ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАБОТ ПО РЕАБИЛИТАЦИИ ПУНКТА ВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ ОЯТ И РАО В ПОС. ГРЕМИХА

Д.Б. СТЕПЕННОВ, С.Б. МАКСИМОВ

РНЦ «Курчатовский институт», Россия

Оглавление

• 1. Объект реабилитации
• 2. Визуализация данных комплексного инженерного и радиационного обследования
• 3. Динамическое моделирование работ
• 4. Расчет объемов радиоактивного грунта
• 5. Перспективы использования трехмерной модели
• 6. Контроль за деформациями сооружений и оборудования
• 7. Контроль за радиоактивными материалами
• 8. Создание высокоточной трехмерной модели
• 9. Выводы
• Список литературы

Аннотация

         При реализации проекта по экологической реабилитации пункта временного хранения (ПВХ) отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО) в поселке Гремиха возникли задачи интеграции, верификации и наглядного представления (визуализации) данных, которые поступают от участников работ. В связи с тем, что у участников работ отсутствовал опыт комплексного решения задач реабилитации бывших объектов инфраструктуры Северного флота, был выполнен большой объем научно-исследовательских и конструкторских работ.

         Для решения задач информационного обеспечения работ по реабилитации в РНЦ «Курчатовский институт» разработана информационно-аналитическая система (ИАС), аккумулирующая в себе информацию по проекту и обеспечивающая возможность оперативного решения задач, возникающих перед проектной командой на всех этапах выполнения работ. В состав ИАС входит трехмерная модель ПВХ, включающая в себя модели рельефа местности, дорог, зданий и сооружений, объектов реабилитации и технического оборудования, модель акватории Святоносского залива и средства визуализации модельных данных. Эти данные в полном объеме используются для моделирования технологических схем обращения с радиоактивными отходами.

1. Объект реабилитации

         С 2003 г. в рамках стратегического мастер-плана по утилизации ядерно- и радиационно-опасных объектов на Северо-Западе России РНЦ «Курчатовский институт» проводит работы по экологической реабилитации пункта временного хранения ОЯТ и РАО в губе Червяная (пос. Гремиха) (ПВХГ). Объект расположен на Кольском полуострове в 300 километрах восточнее Мурманска (рис. 1). Работы проводятся под руководством Росатома при поддержке КАЭ Франции, ЕБРР и ТАСИС.

Рис. 1. Кольский полуостров

         Пункт временного хранения ОЯТ и РАО спроектирован и построен в начале 1960-х гг. За время эксплуатации в его хранилищах накоплено значительное количество отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов.

         В процессе эксплуатации ПВХГ защитные барьеры некоторых хранилищ деградировали и частично утратили свои функции, в результате чего произошло проникновение радионуклидов в почву и акваторию, загрязнение конструкций зданий и сооружений, сформировались источники радиоактивного загрязнения, требующие их локализации и устранения.

         В период с 2003 по 2009 г . при финансовой и технической поддержке Росатома, КАЭ Франции, ЕБРР и ТАСИС выполнен большой объем работ по реабилитации ПВХГ. Проведено комплексное инженерное и радиационное обследование (КИРО) ПВХГ, восстановлена инженерно-техническая инфраструктура объекта, улучшены санитарно-гигиенические условия труда и радиационная обстановка за счет локализации g ?источников, завершены проектные работы по улучшению условий хранения ОЯТ и РАО, модернизирована инфраструктура обращения с отработавшей выемной частью (ОВЧ) реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ) АПЛ класса «Альфа», выгружены и размещены в штатных хранилищах две ОВЧ, с технической территории объекта вывезена на переработку в ПО «МАЯК» первая партия кондиционных отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) АПЛ с водо-водяными реакторами (ВВР). Совместно с КАЭ Франции продолжаются работы по реализации первоочередных проектов обеспечения выполнения план-графика вывоза ОЯТ с объекта в период с 2008 по 2011 г ., утвержденного руководством ГК «Росатом».

2. Визуализация данных комплексного инженерного и радиационного обследования

         Программное обеспечение (ПО) ГИС и САПР позволяет производить визуализацию данных КИРО с привязкой их к координатной сетке. Другими словами, результаты точечных измерений КИРО, хранящиеся в базе данных, можно просматривать на двумерной картографической основе или трехмерной модели ПВХГ. Кроме того, ПО позволяет визуализировать картину загрязненности территории на основе данных радиационных измерений. Каждая точка измерений описывается набором параметров:

•  географическое положение (координаты в локальной системе координат ПВХГ);

•  высота над поверхностью измеряемого объекта и уровня земли;

•  результаты измерений мощности дозы гамма-излучения;

•  накопленная доза излучения и время измерения;

•  удельная активность проб (для грунта и бетона).

         На рис. 2 показан вариант визуализации цифровой ДКО, как основы для привязки данных КИРО по работам, проведенным в 2003–2005 гг. для района площадки ПВХТРО.

Рис. 2. Пример визуализации двумерной картографической основы с точками отбора проб на ПВХТРО по запросу к геоинформационной системе

         Безусловно, одной из важнейших функций трехмерной модели является отображение информации о результатах радиационных измерений и инженерных обследований совместно с другими пространственными данными. Существенно то, что точки измерений КИРО образуют несколько послойных двумерных полей, каждое из которых может быть обработано средствами ГИ C как тематическая карта. Это позволяет визуализировать их в удобном «картографическом» виде как по отдельности, так и в различных сочетаниях между собой, с ДКО и с трехмерной моделью ПВХГ. При этом могут быть обеспечены:

•  отображение информации по слоям (разбиение на слои осуществляется по высоте, времени, измеряемым величинам);

•  пространственный анализ и моделирование различных процессов (в том числе динамических), построение профилей.

         На рис. 3 показан пример визуализации поля распределения мощности эквива­лентной дозы (МЭД) на территории ПВХГ по данным КИРО за 2003–2005 гг. Цветовая гамма в этом примере показывает заданный диапазон изменения величин данных КИРО (см. легенду карты) и обеспечивает наглядное, агрегированное представление пространственного распределения важных параметров по территории ПВХГ.

Рис. 3. Распределение МЭД гамма-излучения около ПВХТРО на высоте 0,1 м от земли, мкЗв/ч (данные за 2006 г.)

         Трехмерная цифровая модель ПВХ используется для визуализации полей распределения интенсивностей излучения. Применяется технология наложением двумерного слоя данных на трехмерный каркас модели рельефа. Пример визуализации представлен на рис. 4.

Рис. 4. Трехмерная визуализация распределения удельной активности

3. Динамическое моделирование работ

         Трехмерная модель ПВХ используется при разработке транспортно-технологической схемы (ТТС) по вывозу контейнеров с радиоактивными отходами с ПВХТРО и последующей погрузке на транспортное судно для вывоза с территории ПВХГ. При помощи трехмерной модели осуществлено динамическое моделирование ТТС. Для этих целей разработан сценарий моделирования работ по вывозу ОТВС с ПВХТРО, который включает в себя следующие этапы:

•  установка краном контейнера на транспортное средство;

•  транспортировка контейнера ;

•  перегрузка краном с транспортного средства в шахту поста перегрузки;

•  выгрузка ОТВС ;

•  загрузка ОТВС в контейнере ТК-18 на борт транспортного судна.

         Трехмерная динамическая модель ТТС использовалась при определении возможных пространственных коллизий при транспортировке ОТВС от ПВХТРО к доку.

         Определялась максимальная допустимая скорость движения транспортного средства на различных участках дороги для предотвращения заносов и опрокидывания. На рис. 5, 6 представлены иллюстрации процесса моделирования ТТС.

Рис. 5. Установка краном контейнера на транспортное средство

Рис. 6. Видеофильм транспортировки контейнера

4. Расчет объемов радиоактивного грунта

         В рамках контракта с Комиссариатом по атомной энергии Франции в 2005–2006 гг. специалистами ФГУП НИКИЭТ было проведено радиационное обследование территории ПВХГ, в ходе которого были проведены дозиметрическая съемка (0,1 и 1,0 м от земли), измерения плотности потока бета-частиц на поверхности земли и отобраны пробы грунта для последующего спектрометрического анализа их активности и радионуклидного состава. В 2006 г . были проведены также комплексные инженерно-строительные изыскания, в рамках которых специалистами ЗАО «МурманскТИСИЗ» были пробурены 30 скважин с целью инженерно-геодезического изучения территории ПВХГ .

         В рамках этих работ специалистами РНЦ «Курчатовский институт» была выполнена предварительная оценка распространения радиоактивного и химического загрязнения в вертикальном профиле грунтов и подземных водах в пределах территории ПВХГ. Определены участки с загрязненным грунтом, который имеет удельную активность выше 10 4 Бк/кг (рис. 7).

Рис. 7. Основные участки загрязнения грунта на территории БТБ Гремиха

         Для определения объемов грунта на территории ПВХГ применена технология расчета, основанная на трехмерном объемном моделировании требуемой территории в метрической системе координат с последующим вычислением величины объема.

         Формирование области, объем которой рассчитывается, осуществляется с помощью ограничивающих верхней и нижней поверхностей и условной вертикальной боковой поверхности, замыкающей контур области. Поскольку триангуляционная модель составлена в метрической системе координат, результат вычитания получится также в метрической системе (а именно в м 3 ).

         По результатам геологического обследования вся территория ПВХГ была разбита на три области: основная часть ПВХГ, территория хранения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и площадка под скалой. При определении границ областей расчета и объема грунта учитывались расположение открытых скал, обнаруженные загрязнения почвы, расположение скважин бурения. Для каждой из областей строились верхняя и нижняя ограничивающие поверхности и затем вычислен суммарный объем. На рис. 8 представлен фрагмент трехмерной модели.

Рис. 8 Визуализация модели, по которой производилось вычисление объема

         Полученное значение объема грунта на территории, по которой производилось бурение, составляет около 18 000 м 3 . Это значение можно назвать общим ориентировочным объемом грунта, находящегося в трех областях в сумме.

         Точность определения объема невысокая, поскольку данные для описания профиля скальной поверхности недостаточно точны.

         Оценка объема грунта, который может быть затронут в процессе реабилитации, составляет меньшее значение. В дальнейшем это значение также может быть вычислено ориентировочно с учетом глубины и степени загрязнения почвы, а также желаемого значения радиационного фона после проведения реабилитационных работ.

5. Перспективы использования трехмерной модели

6. Контроль за деформациями сооружений и оборудования

         В обычной практике геодезического контроля за деформациями сооружений и оборудования используется метод высокоточной тахеометрической съемки. Наличие геодезического комплекса на базе наземного геолидара и соответствующего комплекса обработки лидарных данных позволяет организовать такой контроль с значительным снижением временных затрат.

7. Контроль за радиоактивными материалами

         В настоящее время разработаны методы и системы учета и контроля, применяемые в штатных хранилищах с нормативными условиями хранения неповрежденных специзделий и отходов.

         Предлагается дополнить геоинформационными методиками систему учета и контроля на объектах типа ПВХГ, на которых приходится иметь дело с особыми, ненормативными условиями содержания специзделий и радиоактивных отходов, в том числе поврежденных и сильно излучающих, что исключает непосредственный доступ к ним. Кроме того, на объектах типа ПВХГ имеются и площадки открытого хранения, в зоне расположения которых идет активное заражение грунтов и элементов инфраструктуры ПВХГ.

         Все это определяет специфику объектов типа ПВХГ, выражающуюся в том, что на них расположены сильно излучающие множественные разнородные объекты на большой территории с недостаточно точным определением количества ядерного и радиоактивного вещества и сложной, часто хаотической, геометрией расположения. С учетом значительного количества таких объектов на территории России это должно стать предметом повышенного внимания в свете последних решений по противодействию возрастанию террористической угрозы.

         Используемые в настоящее время методики и исполнительные системы учета и контроля не в полной мере решают такую задачу применительно к объектам типа ПВХГ.

         Система учета и контроля должна основываться на использовании методик с максимально точной геопривязкой и иметь базу данных о наличии и истории перемещений всех ядерных и радиационных материалов.

         Поскольку для объектов типа ПВХГ создать дискретную базу данных радиационных материалов практически невозможно (включая загрязненные грунты, строительный и технический мусор, объекты инфраструктуры), предлагается дополнить систему учета и контроля установками дистанционного зондирования с использованием лазерного лидара, который позволяет производить объемную съемку контролируемой поверхности с точностью около 1 мм , с минимальными временными затратами и любой требуемой частотой. Таким образом, вместо перечня предметов учитывается рельеф и контролируется его неизменность, что, в сочетании со всеми прочими методами, выводит систему контроля и учета на качественно новый уровень, так как никакое вмешательство не останется незамеченным. Изменение контролируемой поверхности на несколько миллиметров требует проведения ревизии другими, более трудоемкими методами.

         На сегодняшний день одним из наиболее эффективных решений является дистанционное зондирование на базе лазерного лидара, которое должно обеспечить стопроцентный контроль (в том числе и в сильных радиационных полях) за возможным перемещением (и/или несанкционированным изъятием) любых радиационных материалов (включая зараженные грунты и элементы конструкций инфраструктуры), находящихся в состоянии ненормативного хранения и/или содержания.

         Объемы радиоактивных грунтов можно учитывать с помощью объемных геоинформационных моделей при наличии соответствующей физической и геологической информацией. Бурение скважин и проходка шурфами дают необходимую, но недостаточную информацию по территории. Необходима более подробная глубинная, объемная съемка по всей контролируемой площади, которая может быть проведена, например, с помощью современных георадаров с цифровым выходом в геоинформационную систему, которые используются не только для съемки подповерхностных слоев земли, но и для обнаружения и определения глубины залегания различных подземных коммуникаций, уровня грунтовых вод и т.д.

8. Создание высокоточной трехмерной модели

         Актуализация карты и 3 D -модели включает два этапа: обследование и камеральную обработку результатов.

Обследование

•  Топографическая съемка с использованием современного геодезического оборудования с применением средств автоматизации на основе компьютеров с системой спутникового позиционирования . Это стандартный и наиболее дешевый, но достаточно трудоемкий и медленный способ. Позволяет в достаточной мере обновлять ДКО и 3 D -модель территории ПВХ, хотя не может обеспечить, например, обновление реальных изображений обследуемых объектов для целей их корректного отображения.

•  Фототеодолитная съемка с последующей фотограмметрической обработкой результатов съемки . Позволяет получать трехмерные модели помещений, оборудования и других объектов с одновременным обеспечением визуальной информации. В отличие от топосъемки обеспечивает обновление реальных изображений обследуемых объектов для целей их корректного отображения в соответствующей 3 D -модели. Помимо геодезического оборудования используются специализированная фототехника и программное обеспечение.

•  Лидарная съемка . Наиболее быстрый и точный способ получения как высокоточной измерительной (геодезической) информации, так и визуальной информации, пригодной для использования в 3 D -моделях. Требуется наличие наземного лазерного лидара и соответствующего программного обеспечения для обработки получаемых с его помощью геоданных.

•  Глубинная локация на базе георадаров . Актуализация документации по инфраструктуре территории ПВХГ предусматривает также корректное обследование ее подземной части, включая коммуникации. Существующие в настоящее время и с успехом применяемые в мировой практике технические решения глубинной локации на базе георадаров позволяют решать эту задачу комплексно, с высокой точностью и достоверностью, попутно обеспечивают обследование типов грунтов и водоносных горизонтов и предоставляют эту ценную информацию в цифровом виде, в том числе с трехмерной визуализацией.

9. Выводы

•  сбор, хранение, аналитическая обработка и визуализация данных обследований зданий, сооружений, территории и акватории объекта;

•  классификация накопленных ОЯТ и РАО;

•  компьютерное моделирование в трехмерном пространстве основных технических решений по реабилитации ПВХГ;

•  компьютерное моделирование в трехмерном пространстве мероприятий по обеспечению радиационной безопасности на территории ПВХГ, в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения;

•  анализ и визуализация данных радиационного мониторинга и физической защиты объекта;

•  моделирование аварийных ситуаций, автоматизация аварийного реагирования.

         Данный подход может быть использован для информационно-аналитического обеспечения работ по обследованию и реабилитации любых радиационно-опасных объектов.

Список литературы