Význam počítačových modelů ve výzkumu stále roste

1.9.2009, Jaroslava Kočárková, Technický týdeník Vývoj a testování vlastního simulačního nástroje pro simulaci proudění a transportu rozpuštěných látek v rozpukaném porézním prostředí Počítačové modelování velmi pomalých procesů tvoří základní výzkumnou metodiku při hledání optimální strategie postupů při sanaci kontaminovaných lokalit, ale i řešení otázek bezpečnosti ukládání radioaktivního odpadu do hlubinných úložišť. Vědecké týmy Technické univerzity v Liberci (TUL) v Ústavu nových technologií a aplikované informatiky jsou zaměřeny na implementaci modelů řešící sdružené THMC (termo-hydromechanické a chemické) procesy. V rámci projektu Výzkumné centrum Pokročilé sanační technologie a procesy (ARTEC ) se zabývají také predikcí vývoje procesů migrace toxických látek v puklinových systémech grafitických masívů, které se budou v místech hlubinného úložiště odehrávat za stovky i tisíce let. Zkoumají, jak bude reagovat horninové prostředí při použití sanačních činidel v oblastech průmyslových znečištění podzemních vod a na základě výsledků počítačového modelování umějí předpovědět další vývoj, respektive navrhnout změny v postupu sanace tak, aby se zvýšila její efektivita. Na řešení složitých úloh spolupracují s řadou partnerů jako jsou Česká geologická služba, VŠCHT Praha, Ústav jaderného výzkumu v Řeži u Prahy, Správa úložišť radioaktivního odpadu, Ústav geoniky AV ČR a také s některými firmami jako je Aquatest a.s., státní podnik DIAMO, Mega a.s. a s řadou dalších. „Sanační procesy jsou pomalé a trvají několik let někdy i desetiletí. Proto je počítač a matematické modelování nejvhodnějším prostředkem pro hodnocení zvoleného postupu pro zajištění správného směru vývoje. Počítačové modelování je jediný způsob, který může tento dlouhodobý vývoj zobrazit v průběhu minut,“ říká vedoucí centra ARTEC Jiří Maryška z Ústavu nových technologií a aplikované informatiky Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL. Vhodné sanační a revitalizační postupy V rámci projektu ARTEC se vědci zabývají i sanačními procesy po průmyslovém znečištění v menších lokalitách. Například spolupracují na sanaci podzemních vod v oblasti Kuřívod ve vojenském prostoru Ralsko, který se stále potýká s ekologickou zátěží způsobenou pobytem sovětských vojsk. Nové sanační metody založené na aplikaci nanoželeza jako redukčního činidla aplikují například v Hořicích, Písečné, Rožmitálu pod Třemšínem a v dalších pěti lokalitách. Postavení počítačového modelu reálného procesu není snadná záležitost. Nejprve je nutné provést geologický a hydrogeologický průzkum lokality, odběr vzorků zemin a hornin a vyhodnotit řadu vsádkových a kolonových experimentů, které se provádí v laboratořích. Potom teprve je možné navrhnout síť vsakovacích a monitorovacích vrtů a na základě takto zadané geometrie zpracovat výpočetní síť. „Stejně známe jen lokální vstupní data a jejich rozložení v prostoru sanace musíme zadat na podkladě expertních předpokladů. Naplnění modelů „nejistými“ daty vede následně k řešení sady variantních scénářů postupu sanace, které svými výsledky pokrývají předpokládaný vývoj. Ještě před zahájením činnosti pomocí počítačových modelů zjišťujeme a analyzujeme případná rizika a navrhujeme vhodné postupy pro zvýšení efektivity sanací,“ přibližuje Maryška. Počítač navrhne práci bývalým horníkům V budoucnu chtějí liberečtí vědci své zkušenosti s modelováním procesů využít také při řešení hydrické sanace oblasti severočeského uhelného revíru po ukončení těžby hnědého uhlí. Odborníci se shodují, že revitalizace bude trvat nejméně padesát let a je velmi důležité zvolit správný postup. Některé půdy tam jsou kontaminované a budou vhodné jen pro zalesnění, jiné bude možné využít pro zemědělskou produkci nebo sady, vždy však s nutností zavlažování. Nedostatek srážek v této oblasti může být limitujícím faktorem postupu. To však vyžaduje pečlivou predikaci. „Na základě měření prováděných Vodohospodářským ústavem TGM trpí tato oblast už nyní deficitem vodních srážek, a je proto nutné studovat a sledovat kvalitu vody, kterou budeme jámy zatápět. Na základě kvality vody chceme ve spolupráci s UJEP studovat i další budoucí změny - především sociologickou ekonomickou oblast. Z kvality vody například můžeme udělat závěry, jakou obživu dá revitalizovaný region bývalým horníkům a jaké rekvalifikační kurzy bude vhodné plánovat,“ tvrdí profesor Maryška. Jámy se budou zatápět částečně důlní vodou a částečně povrchovou. Tyto vody jsou monitorované a jejich složení je známé. Nyní je potřeba stanovit možný poměr obou typů vod a odvodit z toho, jaká kvalita vody bude v konečné fázi k dispozici a zda zde bude možno vytvořit chovné rybníky nebo mrtvá kamencová jezera, která jsou ale velmi vhodná pro rekreaci. Hrozbou však je, že se vytvoří podmínky pro vznik jezera s podmínkami pro růst sinic a tedy nevhodných prakticky na nic. Na tomto problému budou liberečtí vědci intenzivně pracovat. Chtějí mimo jiné oslovit také Výzkumný ústav vodohospodářský TGM a Povodí Ohře, a.s. „Modelování může nastavit zatápění tak, abychom mohli řídit i budoucí kvalitu vody a na základě toho plánovat průmysl a lidskou činnost,“ zdůrazňuje bývalý ředitel POH, a.s. Václav Pondělíček. Dodává, že bude nutno také sledovat stabilitu břehů a ekonomické náklady na provoz vodních děl. A právě počítačové modelování umožní přípravu pro budoucí realitu. Předcházet katastrofám v daleké budoucnosti Díky počítačovému modelování lze také řešit interakce chování různých látek v horninovém prostředí a vytvořit dlouhodobé prognózy zaměřené i do daleké budoucnosti. Některé řešené projekty jsou zaměřené na studium bezpečnosti budoucího úložiště radioaktivního odpadu. V rámci projektu ARTEC spolupracuje liberecký tým například i s Českou geologickou službou. „Naše spolupráce začala v roce 2001, když jsme při výzkumu horninového prostředí nasyceného vodou chtěli vytvořit matematický model proudění podzemní vody v žulách. Charakter proudění podzemní vody v puklinových systémech žulových masívů je značně odlišný od hydrogeologie v sedimentárních horninách, pro které se využívají standardní programy jako je MODFLOW. Modelování v puklinovém prostředí bylo tehdy inovační a vytvořilo základ pro současný výzkum. Dnes spolupracujeme na výzkumu horninového prostředí, do kterého by bylo možné bezpečně uložit vyhořelé palivo z jaderných elektráren,“ přiblížil problém Tomáš Pačes z České geologické služby. Odpad je zatím ukládán do meziskladů. Po obohacení uranem 234 jej bude možno ještě spálit v modernějších elektrárnách, pak už nebude tepelně využitelný a bude nutno ho někam bezpečně uložit. Předpokládá se, že se vyhořelé radionuklidy zataví a někdy kolem roku 2050 začnou ukládat do kontejnerů z nerez oceli a uloží se do podzemního úložiště 700 až 1000 metrů hluboko. Na výzkum je tedy ještě 30 let čas a vhodná lokalita není zatím vybraná, ale je potřeba se už připravovat. Úložiště zůstane několik desítek let otevřené a materiál bude vydávat teplo. Je nutné stanovit takové podmínky, aby povrch kontejneru nepřesáhl teplotu 90 stupňů Celsia. Po naplnění bude úložiště uzavřeno a utěsněno a kontejnery budou obloženy speciálním přírodním materiálem - rozemletým bentonitem, slisovaným do cihel. Je to vhodná inženýrská bariéra. Po určité době se ale kontejner rozpadne a radionuklidy s dlouhým poločasem rozpadu začnou migrovat horninovými puklinami. Proces migrace zahrnuje i sorpci radionuklidů na povrchu puklin, ale i jejich imobilizaci v slepých puklinových zónách. „Je nutné studovat současně termohydromechanické a chemické procesy, které se vzájemně ovlivňují. Je to úloha velmi složitá. Ve spolupráci se SURAO vyvíjíme softwarové nástroje, studujeme procesy, které budou probíhat řádově za sto tisíc let a snažíme se vytvořit softwarové nástroje pro hodnocení bezpečnosti úložiště v daleké budoucnosti,“ přibližuje výzkum Jiří Maryška Řešení uvedené problematiky považují za velmi závažné vědci na celém světě. Také mezioborové týmy českých vědců vstupují do mezinárodních projektů a porovnávají své modely týkající se dlouhodobých procesů a výsledky výzkumu v rámci mezinárodního projektu Task Force EBS (Engineered Barrier System). „Právě na výsledcích těchto projektů porovnáváme naše modelové nástroje se softwary jiných světových týmů. V řadě oblastí jsme na srovnatelné úrovni výzkumu, někde se projevuje naše časová ztráta. Výzkum hlubinného ukládání radioaktivních odpadů je totiž na našem pracovišti financován od roku 2000, zatímco Švédové, Finové nebo Kanaďané rozvíjejí tuto problematiku již od 80. let minulého století“, doplnil vedoucí mezinárodních projektů ARTEC Milan Hokr. Možná si někdo myslí, že jde o sci-fia dívat se do tak daleké budoucnosti není nutné. „Nemůžeme zavírat oči před problémy, které přenecháváme budoucím generacím. A mezinárodní spolupráce je nejvhodnější forma jak zvýšit věrohodnost našich výsledků,“ říká Maryška. *