЭП по разгерметизации твэлов	6
Достижение ПБЭ по разгерметизации твэлов	6
Подгруппа «Проектная авария – Разгерметизация газовой полости блока реакторного»
Выход защитного газа первого контура под ГО	24
Выход защитного газа первого контура в ЦЗ	24
Разгерметизация ресивера выдержки защитного газа	6
Разгерметизация всех твэлов одной ТВС при перегрузке	6
Подгруппа «Запроектная авария»
Выброс газовой подушки при достижении ПБЭ по негерметичным твэлам	6
Ввод полного запаса положительной реактивности	6
Всего	90

Выводы

В ходе работ был создан цифровой двойник для оценки и прогнозирования радиационного воздействия на человека в районе расположения ОДЭК. Систематизирована и описана актуализированная информация, характеризующая радиоактивные выбросы РУ БРЕСТ-ОД-300.

На основе собранных данных и с использованием модуля ГИС «Прогноз (авария)» и «Прогноз (хроника)» выполнен прогноз доз облучения населения. Результаты прогнозирования позволили оценить уровни радиационного воздействия на население при штатной работе РУ БРЕСТ-ОД-300 и для различных аварийных сценариев. Полученные в ходе расчётов данные были добавлены в виде слоёв электронных карт в цифровой двойник. В результате, созданный цифровой двойник содержит 220 слоёв, включающих базовые слои, точечные слои, содержащие атрибутивную информацию о дозах облучения населения в расчётных точках, линейные слои изолиний распределения доз облучения и растровые слои пространственного распределения дозовой нагрузки.

Результаты, полученные в ходе работ, будут в дальнейшем дополнены оценками доз облучения населения в результате эксплуатации «модуля фабрикации-рефабрикации ядерного топлива» (МФР), что позволит сформировать полную картину воздействия радиационного фактора на население при функционировании ОДЭК. С практической точки зрения, результаты расчётных оценок и создания электронных карт цифрового двойника внесут вклад в обоснование экологической безопасности предприятий ОДЭК с учётом современных подходов к оценке радиационного воздействия на население в районах расположения ядерно-энергетических предприятий.