автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационная поддержка химических технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами

На правах рукописи

Быковский Вадим Анатольевич

Информационная поддержка химических технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

Москва 2012

005047587

005047587

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий Московского государственного университета тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (МИТХТ им. М.В. Ломоносова].

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Таиров Таир Надырович

Официальные оппоненты Доктор технических наук,

Равикович Виталий Ильич, исполнительный директор научно-производственной фирмы «ДИЭМ»

кандидат технических наук Якушев Сергей Андреевич, начальник отдела Специального программного обеспечения ФГУП «РосРАО»

Ведущая организация ОАО «ВНИИ Химической Технологии»

Защита состоится «25» декабря 2012 года в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, просп. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119571, г. Москва, просп. Вернадского, 86]. Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «25» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Колыбанов К.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

По данным системы государственного учёта и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов (СГУК PB и РАО) в атомной промышленности, энергетике, медицине и в научных исследованиях в Российской Федерации накоплено более 500 млн. м3 жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и более 180 млн. т твердых радиоактивных отходов (ТРО). Из этого количества 99,5% приходится на отходы низкого (НАО) и среднего (CAO) уровней активности, которые размещены в ~1400 приповерхностных радиационно-опасных объектах (хранилищах), расположенных по всей территории России.

Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надежных хранилищ для их длительного хранения и (или) захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, длительность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов.

Решение задач обеспечения экологической безопасности при обращении с РАО предусмотрено в Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года», и в региональных программах «Совершенствование и повышение качества, безопасности, надежности технологий и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды» для Московского, Северозападного и других регионов.

Таким образом, разработка технических решений, организационных мероприятий, методического обеспечения и информационной поддержки принятия управляющих решений по обеспечению экологической безопасности при обращении с РАО является актуальной задачей.

В диссертации излагаются научно-обоснованные технические решения по развитию информационной поддержки принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами низкой и средней активности на предприятиях химического профиля.

Объект исследования:

Объектом исследования являются технологии безопасного обращения с радиоактивными отходами на предприятиях химического профиля. Предмет исследования:

Предметом исследования является информационная поддержка подготовки управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами низкой и средней активности. Цель работы

Целью работы является создание информационного обеспечения для хранения и обработки информации на всех стадиях безопасного обращения с радиоактивными отходами (РАО) низкой и средней активности.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• Системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами средней и низкой активности и процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами

• Системный анализ технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов.

• Информационное моделирование технологических процессов обращения с радиоактивными отходами и разработка комплекса информационных моделей.

• Исследование технологии хранилищ данных в качестве основы построения информационных систем по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

• Разработка эскизного проекта программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Научная новизна

1. Разработана системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

2. Выполнен системный анализ технологий переработки и кондиционирования низко- и среднеактивных отходов.

3. Разработан комплекс информационных моделей типовых технологических процессов кондиционирования радиоактивных отходов, включающий функциональные модели технологических процессов,

диаграммы потоков данных в информационной системе, реляционную и иерархическую модели данных для хранилища данных. Практическая значимость

1. Обоснованы технологии хранилищ данных в качестве основы построения информационных систем по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

2. Разработаны регламенты обработки информации для технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов.

3. Разработан эскизный проект программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положены методы системного анализа [декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование], методология функционального моделирования систем IDEF0, методология моделирования потоков данных DFD, методология проектирования баз данных IDEF1X, иерархическая модель данных XML. Апробация работы

Результаты работы были представлены на научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2011», МИТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2011; международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе», Владимирский государственный университет, Владимир, 2011; конференции Североуральского региона «Эффективные информационные технологии», Березники, 2011; XII международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», Санкт Петербург, 2011; 5 международной конференции «Актуальные достижения европейской науки - 2011», София, 2011; 11 и 12 международных форумах «Ядерная и радиационная безопасность», Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг. Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, 5 публикации в сборниках трудов и тезисов докладов конференций и семинаров. Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулирована цель работы и поставлены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели. Обоснованы методы исследований, научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе «Системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами и основных технологических процессов их переработки и кондиционирования» сформулированы принципы обеспечения экологической безопасности радиоактивных отходов, исследована проблема долговременной локализации отходов, рассмотрены направления и подходы к решению проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами, разработана системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

К основным стадиям обращения с радиоактивными отходами относятся сбор, транспортирование, хранение, переработка и захоронение РАО. Согласно базовым федеральным нормам и правилам в области обращения с РАО, основными целями обеспечения безопасности на всех стадиях обращения с РАО являются:

• Обеспечение надежной защиты персонала и населения от радиационного воздействия РАО сверх установленных нормами радиационной безопасности уровней;

• Обеспечение надежной изоляции РАО от окружающей среды, защита настоящего и будущих поколений, биологических ресурсов от радиационного воздействия сверх пределов, установленных нормами радиационной безопасности;

• Предотвращение выбросов (сбросов) при обращении с РАО в окружающую среду в количестве, превышающем предельно допустимые выбросы (сбросы).

Концептуальные пути решения проблемы безопасного обращения с РАО в Российской Федерации представлены в Федеральной целевой программе "Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года". Основными направлениями обеспечения ядерной и радиационной безопасности являются надежное функционирование объектов использования атомной энергии на всех этапах их жизненного цикла и развитие государственных систем управления и регулирования в данной сфере деятельности.

Существенное значение для решения проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами является их захоронение или долговременное хранение. В исходном виде радиоактивные отходы непригодны для долговременного хранения из-за их радиационного и токсического воздействия, представляющего большую опасность для человека и других объектов биосферы. Таким образом, объекты долговременного хранения размещаются в искусственных сооружениях после предварительного кондиционирования первичных форм радиоактивных отходов.

В результате проведенного анализа технологий переработки и кондиционирования РАО выявлены три основных задачи, на решение которых они направлены: обеспечение механической прочности РАО; перевод отходов в химически неактивную (инертную) форму; сокращение объемов, занимаемых РАО. Решение первых двух задач является обязательным при кондиционировании отходов. Сокращение объемов РАО осуществляется при условии технологической возможности и экономической целесообразности осуществления таких процессов, поскольку объем, занимаемый РАО, непосредственно влияет на стоимость долговременного хранения кондиционированных объектов.

На первом этапе предварительной обработки первичные формы радиоактивных отходов, поступивших на перерабатывающее предприятие в несортированном виде, отправляются на сортировку, перегрузку и последующую упаковку.

На этапе технологической обработки при помощи операций прессования, сжигания, выпаривания, плазменной переработки обеспечиваются химическая инертность и сокращение объёма РАО.

На этапе кондиционирования при помощи операций цементирования, битумирования, остекловывания, иммобилизации образуются конечные формы РАО для последующего долговременного хранения на полигонах в течение времени, необходимого для снижения активности объектов хранения до допустимых уровней.

Принятие решений по обращению с объектами долговременного хранения производится в результате анализа возмущений по данным радиоэкологического мониторинга объектов хранения. Если вследствие каких-либо причин принимается решение по рекондиционированию конкретного объекта хранения, целесообразно определить набор аналогичных объектов, которые были переработаны в тех же условиях по таким же технологиям, по которым может быть принято аналогичное решение.

Для реализации информационной поддержки безопасного обращения с радиоактивными отходами разработана системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами. Системная модель (рис. 1) включает в себя как технологические (материальные), так и информационные потоки и процессы. На основных стадиях обращения с радиоактивными отходами (вертикальные материальные потоки) в управляющих информационных системах формируются большие объемы данных (горизонтальные информационные потоки), которые служат основой для принятия управляющих решений по обеспечению безопасного обращения с РАО.

Магериапьные потаи « процессы ^ Ииффицаоииь« теш* процесс» Ущжнтщкришжт

Рис. 1. Системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами Использованы следующие обозначения:

Т1 - Радиоактивные отходы, направляемые на технологическую переработку

Т2 - Кондиционированные формы РАО для технологического хранения

У11 - Регламентирование процедур обращения с РВ и РАО

У12 - Модернизация системы государственного учета и контроля РВ и РАО

У21 - Повышение эффективности технологий кондиционирования РАО

У22 - Обеспечение информационной поддержки технологических процессов

У31 - Повышение безопасности полигонов и хранилищ отходов

У32 - Совершенствование системы радиоэкологического мониторинга

Первая стадия обращения с РАО включает сбор, хранение и транспортирование первичных форм РАО (поток Т1) на перерабатывающие предприятия. Информационная поддержка принятия управляющих решений (У 11, У12) на этой стадии обеспечивается Системой государственного учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов на основе статистической отчетности предприятий по обращению с исходными формами РАО.

На второй стадии предприятия по переработке и кондиционированию РАО переводят отходы в кондиционированные формы (поток Т2), пригодные для долговременного технологического хранения. Информационную основу принятия управляющих решений (У21, У22) по повышению эффективности технологических процессов и рекондиционированию конечных форм РАО обеспечивают хранилища данных технологических параметров на перерабатывающих предприятиях.

На заключительной стадии обращения с РАО повышение безопасности полигонов и хранилищ отходов осуществляется при помощи систем радиоэкологического мониторинга (У31, У32) объектов длительного технологического хранения.

Контур обратной связи реализуется путем принятия управляющих решений на основе совместного анализа данных, поступающих от информационных систем со всех стадий обращения с РАО.

Во второй главе «Информационное моделирование типовых технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов средней и низкой активности» на основе проведенного системного анализа основных технологических процессов переработки и кондиционирования РАО разработан комплекс информационных моделей технологических процессов кондиционирования радиоактивных отходов.

Методология проектирования прикладных информационных систем (ИС) радиационного и экологического мониторинга на основе технологий хранилищ данных включает ряд этапов информационного моделирования, приведенных в таблице 1. Результатом моделирования является комплекс информационных моделей, описывающих информационные процессы сбора, обработки, хранения и представления информации в хранилище данных с различных точек зрения, как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации ИС.

Таблица 1. Комплекс информационных моделей процессов

сбора, обработки, хранения и представления информации в хранилище данных

Этап моделирования Содержание работ Информационная модель

Анализ предметной области Определение цели ИС, словесное описание предполагаемых функций ИСн обрабатываемых данных Вербальная модель предметной области (в произвольной форме)

Моделирование структуры ИС Декомпозиция подсистем, выявление последовательности стадий обработки информации Функциональнаямодель ИС (в нотации IDEF0)

Моделирование потоков данных Анализ информационных потоковв системе обработки данных Модель потоков данных (в нотации DFD)

Моделирование структуры данных Выявление классов объектов, их атрибутов п связей между ними Информационно-логическая модель данных (ER-модель)

Разработка базы или хранилища да иных Проектирование структуры таблиц данных, полей и типов данных, ограниченийцелостностиданных Реляционная модель данных (в нотации IDEFIX)

Разработка подсистемы обмена даннымг Трансформация реляционной модели дня информационного обмена с внешними ИС Иерархическая модель данных XML

Разработка подсистемы анализа данных Трансформация реляционной модели для решения задач оперативного анализа данных Многомерная информационная модель данных (гиперкуб)

Технологии переработки и кондиционирования РАО предназначены обеспечить долговременное контролируемое хранение

кондиционированных радиоактивных отходов. Исключительное значение имеет при этом сохранение полной информации о технологии получения каждого объекта хранения для подготовки управленческих решений при нарушении или угрозе нарушения условий хранения. В соответствии с методологией разработки ИС был разработан комплекс информационных моделей хранилища данных технологических параметров процессов кондиционирования РАО

На первом этапе моделирования хранилища данных была создана вербальная модель предметной области в виде словесного описания. Вербальная модель включает описание компонентов системы, функций этих компонентов, материальные и информационные потоки, образующиеся в результате функционирования системы. На основе вербальной модели была разработана обобщенная контекстная диаграмма функциональной модели типового технологического процесса переработки и кондиционирования РАО (рис. 2).

Профйурные Твкивлопдоский Методические документы регяаглвнт документы

Пзспорг партии РАО н даже Исходная (промегкуточная)

Тешшогйчете «шпоненты. добззки, формы угшоехи

Кондиционирование радиоактивных отходов

АО

Технологические усшоеаи

ПерСОК8Л

цеха

Яэборзтория

Пэешрт щт'А РАО и другое согарсйзодшваьные дохушнгы Охончатеяьвзя (промежуточная)

р- Бнутрипрогааодатвекные отходы Технологические тждо.

Рис. 2. Обобщенная контекстная диаграмма функциональной модели технологического процесса переработки и кондиционирования РАО

Диаграмма первого уровня декомпозиции функциональной модели процесса кондиционирования РАО (рис.3), разработанная на основе классификации технологических процессов, стадий и операций, также является обобщенной.

Те<вдпхих-1>свд »г.:»; гь

—гкздитса« отходов -

Пааярт тесгр* Р^З ■ хруни

Конт^т, акХкте псвдуктл

Рис. 3. Обобщенная диаграмма первого уровня декомпозиции функциональной модели технологического процесса переработки и кондиционирования РАО

Приведенный пример наглядно показывает наличие процессов двух видов: технологических стадий переработки РАО и контрольных стадий (входного и выходного контроля). Технологические стадии реализуются на соответствующих технологических установках персоналом цехов на основании технологических регламентов. Контрольные стадии

и

выполняются силами лабораторий на основании методических и процедурных документов.

Специфические особенности конкретной технологии переработки РАО начинают проявляться только при более детальном описании процессов на втором уровне декомпозиции функциональной модели.

Рис. 4. Диаграмма второго уровня декомпозиции функциональной модели технологического процесса цементирования РАО

Документальное сопровождение технологических процессов представлено на обобщенной диаграмме потоков данных в информационной системе (рис. 4).

Рис. 5. Обобщенная диаграмма потоков данных ИС

Последующие этапы информационного моделирования посвящены разработке структур хранения данных на основе информационно-логической, реляционной и многомерной моделей данных.

Одной из важных задач, стоящей перед ИС долговременного хранения информации, является обеспечение надежности хранения данных и возможности обмена данными как с существующими, так и с перспективными ИС.

Для организации процедур импорта-экспорта информации в хранилище данных использован расширяемый язык разметки данных XML (extensible Markup Language), что позволит обеспечить преемственность данных при переходе к новым версиям систем управления базами данных в долгосрочной перспективе. Язык XML позволяет определить теги для описания структуры документа (в данном случае - реляционных таблиц), и представить данные таблиц в структурированной форме, не зависящей от особенностей реализации конкретной программной платформы системы управления хранилищем данных.

Применение иерархической модели данных XML позволяет решить еще одну проблему, связанную с требованиями предварительной подготовки данных. Традиционный подход к хранению информации в виде набора связанных таблиц требует нормализации данных и приведению их к третьей нормальной форме перед заполнением таблиц данными. Это обусловлено, в первую очередь, широким распространением реляционных систем управления базами данных и наличием разнообразного прикладного программного обеспечения, ориентированного на обработку реляционных данных. Нормализация данных необходима в силу ограничений, накладываемых реляционной моделью данных, разработанной для повышения эффективности хранения (снижения избыточности) данных и повышения скорости их обработки. Основными препятствиями на пути нормализации являются повторяющиеся группы данных, которые требуют выделения дополнительных связанных таблиц для их размещения, а также жесткость ограничений целостности данных в полученной реляционной модели.

В то же время, многие данные, относящиеся к рассматриваемой предметной области, имеют иерархическую природу. Например, классификация РАО включает в себя три связанные таблицы: классификатор статистических категорий РАО, классификатор групп РАО и предметный указатель по классификатору групп РАО (рис. 6).

Применение иерархической модели данных XML позволит разместить все эти сведения в одном XML-документе без дополнительной структуризации и нормализации (рис. 7).

Нагегория^РДоТ Стаг_Категор»я_

1 ИИР

2 ТРО срзднеактивные

3 ТРО низкоакпшвые 4ЖРО

Источники ионизирующего излучения Среднезкгивные твердые радиоактивные отходы Низксактевные твердые радиоактивные отходы Жидкие радиоактивные отходы

Ко А_ФУ«пы РАО 1 Яндекс Идентификатор I Наииевоваиие гру ппы РАО

- 13;ЖН Жидкие неорганические 14 ЖО Жидкие органические

► - 15Ж Жидкие прочие

|Код| Нашеновэние РАО

* 53 Сцннтнпляюры

"й" + 65 Химические реактивы жидкие

* ......__......................................................................

3 > | - I

Рис. 6. Фрагмент представления классификатора РАО в виде связанных таблиц

<сл!:есогу 1й="1" пате="Источники ионизирующего излучения" 1пйех="ИИИ" /> <categony 1 г.!="2" пате.="Среднеактивные твердые радиоактивные отходы" хпс1ех="ТРО ср" /: <categor'y 1с1="3" пате="Ниэкоактианые твердые радиоактивные отходы" 1пе1ех="ТРО" /> <саЪэг;огу 11!-" А" пате="жидкие радиоактивные отходы" 1р<Зех="ЖРО"> <§гоир :г.|="13" пате="жидкие неорганические" 1пс1ех="ЖН" /> ^гоир 1с!-"1Д" пате="Жидкие органические" 1пс(ех="жо" /> <ёгоир пате="Жидкие прочие" 1п<1ех="Ж">

^гр 1а="63" пате="Сцинтилляторы" /> <gгp 1Ь="69" пате="химические реактивы жидкие" /> </ЕГоир>

/сагеоргу>_

Рис. 7. Фрагмент представления классификатора РАО в виде ХМЬ-документа Технологические параметры процессов кондиционирования радиоактивных отходов отличаются широким разнообразием, как в силу разнородности перерабатываемых отходов и применяемых для этого технологий, так и в силу непрерывного совершенствования оборудования установок по кондиционированию РАО и технологических регламентов. На рис. 8 приведен пример представления классификатора технологических стадий, операций, установок и регламентов в виде ХМЬ-документа.

Иерархия вложенности элементов в документе однозначно определяется соотношениями «один-ко-многим» исходной реляционной модели данных.

Так, в классификаторе технологий (корневой элемент <^есИпо1 одт ез>] одной стадии переработки отходов (элемент <51аде>) соответствует много технологических операций (элемент сорегаТп оп>), которые могут быть реализованы на множестве технологических установок (элемент <аррага1Ш5>) в соответствии с одним из существующих технологических регламентов (элемент сгедП атеп1:>). Каждая стадия, операция, установка имеет единственное название, что позволяет использовать атрибуты паше="" для хранения этих данных в ХМЬ-документе. В то же время для одной установки может быть несколько регламентов, поэтому для хранения наименования регламента однозначно следует использовать вложенные элементы, допускающие, в отличие от атрибутов, возможность повторения.

<? хт! уегзтоп="1,0" 5гапйа1опе="ггие"?> <тесИпо1од1е5>

<5гаде пате="предварительная обработка"> <opeгatioп паше ="перегрузка">

<аррага1:и5 пате="вреыенное хранение ЖР0">

<гед1атеп1:>тп Рад И-05.00/2000</гед1атеп1:> </аррага1:и5> с/орегаМог»

<орега1лоп пате="установка">

<appaгatus пате="измельчение РАО">

<гед!атепТ:>ТЛ Рад 0-03. 00/98</гед1атеп1:> </аррагаги£> </орега1поп> </stage>

<5Таде пате="технологическая обработка:'> <орегаг1оп па®е="гсрессонание">

<аррага1иэ паше="прессование твердых РАО установка &рио1;суперкомЕ1актор&шо1:;>

<гед1ашепг>ТП Рад К-02.01/2004</гед1а>пет> </аррага1:и5>

оррагаТиэ пате="прессование ТР0">

<гед1атеп1:>ТТ1 Рад 0-02.01/2001</гед1ая1еп1> </аррага1щ5> </орегаг1оп>

<орегаТ1оп пате="сжигание">

<аррагаги5 пате="сжигание радиоактивных отходов установка 4яио1:;Факел&аио1:->

сгедТатеггОТП Рад 0-01.02/2003</гед1аяв8пг> </аррага-Ш5> </орегат1оп>

<opeгatioп пате="остекловывание">

<аррагати5 пате="остекловывание жидких радиоактивных отходов">

<гед1ателт>ттт Рад к-03.02/2004</гед1атепГ> </аррагаги5> </орега1поп> </5Таде>

<зТаде паше="кондиционирование"> <орегаТпоп пате="цементирование ">

<аррагатиБ па!ве="цементирование зольного остатка от сжигания РАО">

<гед1ашепт>тп Рад х-06.01/2006</гед1ашепг> </аррагаги5>

<аррага-ШБ папзе="цементирование радиоактивных отходов">

<гед1атеп1:>ТП Рад Х-12.02/2005</гед!атегИ:> </аррагаЫ5> </орега1поп> </51аде> <АесИпо1 одт ез>

Рис. 8. Фрагмент представления классификаторов технологических стадий, операций и установок в виде ХМЬ-документа

При появлении новых технологий переработки РАО, внесении изменений в технологические регламенты, расширении перечня существенных технологических параметров использование вложенных элементов и атрибутов ХМЬ-документов вместо жестко связанных реляционных таблиц позволит минимизировать затраты на адаптацию модели данных.

Таким образом, информационная система на основе хранилища многомерных данных обеспечит информационную поддержку для подготовки обоснованных технологических и организационных решений по рекондиционированию объектов хранения с целью предотвращения возникновения аварийных ситуаций и минимизации их последствий, а также по дальнейшему обращению с кондиционированными радиоактивными отходами.

В третьей главе «Информационное обеспечение подготовки управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами» исследовано нормативное и методическое обеспечение технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами, сформированы требования к информационному обеспечению подготовки управляющих решений и разработан эскизный проект программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Основу нормативной базы по безопасному обращению с радиоактивными отходами составляют федеральные законы Российской Федерации, постановления правительства РФ, федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии, ведомственные нормативные и руководящие документы, в том числе приказы государственной корпорации по атомной энергии «РОСАТОМ» и федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору «Ростехнадзор», а также процедурные документы и технологические регламенты предприятий по переработке и кондиционированию радиоактивных отходов.

В состав программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами включены следующие модули:

• Система государственного учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов;

• Технологии переработки и кондиционирования радиоактивных отходов на перерабатывающих предприятиях;

• Нормативно-справочная документация;

• Управляющая оболочка.

Программный комплекс предназначен для использования в учебных программах повышения квалификации специалистов атомной отрасли в области ядерной и радиационной безопасности и радиационного контроля, осуществляемых в негосударственном образовательном учреждении дополнительного профессионального образования «Центральный институт повышения квалификации» (Санкт-Петербургский филиал].

Заключение:

В диссертационной работе получены следующие результаты:

Выполнен системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами средней и низкой активности и процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

На основе проведенного анализа разработана системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами. Выполнен системный анализ технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов.

На основе проведенного системного анализа разработан комплекс информационных моделей типовых технологических процессов кондиционирования радиоактивных отходов, включающий функциональные модели технологических процессов, диаграммы потоков данных в информационной системе, реляционную и иерархическую модели данных для хранилища данных. Разработаны регламенты обработки информации для технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов. Разработан эскизный проект программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Публикации по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ:

1. Красников С.А., Таиров Т.Н., Быковский В.А., Кожин О.В. Квалиметрия продуктов и пищевого сырья, содержащих радионуклиды. // М., Интеграл, № 5 (61), 2011, с.32-36.

2. Колыбанов К.Ю., Таиров Т.Н., Быковский В.А. Информационное моделирование хранилищ данных технологических параметров процессов кондиционирования радиоактивных отходов. // М., "Интеграл", №, 3 (59), 2011, с. 48-51.

Статьи и тезисы докладов:

3. Быковский В.А., Таиров Т.Н. Системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами. // Труды международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе». Владимирский государственный университет, Владимир, 2011.

4. Колыбанов К.Ю., Таиров Т.Н., Быковский В.А. Информационное моделирование хранилищ данных технологических параметров процессов кондиционирования радиоактивных отходов. // Труды 5 международной конференции "Актуальные достижения европейской науки - 2011", София, 2011.

5. Костров A.B., Красников С.А., Кожин О.В., Быковский В.А., Таиров Т.Н. К задаче радиационного контроля продуктов питания и пищевого сырья. // Труды научно-практической конференции Североуральского региона «Эффективные информационные технологии», Березники, Изд. Пермского ГУ. ¡Пермь, 2011, с. 97-100.

6. Бомбин Р.Н., Быковский В.А., Таиров Т.Н. Виртуальный тренажер инженера-эколога для учебной программы "Ядерная и радиационная безопасность". // Труды 11 международного форума "Ядерная и радиационная безопасность", Санкт-Петербург, 2010.

7. Бомбин Р.Н., Быковский В.А., Таиров Т.Н. Программный комплекс тренажера инженера-эколога для учебной программы "Обращение с радиоактивными отходами". // Труды 12 международного форума "Ядерная и радиационная безопасность", Санкт-Петербург, 2012.

8. Колыбанов К.Ю., Таиров Т.Н., Быковский В.А. Комплекс информационных моделей типовых технологических процессов кондиционирования радиоактивных отходов. // Материалы научно-практической конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники». Российская академия естествознания, Москва, 2012

Подписано в печать 20.11.2012. Формат 60x84/16, бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. Л.0,9. Тираж 100 экз. Заказ №154

Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова Издательско-полиграфический центр МИТХТ, 119571, Москва, пр. Вернадского, 86

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий им.М.В.Ломоносова»

На правах рукописи БЫКОВСКИЙ ВАДИМ АНАТОЛЬЕВИЧ

04201354971

Информационная поддержка химических технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами

Специальность 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Таиров Таир Надырович

Москва - 2012

Оглавление

Введение.......................................................................................................................................4

Глава 1. Системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами и основных технологических процессов их переработки и кондиционирования.......................................................................8

1.1. Состояние проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами...............................................................................................................................................8

1.2. Требования и основные подходы к обеспечению экологической безопасности долговременной локализации радиоактивных отходов........13

1.3. Направления и подходы к решению проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами.......................................................................18

1.4. Системный анализ основных технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов..........................25

1.5. Системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами....................................................................................................34

Глава 2. Информационное моделирование типовых технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов средней и низкой активности.....................................................................37

2.1. Этапы информационного моделирования информационных систем .37

2.2. Функциональное моделирование типовых технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов...42

2.2.1. Остекловывание радиоактивных отходов.........................................................................43

2.2.2. Концентрирование жидких радиоактивных отходов................................................51

2.2.3. Цементирование радиоактивных отходов........................................................................55

2.2.4. Сжигание радиоактивных отходов.........................................................................................57

2.2.5. Цементирование зольного остатка от сжигания радиоактивных отходов.. 62

2.2.6. Суперкомпактирование радиоактивных отходов.........................................................65

2.2.7. Плазменная переработка твёрдых радиоактивных отходов.................................68

2.3. Моделирование потоков данных в информационной системе................73

2.4. Проектирование структур хранения данных в информационной системе на основе хранилища данных.............................................................................76

Глава 3. Информационное обеспечение подготовки управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.......82

3.1. Нормативное и методическое обеспечение технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами..........................................82

3.2. Формирование требований к информационному обеспечению.............85

3.3. Состав и структура программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами............................................................................................................................................91

Заключение.....................................................

Список использованной литературы Приложение....................................................

..93 .. 94 113

Введение

Актуальность работы

По данным системы государственного учёта и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов [СГУК PB и РАО) в атомной промышленности, энергетике, медицине и в научных исследованиях в Российской Федерации накоплено более 500 млн. м3 жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и более 180 млн. т твердых радиоактивных отходов (ТРО). Из этого количества 99,5% приходится на отходы низкого (НАО) и среднего (CAO) уровней активности, которые размещены в -1400 приповерхностных радиационно-опасных объектах (хранилищах), расположенных по всей территории России.

Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надежных хранилищ для их длительного хранения и (или) захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, длительность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов.

Решение задач обеспечения экологической безопасности при обращении с РАО предусмотрено в Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года», и в региональных программах «Совершенствование и повышение качества, безопасности, надежности технологий и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды» для Московского, Северо-западного и других регионов.

Таким образом, разработка технических решений, организационных мероприятий, методического обеспечения и информационной поддержки принятия управляющих решений по обеспечению экологической безопасности при обращении с РАО является актуальной задачей.

В диссертации излагаются научно-обоснованные технические решения по развитию информационной поддержки принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами низкой и средней активности на предприятиях химического профиля. Объект исследования:

Объектом исследования являются технологии безопасного обращения с радиоактивными отходами на предприятиях химического профиля.

Предмет исследования:

Предметом исследования является информационная поддержка подготовки управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами низкой и средней активности. Цель работы

Целью работы является создание информационного обеспечения для хранения и обработки информации на всех стадиях безопасного обращения с радиоактивными отходами (РАО) низкой и средней активности.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• Системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами средней и низкой активности и процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

• Системный анализ технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов.

• Информационное моделирование технологических процессов обращения с радиоактивными отходами и разработка комплекса информационных моделей.

• Исследование технологии хранилищ данных в качестве основы построения информационных систем по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

• Разработка эскизного проекта программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Научная новизна

1.Разработана системная модель анализа процессов обработки информации и принятия управляющих решений по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

2. Выполнен системный анализ технологий переработки и кондиционирования низко- и среднеактивных отходов.

3. Разработан комплекс информационных моделей типовых технологических процессов кондиционирования радиоактивных отходов, включающий функциональные модели технологических процессов, диаграммы потоков данных в информационной системе, реляционную и иерархическую модели данных для хранилища данных. Практическая значимость

1. Обоснованы технологии хранилищ данных в качестве основы построения информационных систем по безопасному обращению с радиоактивными отходами.

2. Разработаны регламенты обработки информации для технологических процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов.

3. Разработан эскизный проект программного комплекса тренажера инженера-эколога по технологиям безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положены методы системного анализа (декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование}, методология функционального моделирования систем IDEF0, методология моделирования потоков данных DFD, методология проектирования баз данных IDEF1X, иерархическая модель данных XML.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2011», МИТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2011; международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе», Владимирский государственный университет, Владимир, 2011; конференции Североуральского региона «Эффективные информационные технологии», Березники, 2011; XII международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», Санкт Петербург, 2011; 5 международной конференции «Актуальные достижения европейской науки - 2011», София, 2011; 11 и 12 международных форумах «Ядерная и радиационная безопасность», Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, 5 публикации в сборниках трудов и тезисов докладов конференций и семинаров.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

Глава 1. Системный анализ безопасного обращения с радиоактивными отходами и основных технологических процессов их переработки и кондиционирования

1.1. Состояние проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами.

В Федеральной целевой "Программе "Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 годы" радиоактивные отходы рассмотрены "как не подлежащие дальнейшему использованию вещества (в любом агрегатном состоянии), материалы, изделия, оборудование, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами." В Программе выделен специальный раздел "Состояние проблемы", содержащий описание конкретных объектов и общественных сфер, где происходит "обращение с радиоактивными отходами", а также общие количественные характеристики "проблемы РАО" в России. Определения проблемы РАО в Программе не дано. Как приближение к такому определению можно рассматривать приведенный в Программе абзац:

"Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надежных хранилищ для их длительного хранения и (или] захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, длительность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов".

Цивилизация, олицетворением которой в наше время является бурное развитие науки, техники, промышленности, энергетики и др., всё то, что несёт с собой блага для людей, имеет и оборотную сторону: ухудшение

экологии, истощение естественных источников энергии, превращение среды обитания в неудобную и некомфортную для жизни сферу.

По данным системы государственного контроля и учёта радиоактивных материалов и радиоактивных отходов (СГУК PB и РАО) в атомной промышленности, энергетике, медицине и в научных исследованиях в Российской Федерации накоплено более 500 млн. мЗ жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и более 180 млн. т твердых радиоактивных отходов (ТРО). Из этого количества 99,5% приходится на отходы низкого (НАО) и среднего (CAO) уровней активности, которые размещены в ~ 1400 приповерхностных радиационно-опасных объектах (хранилищах), расположенных по всей территории России.

Специалистов тревожит судьба существующих уже длительное время этих приповерхностных хранилищ. Это обусловлено тем, что:

• хранилища РАО часто расположены в непосредственной близости от населенных пунктов, объектов промышленности или объектов водоснабжения;

• защитные инженерные барьеры сооружений (построенных более 30-50 лет назад) не соответствуют современным нормативным требованиям;

• за длительный период хранения РАО под воздействием различных факторов произошла деградация инженерных барьеров хранилищ;

• часть радиационно-опасных объектов (шламохранилища, отвалы горных пород) не обладает достаточным комплексом защитных инженерных барьеров.

До настоящего времени не разработаны единые согласованные подходы к геоэкологической оценке приповерхностных хранилищ. Данных по изучению и оценке состояния таких объектов мало, и все они, как правило, содержат сведения лишь о загрязнении окружающей среды радиоизотопами, а математические модели, построенные на отрывочных исходных данных или результатах физического моделирования в лабораторных условиях, слабо связаны с результатами натурных

исследований самих хранилищ. Оценка безопасности хранилищ, в основном, сводится к математическому моделированию процесса миграции радионуклидов в окружающей среде и определению дозовых нагрузок на население.

Состояние значительной части приповерхностных хранилищ требует принятия неотложных мер по их укреплению, реконструкции или разработки обоснованных решений по закрытию и консервации. Однако, учитывая большое количество хранилищ, нуждающихся в проведении таких мероприятий, следует признать невозможность одновременного их выполнения. Необходимо определить очередность в зависимости от фактического состояния объекта.

Поэтому для оценки геоэкологической опасности таких объектов большое значение имеет проведение комплексных исследований состояния инженерных барьеров сооружений, вмещающих пород и массива РАО. Получение результатов таких исследований, анализ этих результатов и разработка на их основе технических мероприятий по повышению экологической безопасности приповерхностных хранилищ РАО являются актуальными задачами.

Решение таких задач предусмотрено в Федеральной целевой программе "Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года", и в региональных программах "Совершенствование и повышение качества, безопасности, надежности технологий и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды" для Московского региона, Северо-западного и других.

Как правило, в опубликованных работах оценка безопасности хранилищ представляется как анализ процесса миграции радионуклидов, их воздействия на окружающую среду и на человека. При этом миграция радионуклидов рассматривается как неизбежный процесс, а все мероприятия по повышению безопасности направлены в большинстве

случаев на ликвидацию последствий миграции, а не на совершенствование защитных параметров объекта.

В Федеральном Законе по обращению с РАО от 11.07.2011 экологическую безопасность объекта изоляции РАО рассматривают более жестко, а именно как недопущение выхода радионуклидов за пределы защитных барьеров хранилищ или их локализацию в ближней зоне хранилищ при аварийных ситуациях за счет применения мероприятий по повышению или восстановлению функций защитных барьеров.

На ранних стадиях использования радиоактивных материалов вопросы обращения с РАО рассматривались как второстепенные во всех странах. Складирование и хранение образовывающихся РАО проводились без соблюдения природоохранных мероприятий, что привело к образованию радиоактивно загрязненных территорий, опасность которых сохраняется до настоящего времени из-за высоких концентраций радионуклидов в грунтах и их длительных периодов полураспада. Например, в США в результате выполнения военных ядерных программ образовалось 114 таких площадок. Примером несовершенства ранних технологий обращения с РАО является уральское озеро Карачай, куда в 40-50-х гг. сливали жидкие отходы, радиоактивность которых сейчас составляет 4,4-Ю6 ТБк.

Безопасное обращение с РАО является одной из тех проблем, от которых в значительной мере зависят масштабы и динамика развития ядерной энергетики, а также дальнейшее внедрение ядерных и радиационных технологий

По классифи