РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ТЕОРИИ И МЕТОДОВ МАРШРУТНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДОЗОВЫХ НАГРУЗОК В СИСТЕМЕ С РАДИОАКТИВНЫМИ ОБЪЕКТАМИ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗНЫМ ЭТАПАМ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА АС)
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
На протяжении всей истории гражданской атомной энергетики, начиная с Первой в мире АЭС (Обнинск, 1954), радиационная защита (РЗ) от профессионального облучения всегда была проблемной областью. Решению этой проблемы по различным направлениям посвящены работы многих российских (советских) и зарубежных ученых.
По мере увеличения срока эксплуатации АЭС выявилась тенденция возрастания облучения персонала. Общая коллективная доза (КД), накопленная в странах ОЭСР за 1969-1995 гг., достигла 15 255 чел •Зв. Годовая КД росла до 1983 г. (928 чел^Зв), затем стала снижаться при росте количества энергоблоков .
В 1990 г. в соответствии с рекомендациями МКРЗ (Публикация 60) предел дозы был снижен до 20 мЗв в год. Отсутствие наблюдаемой пороговой дозы и ограниченность ресурсов мотивировали разработку принципа ALARA .
В России новые значения дозовых пределов облучения персонала для действующих предприятий вводились Нормами радиационной безопасности (НРБ-96) с 01.01.2000 г.
Определяющий вклад (80-90 %) технического обслуживания и ремонта (ТОиР) в КД определил первоочередность задачи снижения ДЗ ремонтного персонала. Департамент ТОиР Концерна «Росэнергоатом» инициировал привлечение кафедры «Атомные станции и ВИЭ» УрФУ для участия в ее решении. В рамках этой задачи автором диссертации были разработаны научно-технические решения по снижению КД, представленные в серии публикаций, докладов, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук . Исследования выявили факторы, формируемые на начальных этапах жизненного цикла АЭС, и приводящие к повышенным ДЗ при эксплуатации, продлении срока эксплуатации (ПСЭ) и выводе из эксплуатации (ВЭ). Это инициировало расширение области исследований, поиск решений, снижающих ДЗ на всех этапах жизненного цикла.
В результате комплекса мероприятий годовые КД персонала АЭС России с 1990-х годов по настоящее время снизились в 3-4 раза, достигли стационарного уровня, незначительно меняясь в зависимости от объема ремонтов. Дальнейшая оптимизация РЗ персонала определяется управлением индивидуальными дозами (совершенствование организации работ, улучшение радиационной обстановки, сокращение времени пребывания в дозовых полях).
Актуальность темы диссертации определяется нерешенностью ряда вопросов, стоящих перед специалистами по РЗ, учитывая старение АЭС, работы по ПСЭ, ВЭ АЭС, экономическое и социальное давление, расширение строительства АЭС, требование минимизации профессионального облучения.
Расширение использования радиационных технологий инициирует внимание промышленности и научных организаций к разработке новых радиационно-защитных материалов (РЗМ) с хорошими защитными свойствами и низкой токсичностью. Актуализировались исследования радиационно¬защитных свойств природных минералов в странах, где сооружаются объекты использования атомной энергии (ОИАЭ), отходов промышленного производства для оценки потенциала их использования в составе РЗ.
Сохраняется актуальность поиска композитных РЗМ, удобных в использовании, технологически позволяющих проектировать их защитные свойства для планируемых условий облучения. К таким РЗМ относятся материалы серии Абрис (производства ООО «Завод герметизирующих материалов»), на базе которых проводились диссертационные исследования, разработка и апробация алгоритма проектирования РЗМ с заданными свойствами.
Неоднородность радиационных полей позволяет минимизировать ДЗ путем маршрутной оптимизации. Сложность решения этих задач потребовала разработки теоретических основ и соответствующих алгоритмов. Сотрудничество автора диссертации с начала 2000-х годов с учеными- математиками кафедры прикладной математики УрФУ и Института математики и механики УрО РАН (член. кор. РАН Ченцовым А.Г., д.ф.м.-н., проф. Сесекиным А.Н., к. ф.-м.н. Ченцовым А.А., к. ф.-м.н. Григорьевым А.М. и др.), совместная реализация шести грантов РФФИ позволили получить новые научные результаты мирового уровня в области маршрутной оптимизации работ, направленные на решение прикладных задач атомной энергетики.
Целью диссертационной работы является разработка новых материалов и комплекса научно-технических и логистических мероприятий для снижения радиационной нагрузки на персонал, окружающую среду и население на этапах жизненного цикла АЭС.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
1. Исследование и анализ ДЗ персонала на этапах жизненного цикла АЭС и выявление потенциала для их минимизации.
2. Анализ удельных ДЗ на выработку электроэнергии, исследование их зависимости от типа реактора, компоновки и т.д.
3. Расчетно-экспериментальные исследования защитных свойств композитных РЗМ на органической и неорганической основах с различным составом наполнителей и добавок по отношению к у-излучению.
4. Проведение пилотного исследования экранирующих свойств композитных РЗМ на органической основе для разработки программы комплексных испытаний их защитных свойств по отношению к смешанному у- и нейтронному излучению на ИВВ-2М.
5. Моделирование дополнительного внутреннего экранирования контейнеров при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на опытной установке ионоселективной сорбции СогеЬпск (НИИ «ЭКСОРБ») в Актау (РУ БН-350) для повышения емкости по активности 137Сз и 60Со.
6. Разработка конструкции фильтра-контейнера с комбинированной защитой и увеличенной емкостью по активности.
7. Разработка устройства заморозки и охлаждения натрия в трубопроводах для минимизации ДЗ персонала при работах на I контуре РБН.
8. Разработка конструкции быстросъемной комбинированной тепловой и радиационной защиты трубопроводов с радиоактивными средами.
9. Разработка теории и методов маршрутной оптимизации работ в неоднородных радиационных полях при эксплуатации, ВЭ АЭС, ликвидации последствий радиационной аварии.
10. Расчетно-экспериментальные исследования природных минералов для оптимизации состава РЗ при хранении РАО.
11. Разработка демонстрационных версий 3Э-моделей радиационно¬опасных помещений для подготовки персонала.
12. Разработка и внедрение в процесс профессиональной переподготовки специалистов результатов исследований по оптимизации РЗ персонала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведено исследование ДЗ и потенциала минимизации ДЗ персонала на этапах жизненного цикла АЭС с РБН.
2. Впервые проведено исследование и анализ работ по ПСЭ РУ БН-600, предложены научно-технические решения по оптимизации и минимизации ДЗ персонала.
3. Сформулированы концептуальные подходы к ВЭ РУ БН-600 с учетом особенностей интегральной компоновки первого контура.
4. Разработан алгоритм оптимизации состава композитных РЗМ применительно к планируемым условиям облучения
5. Проведена оптимизация параметров и разработаны конструкции быстросъемных устройств тепловой и РЗ трубопроводов с радиоактивными средами, охлаждения натрия в трубопроводах для минимизации ДЗ персонала.
6. Разработаны теория и алгоритмы маршрутной оптимизации работ в неоднородных радиационных полях при обслуживании и демонтаже АЭС.
7. Получены новые теоретические результаты мирового уровня, по точным и приближенным методам решения маршрутных задач с усложненным критерием, включающим внутренние работы.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Исследованы закономерности облучаемости персонала на этапах
жизненного цикла АЭС с РБН.
2. Проведено комплексное исследование работ по ПСЭ РУ с БН-600, выявлены наиболее дозозатратные операции, сформулированы предложения по оптимизации РЗ в проектах перспективных РБН.
3. Концептуальные подходы к ВЭ РУ интегральной компоновки могут быть использованы при разработке программы ВЭ РУ БН-600.
4. Разработана методология оптимизации состава композитных РЗМ для использования при подготовке к планируемым условиям облучения (Акт внедрения, ООО «ЗГМ»).
5. Материалы диссертационного исследования использованы при разработке дополнительной защиты контейнеров для увеличения их емкости по суммарной активности сорбента, насыщенного 137Сз и 60Со при переработке ЖРО на РУ БН-350 (Акт внедрения, НИИ «Эксорб»). Получен патент на полезную модель.
6. Получены новые теоретические результаты по точным и приближенным методам решения маршрутных задач с усложненным критерием, включающим внутренние работы.
7. Разработан алгоритм решения «задачи дозиметриста». Проведено промышленное испытание демонстрационной программы в условиях Белоярской АЭС, на основании которых планируется внедрение (Акт о промышленных испытаниях на Белоярской АЭС).
8. Разработаны конструкции комбинированной тепловой и радиационной защиты трубопроводов с высокотемпературными радиоактивными средами; устройства заморозки натрия, снижающие трудо- и дозовые затраты. Получены два патента на полезные модели и один на изобретение. Подана заявка на изобретение.
9. Разработана и реализована методология подготовки специалистов для атомной энергетики с использованием виртуальных методов, сокращающая время выполнения работ в радиационных полях.
10. Материалы диссертационного исследования вошли в учебники и учебные пособия УрФУ и внедрены в учебный процесс подготовки и профессиональной переподготовки специалистов для атомной энергетики.
Методология и методы диссертационного исследования
Численное моделирование процессов теплообмена выполнено с помощью программы SolidWorks Educational Edition; SD-моделирования - учебных версий программ BIM- и 3D программы AutoDesk Revit и AutoDesk 3DS Max. MCNP-5, расчет экранирующих свойств - с помощью программ Phy-X, XCOM.
В диссертационной работе использовались методы Монте-Карло, динамического программирования, нелинейного математического программирования, математического моделирования с привлечением современных компьютерных программных продуктов.
В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, установка NETZSCH HFM 436 Lambda, рентгено- и гамма¬графия, аппаратно-программный комплекс для компьютерной радиографии на основе сканера HD CR-35 NDT, активационные детекторы из аттестованных наборов (АКН-Т-10 №014, СН-60/10, СН-65/11), высокочувствительные методы сцинтилляционной дозиметрии, поверенные измерительные приборы (дозиметр рентгеновского и у-излучения ДКС-АТ1123, дозиметр-радиометр МКС-АТ1117М с блоком детектирования БДКН-01), облучение образцов с заданной плотностью потока тепловых нейтронов (E<0,625 эВ) в реакторе ИВВ-2М, для гамма-спектрометрических измерений использовался поверенный радиометрический эталонный комплекс КРЭНА-ИВВ, включающий германиевый детектор GC 1019, многоканальный анализатор импульсов GammaFast и программное обеспечение Genie-2000 (Canberra).
Положения, выносимые на защиту:
• Результаты исследований ДЗ при сооружении, эксплуатации, ТОиР и ПСЭ АЭС с реакторами типа БН и влияние на них проектных решений.
• Зависимость дозовой стоимости электроэнергии АЭС от типа и компоновки РУ, мощности энергоблока, количества контуров.
• Алгоритм проектирования композитных полимерных РЗМ для планируемых условий облучения.
• Алгоритмы маршрутной оптимизации в неоднородных радиационных полях при эксплуатации, ВЭ и ликвидации радиационной аварии.
• Требования к природным матричным и РЗМ для различных источников радиационных загрязнений при подготовке к хранению и захоронению.
• Результаты расчетно-экспериментальных исследований радиационно-защитных свойств природных и модифицированных материалов для оценки их использования при сооружении объектов хранения и захоронения РАО.
• Конструкции быстросъемной комбинированной тепловой и РЗ трубопроводов с высокотемпературными радиоактивными средами; заморозки натрия в трубопроводах.
• Методология подготовки персонала АЭС для сокращения времени пребывания в радиационных полях с использованием виртуальных методов.
Степень достоверности полученных результатов базируется на всестороннем анализе выполненных ранее работ по предмету исследования, использовании поверенной и аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры, проверенного программного обеспечения, современных средств и методов проведения исследований (математическое моделирование и планирование эксперимента); сравнении результатов моделирования радиационно-защитных свойств материалов с компьютерной программой XCOM; подтверждается представительным объемом исходного материала, хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов, моделирования с экспериментальными данными; обеспечивается воспроизводимостью прогнозируемых результатов при вычислительных экспериментах с использованием многопроцессорной вычислительной системы (МВС); подтверждается лабораторной и опытной апробацией разработанной технологии, актами промышленных испытаний и внедрений.
Личный вклад автора заключается в выборе и обосновании направлений исследований; разработке методик экспериментов; в непосредственном участии в выполнении научных экспериментов, разработке установок, математической обработке экспериментальных данных, подготовке основных публикаций, докладов на конференциях, научно-технических семинарах и обсуждении результатов работы с организациями, вовлеченными в работу по созданию/внедрению разработанных технологий. Все представленные материалы получены автором лично или в соавторстве.
Автор диссертации осуществлял научное руководство соискателями, аспирантами и исследовательскими группами по отдельным направлениям исследования. Ряд расчетно-экспериментальных исследований радиационно-защитных свойств природных минералов выполнен в коллаборации с учеными университетов Египта, Иордании, Саудовской Аравии, Турции и др.
Разработка теории и алгоритмов маршрутной оптимизации работ осуществлялась автором диссертации в составе научных групп в рамках реализации шести грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) в течение 2010-2021 годов: РФФИ № 10-08-00484 «Методы и алгоритмы маршрутной оптимизации в задачах атомной энергетики», РФФИ Урал № 10-01-96020 «Проблемы маршрутизации в условиях ограничений и их применение в задачах атомной энергетики», РФФИ № 13-08-00643 «Маршрутная оптимизация на объектах использования атомной энергии», РФФИ (РГНФ) 13-01-96022 р_урал_а «Методы маршрутизации в некоторых задачах атомной энергетики: проблема снижения облучаемости персонала», РФФИ 17-08-01385 «Оптимизация маршрутов в условиях ограничений для типичных инженерных задач управления инструментом при листовой резке на машинах с ЧПУ и снижения дозовой нагрузки персонала на радиационно опасных объектах», РФФИ 20-08-00873 «Разработка математических моделей и алгоритмов решения прикладных оптимизационных маршрутных задач со сложными целевыми функциями и параметрами».
Реализация результатов работы
Результаты диссертационного исследования внедрены в образовательный процесс ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого президента России Б.Н. Ельцина», Института ядерной энергетики и технической физики им. академика Ф.М. Митенкова ФГБОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева», Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета (Акты внедрения).
На основании результатов исследований получены 3 патента РФ на изобретения и 4 - на полезные модели.
Результаты исследований органометаллических РЗМ использованы при разработке и изготовлении новой линейки материалов серии «Абрис-РЗ» на предприятии ООО «Завод герметизирующих материалов» (г. Дзержинск) при проектировании состава РЗМ для планируемых условий облучения (Акт внедрения в ООО «ЗГМ»).
Результаты работы использованы при опытно-промышленном внедрении технологии COREBRICK™ (НПП «ЭКСОРБ») по переработке ЖРО РУ БН-350 (г. Актау, Казахстан) для оптимизации РЗ контейнеров (Акт внедрения в НИИ «Эксорб»).
Материалы диссертации используются автором при реализации программы профессиональной переподготовки работников Белоярской АЭС, АО «Атомэнергоремонт», АО «Институт реакторных материалов» (2011-2022).
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы были обсуждены и получили одобрение на 41-й международных научно-технических конференциях: «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2006-2018), «Безопасность АЭС и подготовка кадров» (Обнинск, 2011-2018), 1st International Conference on Energy Production and Management in the 21st Century: The Quest for Sustainable Energy Екатеринбург, 2014); «Involvement of maintenance organizations in emergency response taking into account the lessons learned from the Fukushima events» («Участие ремонтных организаций в противоаварийном реагировании с учетом опыта событий на АЭС Фукусима») (Plzen, Czech Republic, 2014), «Белоярской АЭС 40, 50 лет» (Заречный, 2004, 2014), «Информационные технологии и системы» (Банное, 2017), «Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2017-2021» (Екатеринбург, 2017¬2021), «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетка» (Екатеринбург, 2017-2021);9th IFAC Conference «Manufacturing Modelling, Management and Control» (Deutschland, Berlin, 2019); Международная научно-техническая школа-семинар по ядерным технологиям (Екатеринбург, 2019); III, IV Международная научная конференция «Техногенные системы и экологический риск» (Обнинск, 2020, 2021); International Conference «Energy, Ecology, Climate 2020 - WCAEE-ICEEC- 2020» (Sarov, Russia, 2020); MOSM-2020 (Екатеринбург, 2020); XX International Symposium on Solid State Dosimetry conference (Mexica, 2020); 3rd International Forum on Advances in Radiation Physics (Malaysia, Kuala Lumpur, 2021); XVII международная конференция «Будущее атомной энергетики» (Обнинск, 2021), The 15th International Symposium on Radiation Physics (Kuala Lumpur, Malaysia, 2021); 24-х всероссийских: «Новые технологии в ремонте АЭС» (Москва, 2008), «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008-2014), «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. НИВИЭ» (Екатеринбург, 2008-2016), «Mathematical Modeling and Information Technologies» (Yekaterinburg, 2016), «Научно-техническая школа-семинар по ядерным технологиям» Екатеринбург, АО «ИРМ», 2016-2017), «Научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института УрФУ» (Екатеринбург, 2016-2019).
В 2021 г. на Белоярской АЭС проведена апробация демонстрационной программы оптимизации маршрута дозиметриста с посещением заданных точек помещения с учетом обхода препятствий. (Акт промышленных испытаний, Белоярская АЭС).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 292 научных работ, из них 66 работ в журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ общим объемом 47,51 п.л. (авторских 26,42 п.л.), в том числе 45 работ в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных ( Scopus, Web of Science), 2 монографии объемом 12,5+14,62=27,12 п.л. (авторских 12,5+5,49=17,99 п.л.), а также в 226 статьях, тезисах докладов и выступлений, получено 7 патентов Российской Федерации (3 - на изобретения и 4 - на полезные модели. Основные положения диссертационного исследования вошли в 5 учебников и 9 учебных пособий.
Структура и объем работы. Структура диссертационного исследования подчинена замыслу исследования и состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, списка использованных источников, включающего 258 наименования. Общий объем диссертации 342 страницы. Работа содержит 175 рисунков и 74 таблицы.
Итогом диссертационной работы являются научно-обоснованные технические решения, повышающие эффективность реализации принципа оптимизации РЗ персонала на этапах жизненного цикла АЭС, имеющие важное социально-экономическое значение - обеспечение приемлемости ядерной энергетики, как основного низкоуглеродного энергоисточника, обладающего гарантированной безопасностью, экономической устойчивостью и конкурентоспособностью, отсутствием ограничений по сырьевой базе, экологической устойчивостью (малоотходностью). Разработанные научно-технические решения будут использованы для оптимизации состава композитных РЗМ; сокращения времени пребывания в радиационных полях за счет использования специальных приспособлений, подготовки персонала с использованием виртуальных технологий; маршрутной оптимизации работ в неоднородных радиационных полях при эксплуатации, включая ремонт, ПСЭ, и демонтаже радиоактивных систем при ВЭ АЭС.
В результате выполненной работы получены следующие результаты:
1. Проведено исследование ДЗ и потенциала оптимизации РЗ персонала на этапах жизненного цикла АЭС.
2. Проведено комплексное исследование и анализ организации работ по ПСЭ РУ БН-600, сформулированы рекомендации по их оптимизации и минимизации радиационных нагрузок на персонал.
3. Сформулированы подходы к ВЭ РУ БН-600, исходя из особенностей интегральной компоновки I контура.
4. Проведены расчетно-экспериментальные исследования композитных РЗМ на органической и неорганической основе с различным составом наполнителей по отношению к у-излучению. Разработан алгоритм проектирования и оптимизации состава композитных полимерных РЗМ применительно к планируемым условиям облучения.
5. Проведены расчетно-экспериментальные исследования природных неорганических минералов для оптимизации состава РЗ для хранения и захоронения РАО.
6. Проведено пилотное исследование ослабляющих свойств гомогенных РЗМ на органической основе для формирования программы комплексных испытаний по отношению к смешанному у- и нейтронному излучению на ИЯУ ИВВ-2М
7. Проведено моделирование дополнительного внутреннего экранирования контейнеров при переработке ЖРО на опытной установке ионоселективной сорбции СогеЬпск (НИИ «ЭКСОРБ») в Актау (РУ БН-350) для повышения емкости по сорбированной активности 137Сз и 60Со.
8. Разработаны конструкции быстросъемных устройств тепловой и радиационной защиты трубопроводов с радиоактивными средами, заморозки натрия в трубопроводах для повышения безопасности и минимизации дозовых затрат персонала (получены 1 патент на изобретение и 2 на полезные модели).
9. Разработаны алгоритмы маршрутной оптимизации работ в неоднородных радиационных полях. Проведены вычислительные эксперименты на суперкомпьютере «Уран».
10. Получены новые теоретические результаты, по точным и приближенным методам решения маршрутных задач с усложненным критерием, включающим внутренние работы.
11. Разработана мобильная сборная биологическая защита персонала от ионизирующего излучения при ремонте и при ликвидации последствий радиационных аварий (получен патент на изобретение).
12. Разработаны демонстрационные версии 3В-моделей помещений АЭС для подготовки персонала для сокращения времени пребывания в радиационных полях.
13. Разработаны учебно-методические материалы по оптимизации радиационной защиты и внедрены в процесс подготовки и профессиональной переподготовки специалистов.
14. Материалы диссертационного исследования вошли в 2 монографии, 5 учебников, 9 учебных пособий, 292 публикации и внедрены в учебный процесс подготовки специалистов в области использования атомной энергии в Уральском федеральном университете, Нижегородском государственном техническом университете, Томском политехническом университете (Акты о внедрении).