6. Конверсионная деятельность РФЯЦ-ВНИИЭФ в области совершенствования систем учета, контроля и защиты ядерных материалов
Работы в области СУЗиК направлены на совершенствование этой системы:
развитие отраслевой и федеральной нормативной и законодательной базы по учету и контролю
разработка методов и аппаратуры неразрушающего контроля и средств защиты;
разработка программного обеспечения;
оснащение объектов РФЯЦ-ВНИИЭФ результатами разработок;
методическая и техническая поддержка развития СУЗиК на предприятиях Минатома России.
Успех развития этого конверсионного направления был связан с:
наличием в РФЯЦ-ВНИИЭФ значительного опыта работы в этой области;
наличием коллектива профессионалов - специалистов в различных вопросах учета, контроля и защиты ядерных материалов;
энергичной поддержкой этих работ в рамках международного сотрудничества, прежде всего в рамках межлабораторного сотрудничества между РФЯЦ-ВНИИЭФ и национальными лабораториями США;
выделением для этих работ значительных финансовых средств в рамках программы Нанна-Лугара.
Определенным препятствием для развития этого направления конверсионной деятельности являются ведомственные барьеры.
6.1. Общее состояние вопроса
За время существования ядерной отрасли в Минатоме России сложилась система учета, контроля и защиты ядерных материалов (ЯМ), обеспечившая надежную сохранность материалов, возможность получения информации о месте нахождения, количествах и передвижениях ЯМ.
Основными чертами этой системы являются:
Жесткая персональная ответственность исполнителей, работающих с ядерными материалами.
Строгое документирование всех операций с ЯМ.
Периодические проверки и инвентаризации, проводящиеся на комиссионной основе.
Основные направления совершенствования этой системы связаны с использованием возможностей современной вычислительной техники для компьютеризации учетных операций, средств физического контроля ЯМ, основанных на регистрации собственных и вторичных излучений материалов, а также автоматизации операций при проведении инвентаризаций, проверок состояния материалов в технологических циклах предприятий и находящихся на хранении.
Работы ВНИИЭФ в области совершенствования систем учета и контроля ЯМ различного уровня в начале 90-х годов начали развиваться ускоренными темпами в связи с началом проектирования нового российского хранилища для материалов, извлекаемых при разборке ядерных боеприпасов. В соответствии с межправительственным соглашением, проектирование и строительство хранилища осуществлялось с использованием финансовой и научно-технической помощи США. С 1990 года ВНИИЭФ является научным руководителем проекта российского хранилища ЯМ и, начиная с этого времени, осуществляется научно-техническое сотрудничество с ЛАНЛ в области учета и контроля ЯМ.
Базой для проведения работ в этой области явился научно-технологический задел, накопленный во ВНИИЭФ в области компьютерных технологий, в методах контроля оружия и оружейных материалов, опыт создания интегрированных систем автоматизации технологических процессов и крупных экспериментальных установок.
Сотрудничество между ВНИИЭФ и ЛАНЛ вышло за рамки деятельности по проекту нового хранилища, и с 1994 года развивается комплексная программа межлабораторного сотрудничества по совершенствованию систем учета, контроля и физической защиты ЯМ (СУЗиК).
Усилиями ведущих специалистов ВНИИЭФ и ВНИИНМ им. Бочвара был разработан первый вариант такой программы работ в рамках межлабораторного сотрудничества. К работам привлекались ведущие лаборатории РФ и США. Со стороны США в работах участвовали:
Лос-Аламосская национальная лаборатория (ЛАНЛ);
Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (ЛЛНЛ);
Брукхевенская национальная лаборатория (БНЛ);
Сандийские национальные лаборатории (СНЛ);
Северо-западная Тихоокеанская национальная лаборатория;
Окриджская национальная лаборатория (ОРНЛ);
Завод "Пантекс".
С российской стороны в настоящее время в работах участвуют практически все институты и заводы Минатома России, имеющие ядерные материалы. Не привлечены к работам серийные предприятия Департамента производства ядерных боеприпасов.
6.2. Цели и задачи программы СУЗиК
Межлабораторное сотрудничество развивается как дополнение к российским федеральным программам по СУЗиК. Совершенствование систем осуществляется силами российских институтов и предприятий с использованием как российского, так и американского оборудования и методик. Американские лаборатории обеспечивают финансирование российских институтов на контрактной основе.
В рамках программы межлабораторного сотрудничества выполняются несколько различных видов работ:
совместное определение и применение оборудования и методов, которые могут быть использованы для усиления и модернизации СУЗиК. Используются как российские, так и зарубежные методы и технологии, в зависимости от того, насколько они удовлетворяют российским техническим и нормативным требованиям, включая совместимость с условиями их эксплуатации в России;
разработка российской нормативно-правовой базы по СУЗиК;
внедрение российского и американского оборудования в эксплуатацию на российских ядерных предприятиях;
поддержка российской базы по разработке и производству оборудования СУЗиК;
распространение и обмен опытом, технологиями и концепциями в области СУЗиК между специалистами и учеными двух стран.
Эта программа, прежде всего, ориентирована на внедрение, а не на исследования и разработки, хотя в отдельных случаях существующие методы и технологии СУЗиК могут потребовать некоторой модификации и адаптации, чтобы соответствовать российским условиям и требованиям.
6.3. Основные результаты работ РФЯЦ-ВНИИЭФ по совершенствованию СУЗиК
В рамках работ по СУЗиК РФЯЦ-ВНИИЭФ создал демонстрационную модель интегрированной системы учета и контроля материалов для предприятия, работающего с металлическими ядерными материалами в виде отдельных учетных единиц. Модель была создана на основе существующих методик и оборудования российского и американского производства.
В состав демонстрационной модели вошла компьютеризованная система учета на базе локальной вычислительной сети, ряд методик неразрушающего контроля ЯМ по собственному нейтронному и гамма излучению, широкий набор средств и методов контроля сохранности учетных единиц (системы цифрового и аналогового теленаблюдения, датчики неподвижности, маршрутные датчики, различные системы пломбирования и опечатывания). В целом, в модели было реализовано около сорока различных функций по учету и контролю, объединенных в единую интегрированную информационную систему с высокой степенью автоматизации процедур.
При создании системы приоритетными задачами разработки были:
сохранение существующих организационных принципов построения учета и контроля, действующих в настоящее время в РФ;
максимальное использование в системе объективных признаков ДМ (собственных излучений) для контроля содержимого упаковок и физических характеристик образцов;
автоматизация учетных процедур (ведение документации, отслеживание местоположения и передвижения материалов, ввод идентификационных данных), позволяющая снизить влияние субъективного фактора;
информационная связь отдельных подсистем в рамках компьютерной сети и возможность передачи информации в системы более высокого уровня и в другие системы (например, физической защиты).
Работа по созданию демонстрационной модели показала, что российско-американское сотрудничество в области учета и контроля может быть эффективным и приводить к быстрому получению практических результатов.
Эта модель была продемонстрирована широкому кругу российских и зарубежных специалистов. Демонстрация проводилась как в РФЯЦ-ВНИИЭФ, так и в Минатоме России. В ходе демонстрации были получены положительные отзывы и выражена заинтересованность предприятий Минатома во внедрении элементов таких систем.
В настоящее время деятельность РФЯЦ-ВНИИЭФ в области учета и контроля ДМ, в основном, сосредоточена на следующих направлениях:
разработка отраслевой и федеральной нормативной и законодательной базы по учету и контролю ЯМ, в том числе требований к приборам радиационного контроля ЯМ и программному обеспечению;
разработка методов и аппаратуры неразрушающего контроля ДМ по радиационным излучениям;
разработка и сертификация программного обеспечения для систем учета и контроля ЯМ;
совершенствование системы защиты, учета и контроля на производственных площадках РФЯЦ-ВНИИЭФ;
оказание методической помощи предприятиям отрасли в совершенствовании систем учета и контроля;
осуществление надзора за состоянием СУЗиК на предприятиях Минатома.
В этих работах участвует несколько сотен ученых, инженеров, техников РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Характерные черты РФЯЦ-ВНИИЭФ, определяющие его специфику в работах по учету и контролю ядерных материалов, состоят в следующем:
РФЯЦ-ВНИИЭФ определен в Минатоме России как институт, осуществляющий научно-методическое руководство работами по учету и контролю ядерных материалов;
РФЯЦ-ВНИИЭФ обладает квалифицированными кадрами, имеющими большой опыт научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, в том числе по разработке методик и аппаратуры для регистрации ядерных излучений и программных средств;
в РФЯЦ-ВНИИЭФ имеется существенное количество ЯМ, в связи с чем он нуждается в совершенствовании системы учета и контроля на производственных площадках;
РФЯЦ-ВНИИЭФ обладает персоналом, имеющим большой опыт практической работы с ядерными и радиоактивными материалами.
К числу основных результатов, полученных во ВНИИЭФ по учету, контролю и защите ЯМ в течение 1995-1999 годов, следует отнести:
разработку приборов для контроля ЯМ по радиационным излучениям (пешеходный портал КПРМ, ручной монитор для проходных БИРК, установка для радиационной паспортизации контейнеров с ЯМ, портативные приборы для поиска ДМ);
разработку типового программного обеспечение для систем учета и контроля ЯМ;
разработку ряда оборудования физической защиты (кабина управления доступом персонала, защитные двери, устройство для хранения ключей и контроля вскрытия дверей).
разработку современных типов пломб с индивидуальными признаками и методов пломбирования;
разработку нормативной документации для предприятий Минатома России;
разработку отраслевых требований к приборам контроля ядерных материалов и к программному обеспечению;
создание проекта и опытного образца системы учета и контроля для долговременного хранилища оружейных ядерных материалов на ПО "Маяк";
создание и запуск в опытную эксплуатацию современных систем учета и контроля для двух площадок РФЯЦ-ВНИИЭФ (реакторной и производственной);
разработку проекта центральной системы сбора и обработки информации по ЯМ во РФЯЦ-ВНИИЭФ;
пробные физические инвентаризации ЯМ на производственной площадке РФЯЦ-ВНИИЭФ с использованием автоматизированной СУЗиК.
В настоящее время РФЯЦ-ВНИИЭФ приступил к этапу работ, связанному с широкомасштабным совершенствованием СУЗиК на всех производственных площадках института. Все площадки института, на которых проводятся работы с ЯМ, разбиты на две зоны - научная зона и промышленная зона. Для первой зоны пилотным образцом является система на реакторной площадке, а для промышленной зоны - система на производственной площадке.
Разработан план работ, в соответствии с которым при наличии финансирования планируется завершить работы по совершенствованию СУЗиК во ВНИИЭФ в 2004 году.
6.4. Аппаратура и методы контроля ЯМ
Аппаратура контроля ЯМ, разработанная во ВНИИЭФ, как правило, основана на контроле делящихся материалов по собственному радиационному излучению.
Методы радиационного контроля являются единственным средством физического определения наличия ЯМ в контейнерах, узлах, деталях без осуществления отбора проб и последующего химического или масс-спектрометрического анализа. Все остальные методы контроля сохранности основаны на косвенных признаках, таких как целостность пломб и печатей, соответствие внешнего вида контролируемых объектов данным конструкторской документации, наличие соответствующей маркировки, соответствие лигатурного веса и т.п.
Радиационные методы основаны на специфических ядерно-физических свойствах изотопов делящихся материалов, и полный набор регистрируемых радиационных характеристик не может быть воспроизведен применением имитаторов на базе других изотопных источников.
Для решения практических задач контроля ЯМ разработан ряд специализированных методов, имеющих узкую функциональную направленность и предназначенных для решения конкретных задач контроля материалов в системах учета и физической защиты. В сложившейся в настоящее время практике принята следующая условная классификация радиационных методов контроля:
пороговые методы;
качественные и полуколичественные методы;
методы постоянного пространственного мониторинга.
Пороговые методы позволяют максимально быстро зафиксировать превышение гамма и (или) нейтронного фона над естественным уровнем. Основной областью применения этих методов является контроль на проходных стационарными установками с большой чувствительностью, либо с помощью портативных ручных приборов личного досмотра. При этом в задачу контроля не входит ни определение типа материала, ни его количеств. Приоритетными параметрами являются высокая чувствительность и оперативность контроля, простота в эксплуатации и наглядное отображение результата.
Разновидностью пороговых методов является также оборудование для обнаружения радиоактивных материалов в режиме поиска на местности, в помещениях, в транспортных средствах. В этом случае важно оптимальное сочетание высокой чувствительности с приемлемыми весогабаритными характеристиками аппаратуры.
К числу аппаратуры на пороговом принципе регистрации интегральных излучений относятся разработанные во РФЯЦ-ВНИИЭФ стационарные радиационные порталы для пешеходных проходных - КПРМ, ручные радиационные мониторы БИРК для контроля ЯМ на проходах и проездах, набор малогабаритной поисковой аппаратуры для поиска ЯМ на местности.
Радиационный портал - КПРМ
Качественные и "полуколичественные" методы подтверждают неизменность состава контролируемого объекта (контейнера, изделия, узла, детали, образца) по совокупности нескольких одновременно измеряемых радиационных характеристик. Примером этих методов может служить метод радиационной паспортизации, использующий сцинтилляционный спектр гамма излучения и интегральный выход нейтронов. Основной областью их применения является проведение выборочных или сплошных инвентаризаций, входной и выходной контроль объектов с ДМ.
Приоритетными параметрами для этого класса приборов являются информативность выбранного набора радиационных характеристик по отношению к изменениям в составе объекта (в меньшей степени, чем для предыдущего класса), простота методик и наглядность результата сравнения.
Ручной монитор - БИРК
К приборам этого типа относятся разработанные в РФЯЦ-ВНИИЭФ различные конструкции радиационных паспортизаторов.
Радиационный паспортизатор
Методы постоянного мониторинга пространственной структуры радиационных полей одновременно регистрируют интегральные потоки излучений во многих точках пространства. Основная область их применения - контроль помещений для хранения ДМ и крупногабаритных объектов, содержащих радиоактивные материалы. В задачи метода не входит идентификация излучающих материалов, а только контроль неизменности пространственной конфигурации системы источников. Приоритетными параметрами для этого класса приборов является низкая стоимость датчиков, малое энергопотребление, надежность многоэлементных систем и безопасность эксплуатации.
Оборудование пространственной паспортизации
6.5. Компьютерное ядро системы учета и контроля ядерных материалов
Спроектированная в РФЯЦ-ВНИИЭФ модель автоматизированной интегрированной системы учета и контроля ядерных материалов работает под управлением компьютерного ядра, реализованного в виде локальной вычислительной сети типа Ethernet с архитектурой "клиент - сервер" на основе персональных компьютеров IBM PC.
Программное обеспечение компьютерного ядра системы включает в себя следующие основные приложения:
основная и вспомогательная базы данных (например, информация об учетных единицах, журналы работы участков), содержащие более 70 таблиц и около 90 процедур для доступа к данным;
распределенный центральный модуль автоматизированной системы учета и контроля ядерных материалов (синхронизация работы всех производственных участков предприятия: административная система, средства таймирования и слежения за реальными маршрутами движения учетных единиц, передача сообщений между рабочими станциями);
программное обеспечение центральной станции управления - выполнение функций главного диспетчера;
программное обеспечение станций зон баланса.
Проектирование программного обеспечения постоянно продолжается в направлениях совершенствования существующих приложений, создания новых, более современных, программных средств с учетом накопленного опыта и выявленных недостатков предыдущих разработок.
Сервер компьютерного ядра СУЗиК
Логика работы созданного компьютерного ядра ориентирована на сохранение принципа персональной ответственности за материалы, лежащего в основе существующей в Минатоме России системы учета и контроля ядерных материалов.
В спроектированной автоматизированной интегрированной системе учета и контроля постоянно известны действительное местоположение каждой учетной единицы, все ее характеристики и "история жизни". В любой момент может быть проверен реальный баланс материалов по всем участкам или выборочно.
Компьютерное ядро системы учета и контроля является модульной настраиваемой структурой и может быть адаптировано практически к любым условиям реальных промышленных участков и предприятий.
6.6. Оборудование для систем физической защиты
Для прохода персонала в РФЯЦ-ВНИИЭФ создана кабина прохода, удовлетворяющая современным требованиям системы физической защиты (СФЗ). Кабина прохода имеет защиту от стрелкового оружия, оснащается металлодетектором, устройствами идентификации личности по магнитной карточке и геометрии руки, радиационным модулем для контроля проноса ЯМ. Конструкция прошла сертификацию и может серийно изготовляться во РФЯЦ-ВНИИЭФ.
В 1999 году во РФЯЦ-ВНИИЭФ были разработаны и сертифицированы конструкции защитных дверей, удовлетворяющих различным классам защищенности. Эти двери в настоящее время освоены в серийном производстве на заводе РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Кабина прохода персонала (слева) и дверь защитная (справа)
7. Использование ВМГ для решения задач в области физики высоких плотностей энергии
Для исследования физических процессов и свойств веществ при высоких плотностях энергии создаются импульсные установки, способные создавать мегабарные давления и температуры более миллиона градусов. В США для этих целей созданы электрофизические установки Пегас в LANL с энергией 4 МДж, Шива-Стар в Военно-воздушной национальной лаборатории с энергией до 9МДж, PBFA в Сандии с энергией 15МДж. В настоящее время в LANL строится установка Атлас с энергией примерно 25 МДж и планируется создание установки Х-1 в Сандии с энергией 100 МДж. В России для этих целей создавались одноразовые взрывомагнитные генераторы - ВМГ. Такие генераторы, в принципе, позволяют решать те же задачи, что и стационарные установки США. Преимуществом стационарных установок является возможность проведения большого количества экспериментов и лучшие условия для диагностики. Преимуществом ВМГ является возможность получения высоких энергий без больших затрат средств и времени на капитальное строительство. Уже в настоящее время ВНИИФ имеет ВМГ с энергией до 200 МДж. Кроме того, при быстром научном прогрессе стационарные установки морально устаревают, через 10 лет требуется строительство новой установки. С ВМГ это решается намного дешевле и быстрее, поскольку для каждого эксперимента делается свой ВМГ, и он может совершенствоваться.
По первому контракту с LANL в 1992 году во ВНИИЭФ был проведен совместный эксперимент с использованием мощного дискового ВМГ. Основной целью эксперимента являлась проверка параметров ВМГ и получение опыта совместных работ с такими генераторами. Успешный результат эксперимента позволил вести работы по контрактам по нескольким направлениям.
Исследования разгона лайнеров до высоких скоростей позволяют изучать устойчивость полета и разрабатывать методы стабилизации их полета, исследовать влияние на устойчивость и на рост возмущений прочности материалов, разогрева.
Измерения динамических характеристик материалов (динамической прочности, динамической вязкости).
Создание установок для получения высоких давлений (до десятков мегабар) на объектах сантиметровых размеров. Это позволяет использовать существующие методы диагностики для исследования свойств веществ при высоких давлениях.
Создание мощных источников проникающих излучений для различных целей.
Создание установок для получения высокотемпературной замагниченной плазмы (температура от десятых долей киловольта до нескольких киловольт).
Получение мегаджоульных количеств мягкого рентгеновского излучения.
Работы по термоядерному синтезу на основе магнитного обжатия ДТ-плазмы.
Опыт совместных работ с лабораториями США показал, что ВМГ и стационарные установки дополняют друг друга. Эффективность физических исследований существенно возрастает при сочетании использования экспериментов с ВМГ и экспериментов со стационарными источниками энергии. Примером этого являются контракты с LANL на проведение совместных экспериментов по разгону лайнеров на установке США "Пегас" и с ВМГ.
Интересной областью применения ВМГ явились эксперименты с использованием существующих ВМГ по имитации параметров работы строящейся в настоящее время в США установки "АТЛАС". Это позволяет лучше понять перспективы строящейся установки и вносить в нее, при необходимости, изменения.
