|
Базы данных
|
Литературная база данных
МАГАТЭ «INIS» (режим доступа: inisdb2.iaea.org) База данных по атомным массам
«Atomic Weights and Isotopic Compositions» (режим доступа:
#"863742.files/image001.jpg">
Рисунок 1 - Разнообразие модулей программы COMSOL
Модули можно компоновать между собой, получая в итоге гибридную программу
с совершенно новыми свойствами. Например, для моделирования утечки
радионуклидов в случае частичного разрушения контейнера в условиях ПЗРО
используется система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» и «Разработка
химических реакций». Результаты моделирования представлены на рисунке 2:
Рисунок 2 - Визуальное отображение смоделированной в системе COMSOL утечки радионуклидов в случае
частичного разрушения контейнера
Следует отметить, что программа COMSOL представлена на многих языках (английский, русский, немецкий,
французский, итальянский, китайский и др.). Имеются русскоязычные справочники,
учебники и руководства.
FEFLOW - система для моделирования гидрогеохимических процессов. По
своей структуре и базовым функциям напоминает COMSOL с ограниченным функционалом. В программе отсутствует
возможность модульного надстраивания. Тем не менее, FEFLOW можно интегрировать с рядом других программ. К
примеру, модель FEFLOW можно
открыть в программе GMS с сохранением
всех специфических функций (управление гидродинамическими характеристиками
потока, и т.д.).
Программа FEFLOW позволяет
моделировать перенос радионуклидов в различных твердых средах, однако ключевую
роль при этом играют гидродинамические характеристики потоков грунтовых вод и
квазистатические описания поровых вод (рисунки 3, 4). Можно говорить о том, что
влияние химической природы и специфических свойств радионуклидов практически не
учитывается.
Рисунок 3 - Визуальное отображение переноса радионуклидов в объеме
соляной формации, смоделированное в системе FEFLOW
Рисунок 4 - Распределение значений коэффициентов проницаемости в соляной
формации (модель FEFLOW)
GMS (Ground Modeling System) является
модульной системой с широкими диапазоном разрешений input/output
данных. Имеет большие возможности для модификации за счет наличия ряда модулей
с открытым кодом.
По функционалу GMS
близка к COMSOL, в некоторых случаях даже
превосходит ее по степени достоверности вычислений. Однако пользоваться данной
программой намного сложнее. Ряд модулей GMS подразумевает создание модели с помощью прямого
кодирования без использования пользовательского интерфейса.
 
Рисунок 5 - Примеры графического отображения систем и процессов при
моделировании в системе Ground Modelling System (GMS)
Для моделирования поведения радионуклидов в условиях ПЗРО чаще всего
используется модуль MT3DMS. Данный модуль позволяет получать
весьма достоверные результаты (рисунок 6), однако весьма сложен в использовании
(пользовательский интерфейс отсутствует, необходимо вводить код напрямую).
Рисунок 6 - Моделирование поведения радионуклидов в поровых водах
глинистых минералов (модуль MT3DMS, GMS)
GEOCHEQ - специализированный программный комплекс для
термодинамического моделирования геохимических процессов радионуклидов. В
настоящее время не завершен. Находится в состоянии доработки.
Программный комплекс состоит из 4 модулей: термодинамической базы данных,
блока утилит расчета термодинамических свойств системы, блока расчета
равновесного состава системы и блока расчета коэффициентов активности
компонентов подвижной фазы системы. Структура программы представлена на рисунке
7.
Рисунок 7 - Структура программного комплекса GEOCHEQ
Сравнительные характеристики систем COMSOL, FEFLOW,
GMS и GEOCHEQ представлены далее:
|
Программа (название,
разработчик)
|
Область применения
|
Назначение и основные
возможности
|
Исходные данные
|
Формы представления
результатов
|
Форматы данных
|
|
|
|
|
|
Входные данные
|
Выходные данные
|
|
COMSOL (COMSOL Inc, USA)
Интегрированная система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» и
«Разработка химических реакций»
|
Моделирование различных
процессов и систем. Модульная система: модули различаются между собой
функционалом и областью применения.
|
Данная система модулей
применяется для моделирования многочисленных этапов реакций, протекающих при
распространении радионуклидов (ядерных отходов) из хранилищ (ПЗРО) в течение
тысяч лет. При моделировании учитываются: - механизм и кинетика
геохимических реакций; - физико-химические свойства пористого материала; -
процессы конвекции и диффузии; - гидродинамические параметры.
|
- Химические формулы и
реакции - Физико-химические параметры материала и окружающей среды -
Гидродинамические параметры системы и т.д. *Следует отметить, что диапазон
исходных данных весьма широк, что позволяет моделировать изучаемые процессы с
достаточно высокой степенью достоверности.
|
- Схемы протекания
химических и физико-химических процессов в системе - Диаграммы и графики
изменения свойств системы - 2D, 3D визуализация активных поверхностей сорбента -
Таблицы распределения радионуклидов с течением времени и т.д. *(COMSOL
отличается разнообразием средств представления и визуализации результатов, в
т.ч. мощными графическими 3D-редакторами)
|
.mph (модель COMSOL)
.mphapp (среда разработки приложений) .mphtxt
(текстовые данные) .mphbin (двоичные данные) *Поддерживается весьма широкий
диапазон расширений входящих файлов. Подробный список на сайте: www.comsol.com/fileformats
|
Возможность выбирать формат
отчета (HTML, Microsoft Word, PDF
и т.д.)
|
|
FEFLOW (MIKE
Powered by DHI, Denmark)
|
Моделирование
физико-химических процессов (в частности, сорбциии диффузии), протекающих при
контакте вещества с грунтовыми водами
|
- Моделирование процессов
миграции и сорбции радионуклидов - Создание трехмерных карт распространения
радионуклидов - Оценка эффективности проведения дезактивации - Анализ
изменения свойств сорбционных материалов с течением - Прогнозирование свойств
синтетических сорбционных материалов
|
- Схемы химических реакций
и равновесий - Данные по физико-химическим характеристикам вещества -
Гидрогеологические показатели
|
-Графики, диаграммы,
трехмерные карты распространения радионуклидов с течением времени - Сводные
таблицы с эмпирически определенными значениями коэффициентов равновесия
химических реакций
|
.txt,.pdf
и некоторые другие наиболее распространенные типы разрешений файлов
|
Формат отчета:.docx,.txt,.pdf и
т.д.
|
|
GMS (MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, PHT3D и др.)
(Aquaveo LLC, USA)
|
Модульная система для
моделирования широкого диапазона гидрогеохимических процессов
|
- Моделирование потоков и
течений грунтовых вод - Визуализация миграции частиц с течением времени в
зависимости от физико-химических характеристик твердой фазы и
гидрогеохимических характеристик грунтовых вод - Моделирование поведения
частиц в системе «твердая фаза - грунтовые воды» с учетом химических свойств
частиц и протекающих в системе реакций - Моделирование процессов в
динамических и статических условиях
|
- Гидрогеохимические и
динамические характеристики потоков грунтовых вод - Физико-химические
характеристики твердой фазы и мигрирующих частиц - Данные по химическим свойствам
частиц и схемы химических реакций, протекающих в системе
|
- Диаграммы, графики и
схемы (2D) - Карты распределения потоков грунтовых вод и/или
частиц в статических и/или динамических условиях в зависимости от параметров
среды и гидрогеохимических условий (3D)
|
В программе используется
весьма широкий диапазон разрешений входящих файлов: output.dat bas.dat bcf.dat oc.dat wel.dat rch.dat
pcg2.dat budget.dat heads.dat ddown.dat mt3d.flo и др.
*Полный список приводится в Приложениях
3,4 Руководства «Processing Modflow»
|
- ASCII Matrix - NCOL - NROW
|
|
GEOCHEQ (Институт геохимии и аналитической химии им.
В.И.Вернадского РАН, Москва)
|
Термодинамическое
моделирование геохимических процессов миграции и сорбции радионуклидов
|
Расчет химических
равновесий в системах, составленных твердыми фазами постоянного состава,
и/или водным раствором (модель Дебая-Хюккеля) и/или идеальным газовым
раствором.
|
- база термодинамических
данных, построенная на основе СУБД «SUPCRT92» * пользователь может вносить в
базу данных изменения и дополнения
|
- графики - диаграммы -
таблицы - текстовые файлы
|
.mdb
|
.txt .docx
|
|
Программа (название,
разработчик)
|
Реализованные
математические методы
|
Реализованные
стандартные методики
|
Интерфейс
|
|
|
|
Язык
|
Система меню
|
Предупреждения и
сообщения
|
Общая оценка
|
|
COMSOL (COMSOL Inc, USA)
Интегрированная система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» и
«Разработка химических реакций»
|
- Метод угловых
коэффициентов - Метод прямого статистического моделирования Монте-Карло -
Модифицированный метод решеточных уравнений Больцмана или метод дискретных
скоростей
|
- В системе COMSOL
моделирование поведения радионуклидов базируется на представлении о сорбции
как о квазиравновесном поверхностном неселективном процессе. Влияние
конкурирующих ионов на сорбцию не учитывается.
|
Русский, английский,
немецкий, французский, китайский, японский, итальянский, чешский и др.
|
Достаточно сложная
|
Развитый набор
сообщений-подсказок по ходу работы и предупреждений об ошибках
|
Сложный
|
|
FEFLOW (MIKE
Powered by DHI, Denmark)
|
- Метод прямого
статистического моделирования Монте-Карло
|
- Сорбция определяется с
использованием коэффициента Генри по стандартизированной методике.
|
Английский
|
Достаточно сложная
|
Хорошая система
предупреждений об ошибках. Сообщения-подсказки на данный момент развиты
достаточно слабо.
|
Сложный
|
|
GMS (MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, PHT3D и др.)
(Aquaveo LLC, USA)
|
- Решение трехмерных
конвективно-дисперсионных уравнений -Приближение Эйлера-Лагранжа
(моделирование процессов переноса частиц и потоков) *уравнения Лагранжа-Эйлера
применяются для решения задач распространения загрязнений (миграции
радионуклидов в т.ч.)
|
- Построение независимых
калибровочных моделей (фильтрационных и миграционных). При этом влияние
изменения концентрации частиц на фильтрационный поток не учитывается. -
Диапазон используемых при моделировании химических реакций: равновесная
линейная и/или нелинейная сорбция, необратимый распад первого порядка,
биодеградация.
|
Английский
|
Достаточно сложная
|
Пользовательский интерфейс
развит достаточно хорошо. Присутствует встроенная справочная система.
|
Сложный
|
|
GEOCHEQ (Институт геохимии и аналитической химии им.
В.И.Вернадского РАН, Москва)
|
- Минимизация функции
свободной энергии методом выпуклого симплекса (с помощью встроенной программы
CHEMEQ).
|
- Фундаментальное уравнение
Хилла - Алгоритм Арчера-Ванга - Уравнение Майера-Келли - Уравнение состояния
Хелгесона-Киркхэма-Флауэрса (HKF) - модель Питцера и Дебая-Хюккеля -
Уравнение Пенга-Робинсона
|
Русский, английский
|
Простая
|
Не разработано
|
Простой
|
|
Программа (название,
разработчик)
|
Связь с техническими
средствами
|
Совместимость с другими
программами
|
Связь с информационными
ресурсами
|
|
|
общего назначения
|
общенаучного и
общетехнического назначения
|
специализированные
|
базы данных
|
другие ресурсы
|
|
COMSOL (COMSOL Inc, USA)
Интегрированная система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» и
«Разработка химических реакций»
|
Модульная система COMSOL
реализована в виде ПО.
|
Выходные таблицы могут
обрабатываться в Excel, изображения - в программах, поддерживающих формат JPG,
текстовые результаты - в программах, работающих с форматом TXT
|
Возможен обмен
изображениями с AutoCAD DXF(2D), Parasolid и др.
|
Данные по основным
физико-химическим параметрам и свойствам совместимы с IDBC
|
База знаний:
www.comsol.ru/sup-port/knowledgebase.
|
По умолчанию поддерживается
только собственная БД системы, если пользователь в настройках не укажет иное.
|
|
FEFLOW (MIKE
Powered by DHI, Denmark)
|
Система FEFLOW
реализована в виде ПО.
|
Выходные таблицы могут
обрабатываться в Excel, изображения - в программах, поддерживающих формат JPG,
текстовые результаты - в программах, работающих с форматом TXT
|
Дополнительная установка ImportMatProp, Interface to TECPLOT и ImportParameters
делает возможным обмен данными с рядом аналитических программ
|
После установки ряда обновлений
FEFLOW становится совместима с Hydro_AS-2D,
MIKE11, и другим специализированным ПО, что, в свою очередь, позволяет
расширить функционал системы.
|
Встроенные базы данных.
Редактирование БД пользователем не поддерживается.
|
Поддерживаются система автоматического
обновления с официального сайта программы
|
|
GMS (MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, PHT3D и др.)
(Aquaveo LLC, USA)
|
Модульная система GMS
реализована в виде ПО.
|
Выходные данные свободно
конвертируются в различные форматы (с помощью установки дополнительных
модулей).
|
Модули системы GMS
совместимы с PEST & Parallel, T-PROGS,
SAMG Solver, ZONEBUDGET.
|
Возможна интеграция с
системой FEFLOW
|
Система GMS
имеет встроенные базы данных. Пользователь может вносить изменения
(контролируется системой PMWIN).
|
Автоматический контроль
вводимых параметров согласно критериям PEST осуществляется с помощью системы
PMWIN
|
|
GEOCHEQ (Институт геохимии и аналитической химии им.
В.И.Вернадского РАН, Москва)
|
Система GEOCHEQ реализована в виде ПО, состоящего из 4 раздельных блоков.
|
Microsoft Access
|
Нет данных
|
Подпрограммы
“Peng-Robinson” и “Pitzer”
|
База данных GEOCHEQ основана на БД SUPCRT92
|
Нет данных
|
|
Программа (название,
разработчик)
|
Требования к техническому
обеспечению
|
Требования к
программному обеспечению
|
Требования к квалификации
пользователя
|
Доступность
|
Возможности расширения и
развития
|
|
COMSOL (COMSOL Inc, USA)
Интегрированная система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» и
«Разработка химических реакций»
|
Требуется специальная
графическая плата
|
MS Windows Vista
|
Достаточно высокие
|
- Коммерческое ПО. -
Существует демо-версия COMSOL с полным функционалом. - Компания-дистрибьютор (softline.ru) выдает ключ на демо-версию сроком на 2 недели
строго по индивидуальному запросу.
|
- COMSOL
-модульная программа, что обеспечивает возможность ее непрерывного
расширения/развития/модификации в зависимости от нужд пользователя. - Имеется
встроенный язык программирования, аналогичный Matlab (COMSOL Script)
|
|
FEFLOW (MIKE
Powered by DHI, Denmark)
|
Классические UNIX-платформы
не поддерживаются; предпочтительны платформы IRIX, TRU64,
Solaris.
|
MS Windows 2008,
X Window System
|
Достаточно высокие
|
- Коммерческое ПО. -
Существует демо-версия FEFLOW с неполным функционалом (позволяет формировать
графические объекты без оценки параметров). - Доступ к демо-версии ограничен
|
Возможна модификация путем
установки различных plug-ins: BetaGamma, DensityFracture, HeatConductivity и др.
|
|
GMS (MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, PHT3D и др.)
(Aquaveo LLC, USA)
|
|
Windows XP,
Vista, Windows 7, Windows 8
|
Достаточно высокие
|
- Коммерческое ПО. -
Существует демо-версия GMS с неполным функционалом (включены только базовые
модули “GMS Community”). -
Демо-версия в открытом доступе. Предоставляет возможность пользоваться
программой в тестовом режиме в течение 14 дней.
|
Расширение функционала
программы возможно при помощи встраивания дополнительных модулей и интеграции
с другими системами (FEFLOW и т.п.)
|
|
GEOCHEQ (Институт геохимии и аналитической химии им.
В.И.Вернадского РАН, Москва)
|
Нет данных
|
MS Windows 95
|
Средние
|
- Система GEOCHEQ не завершена, в настоящее время осуществляется ее доработка и
тестирование. - Отсутствует в открытом доступе.
|
Продолжается создание
крупных блоков программного комплекса GEOCHEQ и
налаживание связей между ними.
|
|
Программа (название,
разработчик)
|
Удобство освоения
|
Примечание
|
|
Литература
|
Документация
|
Система подсказок
|
Прочее
|
Общая оценка
|
|
|
COMSOL (COMSOL Inc, USA)
Интегрированная система из 2 модулей: «Течения в пористых средах» И
«Разработка химических реакций»
|
Имеются учебники и
руководства на русском языке
|
Достаточно подробная, есть
перевод на русский
|
- Развитая, с большим
набором примеров. - Реализована в виде приложения COMSOL.
|
- На сайте компании есть
медиатека учебных материалов, а также форум для организации удаленной
технической поддержки.
|
Методика моделирования в COMSOL
достаточно сложна для освоения
|
Программа COMSOL
удобна для моделирования сложных гидрогеохимических систем с большим
количеством независимых переменных.
|
|
FEFLOW (MIKE
Powered by DHI, Denmark)
|
- Имеются различные учебные
материалы и руководства, в том числе обучающие видео и онлайн-семинары (все
на английском языке). - Существует полное руководство пользователя: «FEFLOW book»
|
Техническая документация
только на английском языке.
|
Хорошо развита.
Присутствует система гиперссылок
|
Разработчик предоставляет
всем желающим возможность пройти обучение основам программирования в рамках
использования данной программы (дистанционные интернет-курсы, вебинары,
обучающее видео)
|
Методика моделирования в FEFLOW
достаточно сложна для освоения
|
- Программа FEFLOW
ориентирована в первую очередь на моделирование динамических
гидрогеологических процессов. - Не учитывает особенности химического
взаимодействия частиц с твердой фазой и потоком.
|
|
GMS (MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, PHT3D и др.)
(Aquaveo LLC, USA)
|
- Имеются различные учебные
материалы и руководства - Организована система обучения (очная, заочная). -
Существует полное руководство пользователя: «Processing Modflow» *все на английском языке.
|
Техническая документация
только на английском языке.
|
Хорошо развита, есть
примеры и шаблоны.
|
Разработчик организует
очное обучение основам моделирования в системе GMS и
предоставляет возможность бесплатного дистанционного обучения (видео-уроки,
руководства и т.д.).
|
Методика моделирования в GMS
достаточно сложна для освоения
|
- Программа GMS
позволяет отслеживать треки диффундирующих частиц и определять их вероятное
распределение в статических и динамических условиях с течением времени.
|
|
GEOCHEQ (Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского
РАН, Москва)
|
Статьи в научных журналах
|
Есть на русском и на
английском языках.
|
Отсутствует
|
В статьях дано подробное
описание структуры GEOCHEQ
|
Методика GEOCHEQ средней сложности
|
- Программа направлена
непосредственно на изучение поведения радионуклидов в различных
гидрогеологических условиях. - Учитываются специфические свойства -
Используется теория селективной сорбции *В настоящее время программа
находится на стадии дальнейшей разработки.
|
На основании проанализированных данных можно говорить о том, что
компьютерное моделирование - весьма мощное аналитическое средство, позволяющее
обрабатывать данные на более высоком уровне.
Все программы, рассмотренные в аналитической части данной работы,
позволяют решить поставленную задачу с достаточной степенью достоверности.
Главное различие данных программ заключается в используемых при моделировании
параметров: каждая программа имеет свои «акценты» и направлена на решение задач
в своей узкоспециализированной области.
Для большей наглядности, отобразим основные особенности
проанализированных программ в таблице 3, причем расположим программы по мере
снижения качества модели поведения радионуклидов в условиях ПЗРО, получаемой с
их помощью:
Таблица 3 - Сравнительная характеристика систем моделирования
|
COMSOL
|
GMS
|
FEFLOW
|
GEOCHEQ
|
|
Мультипрофильная программа:
позволяет решить весьма широкий диапазон задач в различных научных областях.
|
Мультипрофильная
гидрогеохимическая система. Учитывает не только гидрогеологические параметры
потока, но и химическую структуру и свойства твердой и жидкой фазы.
|
Гидрогеохимическая
программа. Направленна, главным образом, на моделирование потоков и течений
без учета химических особенностей твердой и жидкой фаз.
|
Узкоспециализированная
программа, направленная непосредственно на моделирование поведения
радионуклидов в различных гидрогеохимических условиях.
|
|
Селективная сорбция не
учитывается.
|
Учитывает селективную
сорбцию
|
|
Платная, нет в открытом
доступе.
|
Платная, в открытом доступе
есть демо-версия.
|
Платная, нет в открытом
доступе.
|
Программа не завершена, ее
нет в открытом доступе.
|
|
|
|
|
|
Учитывая ряд серьезных недостатков проанализированных программ, было
принято решение о создании собственной программы для определения основных
селективных сорбционных характеристик различных материалов.
ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ
СЕЛЕКТИВНЫХ СОРБЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТНОСИТЕЛЬНО 137CS
.1 Постановка задачи
Как было показано в аналитической части работы, коммерческие системы
моделирования наподобие COMSOL,
GMS, FEFLOW и т.д. весьма сложны в использовании и требуют
значительных навыков и опыта работы с ними. Кроме того, они малодоступны и
обладают достаточно высокими техническими требованиями. Еще одним существенным
недостатком данных программ является то, что в них не учитывается ряд
специфических свойств радионуклидов, твердой фазы и растворов. В частности, ни
в одной программе не используется теория селективной сорбции и не принимается
во внимание влияние конкурирующих ионов.
Таким образом, весьма актуальной является задача разработки программы для
моделирования процесса селективной сорбции в заданных условиях.
Разрабатываемая программа должна обладать следующими характеристиками:
экспрессность и наглядность;
простота реализации и использования;
минимальные технические требования;
возможность последующей модификации и адаптации программы под условия
конкретного эксперимента;
в качестве входных данных должны использоваться непосредственно
экспериментальные данные;
математический аппарат программы должен базироваться на теории
селективной сорбции радионуклидов.
3.2 Основные этапы решения задачи
.2.1 Формулировка условия задачи
Необходимо определить диапазон исходных и конечных данных.
В общем виде формулировка условия задачи - это ответ на 2 вопроса: «Что дано?»
и «Что надо найти?»
.2.2 Построение математической модели
- Определяем теорию, на которой будет основываться математическая модель.
Записываем математические соотношения, связывающие исходные и конечные
данные.
.2.3 Разработка алгоритма
- Выбираем методы проектирования и тестирования алгоритма.
Изображаем алгоритм в виде блок-схемы.
.2.4 Программирование
- Выбираем язык программирования.
Уточняем способ организации данных.
Записываем разработанный ранее алгоритм на выбранном языке
программирования.
.2.5 Отладка и тестирование программы
- Синтаксическая отладка.
Отладка семантики и логической структуры программы.
Тестирование программы.
Совершенствование программы
3.2.6 Использование разработанной программы для получения
искомых результатов
На основе полученных данных анализируем работу программы, оцениваем
качество ее разработки и целесообразность дальнейшего улучшения.
.3 Описание хода решения задачи
Сформулируем условие задачи: базируясь на теории селективной сорбции,
создать программу для определения основных показателей селективной сорбции 137Cs
с использованием экспериментальных данных.
Согласно теории селективной сорбции, поведение радионуклидов (миграция и
сорбция) зависит не только от природы и свойств самого радионуклида, но также и
от природы и свойств твердой фазы (сорбента) и химического состава окружающего
раствора (поровых вод).
В твердой фазе (сорбенте) выделяют несколько типов сорбционных мест,
различающихся по своей способности захватывать и удерживать радионуклиды на
протяжении длительного времени:(Regular Exchange Sites) - обычные
(неселективные) места обменной сорбции, расположенные на плоских внешних гранях
кристаллов минералов - их доля от полной ионообменной ёмкости составляет около
97%.(Frayed Edge Sites) - селективные центры сорбции на рёбрах и краевой
(клиновидной) зоне кристаллических решеток минералов слоистой структуры - их
доля от полной ионообменной ёмкости составляет около 2,5%.(High Affinity Sites)
- высокоселективные участки межпакетного пространства кристаллических решёток
минералов, способных расширяться (разбухать) в определённых условиях - их доля
от полной ионообменной ёмкости составляет около 0,5%.
Таким образом, селективные сорбционные свойства твердой фазы (сорбента) -
т.е. способность избирательно фиксировать радионуклиды из раствора - зависят от
наличия и доступности сорбционных центров FES и HAS.
Влияние химического состава окружающего раствора (поровых вод) на сорбцию
заключается в следующем: если в растворе присутствуют катионы, сходные с
радионуклидами по величине заряда и радиуса, то они начинают конкурировать
между собой за сорбционные места, что приводит к установлению т.н. сорбционного
равновесия. Коэффициент, описывающий данное равновесие, также является ключевой
величиной при описании селективных сорбционных свойств.
Таким образом, основными параметрами, описывающими поведение
радионуклидов согласно теории селективной сорбции, являются потенциалы
связывания радионуклидов и константы их распределения между твердой и жидкой
фазами в условиях конкурентной сорбции.
Для определения вышеописанных параметров селективной сорбции необходимы
следующие данные:
активность растворов до и после сорбции;
отношение объема жидкой фазы к массе твердой фазы;
концентрация конкурирующего катиона в растворе.
Так как объем раствора и масса сорбента в ходе эксперимента остаются
неизменными, примем их за константы.
Конкурирующим катионом в отношении 137Cs+ является K+. Примем допущение, что его
концентрация в растворе на протяжении всего сорбционного эксперимента также не
меняется.
Таким образом, получаем ряд констант, которые представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Константы, используемые для определения основных параметров,
описывающих поведение радионуклидов согласно теории селективной сорбции
|
Константа
|
Значение
|
|
V, мл
|
Объем жидкой фазы,
контактирующей с сорбентом.
|
10 мл
|
|
m, г
|
Масса твердой фазы
(сорбента).
|
0,1 г
|
|
C[K+]
|
Концентрация конкурирующего
катиона в растворе.
|
0, 5 ммоль/л
|
В качестве начальных (input)
данных используем экспериментально определенные значения активностей исходных
растворов и растворов после сорбции (Ax, Бк/л).
Отобразим в таблице 5 все необходимые для создания программы данные:
Таблица 5 - Данные, используемые для определения основных параметров,
описывающих поведение радионуклидов согласно теории селективной сорбции
|
Исходные данные
|
|
1
|
Ао
|
Бк/мл
|
Начальная активность
радиоактивного раствора 137Cs.
|
|
2
|
Аs
|
Бк/мл
|
Активность раствора 137Cs
после сорбции.
|
|
3
|
Aa
|
Бк/мл
|
Активность ацетатной
вытяжки (определение содержания обменной формы 137Cs).
|
|
Результаты
|
|
4
|
Kd
|
л/кг
|
Коэффициент распределения
радионуклида между раствором и твердой фазой (сорбционным материалом).
|
|
5
|
RIP(K)
|
ммоль/кг; мэкв/кг
|
(Radiocaesium Interception Potential)
Потенциал связывания радиоцезия в условиях, контролируемых селективной сорбцией
(в присутствии конкурирующего катиона К+).
|
|
6
|
aобм
|
%
|
Доля обменно-сорбированного
радионуклида.
|
|
7
|
Kdобм
|
л/кг
|
Обменный коэффициент
распределения радионуклида между раствором и твердой фазой (сорбционным
материалом).
|
|
8
|
RIP(K)обм
|
ммоль/кг; мэкв/кг
|
Обменный потенциал
связывания радиоцезия в условиях, контролируемых селективной сорбцией (в
присутствии конкурирующего катиона К+).
|
Согласно теории селективной сорбции, сформулируем математический аппарат
программы в виде формул (1 - 5):
 (1)
 (2)
 (3)
 (4)
 (5)
Разработка алгоритма:
Мы определили, какие данные будут использоваться в программе и
математически описали их взаимосвязь. Теперь следует определить тип
представления данных в программе:
Для того, чтобы упростить задачу написания кода и избежать введения
большого числа переменных, используем массивы данных A и A-label.
Массив А:
где N - число исследуемых образцов (любое
целое число).
Первые 3 значения вводим с клавиатуры (Ao, As, Aa),
все остальные вычисляет программа.
Массив A-label (одномерный массив наименований):
 .
Зададим переменные для обращения к массивам: N, I, J.
Приступим к составлению блок-схемы программы.
Все этапы подготовительной работы выполнены.
Теперь можно приступить непосредственно к написанию программы на языке
программирования «Паскаль». Этапы создания программы представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Этапы написания на языке программы «RIP» для определения основных показателей селективной сорбции
137Cs на языке программирования «Паскаль»
|
Действие
|
Код
|
|
1
|
Указываем имя программы
|
PROGRAM RIP;
|
|
2
|
Указываем источник данных
(используется библиотека crt)
|
uses crt;
|
|
3
|
Задаем константы
|
CONST V=10; m=0.1; Ck=0.5;
|
|
4
|
Задаем переменные и
определяем расположение данных: (массив A-label)
|
VAR A: array [1..10,1..8] of real;
A_label: array [1..8] of string; N,I,J: integer;
buf_conv,result: string;
|
|
5
|
Начинаем написание текста
программы
|
BEGIN
|
|
6
|
Задаем функцию очистки
экрана
|
clrscr;
|
|
7
|
Задаем функцию ввода данных
с клавиатуры (ввод числа образцов N)
|
write('Введите количество
исследуемых образцов: '); readln(N);
|
|
8
|
Присваиваем наименования
|
A_label[1]:='Ao';
A_label[2]:='As'; A_label[3]:='Aа'; A_label[4]:='а';
A_label[5]:='RIP(K)'; A_label[6]:='RIP(K)(обм)'; A_label[7]:='Kd'; A_label[8]:='Kd(обм)';
|
|
9
|
Определяем диапазон
действия конкретной программы (т.е. задаем цикл «а»)
|
for I:=1 to N do
|
|
10
|
Начинаем написание
программы действий для данного цикла
|
begin
|
|
11
|
Начинаем цикл «б»
|
for J:=1 to 3 do begin
|
|
12
|
Определяем, куда должны
быть направлены данные, введенные с клавиатуры: (массив A)
|
str(i,buf_conv);
|
|
13
|
Задаем функцию ввода данных
с клавиатуры (ввод экспериментальных данных Ao,
As, Aa)
|
write ('Введите для образца '+buf_conv+'
значение '+A_label[J]+' = '); readln(A[I,J]);
|
|
14
|
Завершаем цикл «б»
|
end;
|
|
15
|
Начинаем цикл «в»
|
for J:=4 to 8 do begin
|
|
16
|
Определяем, куда должны
быть направлены результаты вычислений: (массив A)
|
str(i,buf_conv);
|
|
17
|
Задаем формулы для:
|
case j of
|
|
aобм
|
4:
A[I,J]:=A[I,3]/(A[I,1]-A[I,2]);
|
|
RIP(K)
|
5:A[I,J]:=V*(A[I,1]-A[I,2])*Ck/(A[I,2]*m);
|
|
RIP(K)обм
|
6:
A[I,J]:=A[I,5]*A[I,4];
|
|
Kd
|
7:
A[I,J]:=V*(A[I,1]-A[I,2])/(A[I,2]*m);
|
|
Kdобм
|
8:
A[I,J]:=A[I,7]*A[I,4];
|
|
Закрываем блок формул
|
end;
|
|
18
|
Задаем функцию выведения на
экран результатов вычислений для образца N
|
str(A[I,J]:9:3,result);
writeln('Для образца '+buf_conv+': '+A_label[J]+' ='+result);
|
|
19
|
Завершаем цикл «в»
|
end;
|
|
20
|
Завершаем цикл «а»
|
end;
|
|
21
|
Выводим на экран оповещение
о завершении вычислений для всех образцов
|
writeln('Вычисления для
заданных образцов выполнены.'); read(result);
|
|
22
|
Завершаем написание текста
программы
|
END.
|
После завершения написания программы, производим отладку ее
синтаксической, семантической и логической структуры.
Затем начинаем тестирование программы «RIP» на примере серии образцов БГХ, для
которых параметры селективной сорбции известны:
Тестирование программы «RIP»:
1. Запускаем программу с помощью сочетания клавиш SHIFT-F9.
. Вводим количество исследуемых образцов: N = 5. Нажимаем ENTER
для перехода к вводу экспериментальных данных.
. Вводим экспериментальные данные для образца 1 (после каждого введенного
значения нажимаем ENTER).
. Нажимаем ENTER для вывода
результатов вычислений основных показателей селективной сорбции для образца 1.
. По аналогичному механизму находим основные показатели селективной
сорбции для образцов 2 - 5:
. Нажимаем ENTER:
. Программа завершена. Нажатие любой клавиши на клавиатуре возвращает нас
к исходному коду в программе «PascalABC»:
3.4 Краткие выводы
Сравним данные, полученные в результате функционирования программы «RIP», с ранее вычисленными (таблица 7).
Таблица 7 - Сравнение данных, полученных с помощью программы «RIP», с данными, вычисленными ранее по
стандартным методикам
|
aо
|
RIP(K)
|
RIP(K)о
|
Kd
|
Kdо
|
|
выч.
|
прог.
|
выч.
|
прог.
|
выч.
|
прог.
|
выч.
|
прог.
|
выч.
|
прог.
|
|
1
|
0,0197
|
0,020
|
7167,33
|
7167,33
|
141,80
|
141,80
|
14334,67
|
14334,67
|
283,59
|
283,59
|
|
2
|
0,0334
|
0,033
|
2970,69
|
2970,69
|
99,32
|
99,32
|
5941,39
|
5941,39
|
198,64
|
198,64
|
|
3
|
0,0374
|
0,037
|
2622,42
|
2622,42
|
98,22
|
98,22
|
5244,84
|
5244,84
|
196,43
|
196,43
|
|
4
|
0,0376
|
0,038
|
2382,33
|
2382,33
|
89,63
|
89,63
|
4764,66
|
4764,66
|
179,26
|
179,26
|
|
5
|
0,0462
|
0,046
|
2154,97
|
1903,97
|
87,97
|
87,97
|
3807,95
|
3807,95
|
175,94
|
175,94
|
Как видно из таблицы 7, данные, полученные в результате функционирования
программы «RIP», практически не отличаются от
данных сравнения. Различия имеются лишь в нескольких случаях в 4 знаке после
запятой, что, вероятно, вызвано рядом округлений. Это свидетельствует о том,
что программа функционирует корректно и может применяться в практических целях
для экспресс-оценки селективных сорбционных свойств различных материалов.
Программа «RIP» соответствует
предъявляемым к ней требованиям и может быть с легкостью модифицирована при
изменении условий проведения эксперимента.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе отражены основные информационные технологии,
использующиеся в настоящее время для изучения поведения радионуклидов в
условиях ПЗРО.
Помимо этого, представлены основные программные комплексы для
моделирования различных объектов и процессов (в т.ч. миграции и сорбции
радионуклидов). Проведен детальный анализ систем моделирования с описанием
ключевых особенностей, достоинств и недостатков каждого программного комплекса.
Цель практической части данной работы заключалась в создании программы
для определения основных показателей селективной сорбции 137Cs с использованием экспериментальных
данных (в рамках теории селективной сорбции).
Была создана программа «RIP»,
отвечающая всем предъявляемым требованиям.
Данная программа успешно прошла тестирование и показала весьма хорошие
результаты.
Таким образом, программа функционирует корректно и может применяться в
практических целях для экспресс-оценки селективных сорбционных свойств
различных материалов.
Кроме того, программа «RIP»
может быть с легкостью модифицирована при изменении условий проведения
эксперимента.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ABC.Chemistry. Азбука Web-поиска для химиков. - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.abc.chemistry.bsu.by/default.htm. - Дата доступа : 01.12.2015
Сайт NIST Scientific and Technical database. - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.nist.gov. - Дата доступа : 01.12.2015
База данных
ядерно-химических констант. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://ie.lbl.gov/toi.htm. - Дата доступа : 01.12.2015.
Литературная
база данных МАГАТЭ INIS. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.iaea.org/inis/- Дата доступа : 01.12.2015
База данных Atomic Weights and Isotopic Compositions. - [Электронный ресурс] /
Режим доступа : http://www.nist.gov/physlab/data/comp.cfm - Дата доступа : 01.12.2015.
База данных Radionuclide Half-Life Measurements. -
[Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.nist.gov/physlab/data/halflife.cfm - Дата доступа : 01.12.2015.
База данных National Nuclear Data Center. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.nndc.bnl.gov - Дата доступа : 01.012.2015.
Сайт фирмы
ЗАО "Спектроскопические системы". - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.spectro-sys.com - Дата доступа : 01.12.2015.
Сайт фирмы TEXTRONICA AG (авторизованный дистрибьютoр оборудования Thermo Fisher Scientific). - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.textronica.com - Дата доступа : 01.12.2015
Сайт фирмы
«Атомтех». - [Электронный ресурс] / Режим доступа : http://www.atomtex.com -
Дата доступа : 01.12.2015
Сайт фирмы «ORTEC». - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.ortec-online.com - Дата доступа : 01.12.2015
Сайт фирмы «Canberra». - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.canberra.com - Дата доступа : 01.12.2015
Cпектрометр комбинационного рассеяния RAMANOR U-1000. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.spectro-sys.com/rus/modernization%20raman.html - Дата доступа :
01.12.2015
Масс-спектрометр
Neptune MC-ICP/HRMS. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.textronica.com/msline/mc_platform/mc_platform.htm - Дата доступа :
01.12.2015
Стационарный
сцинтилляционный гамма-бета-спектрометр МКС-АТ1315. - [Электронный ресурс] /
Режим доступа : http://www.atomtex.com/ru/products/stacionarnye-radiometry-i-spektrometry/gamma-beta-spektrometr-mks-at1315
- Дата доступа : 01.12.2015
Дозиметр-радиометр
МКС-АТ1117М. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.atomtex.com/ru/products/dozimetry-radiometry/dozimetr-radiometr-mks-at1117m
- Дата доступа : 01.12.2015
Полупроводниковые
гамма-спекрометры фирмы ORTEC.
- [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.ortec-online.com/Products-Solutions/RadiationDetectors/Overview.aspx
- Дата доступа : 01.12.2015
Жидкостно-сцинтилляционный
спектрометр TriCarb 2700TR. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.perkinelmer.com/catalog/family/id/tri%20carb%20liquid%20scintillation%20counters
- Дата доступа : 01.12.2015
Поверхностно-барьерный
альфа-спектрометр Canberra. - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.canberra.com/products/radiochemistry_lab/alpha-spectroscopy.asp -
Дата доступа : 01.12.2015
Программное
обеспечение UniChrom n-Vision. -
[Электронный ресурс] / Режим доступа : http://www.spectro-sys.com/eng/nvision.html
- Дата доступа : 01.12.2015
Программно-аппаратный
комплекс «AutoScan» для масс-спектрального анализа. - [Электронный ресурс] /
Режим доступа : http://www.spectro-sys.com/rus/autoscan.html - Дата доступа :
01.12.2015
Программное
обеспечение для масс-спектрального анализа «ELEMENT 2». - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.textronica.com/msline/elm2_shrt7.html - Дата доступа : 01.12.2015
Прикладное ПО
«SPTR». - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.atomtex.com/ru/software/prikladnoe-po-sptr - Дата доступа :
01.12.2015
Программное
обеспечение полупроводникового гамма-спектрометра «GammaVision». - [Электронный
ресурс] / Режим доступа :
http://www.ortec-online.com/Products-Solutions/Applications-Software-CL-and-HP.aspx
- Дата доступа : 01.12.2015
Программное
обеспечение поверхностно-барьерного альфа-спектрометра «Apex-Alpha». -
[Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.canberra.com/products/radiochemistry_lab/apex-alpha.asp - Дата
доступа : 01.12.2015
Прикладное
программного обеспечения «АТМА». - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.atomtex.com/ru/software/prikladnoe-po-atma - Дата доступа :
01.12.2015
Брюгеман С.А.
Программа обработки мёссбауэровских спектров «Univem-MS» // Тез. докл. VIII
междунар. конф. «Мёссбауэровская спектроскопия и ее применения», 8-12 июля 2002
г., С.-Петербург. - С. 212.
Программное
обеспечение для комплексной автоматизированной обработки спектральных данных «PeakFit». - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.sigmaplot.com/products/peakfit/peakfit.php - Дата доступа
: 01.12.2015
Программное
обеспечение/приложение IAEA
«Isotope Browser». - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://www.unric.org/en/apps-directory/28657-iaea-isotope-browser - Дата
доступа : 01.12.2015
Программа
расчета периодов полураспадов радионуклидов «Rad Pro Calculator». -
[Электронный ресурс] / Режим доступа : http://www.radprocalculator.com/ - Дата
доступа : 01.12.2015
Молекулярный
графический редактор «SAS».
- [Электронный ресурс] / Режим доступа : www.abc.chemistry.bsu.by/structure/8-acdlabs.htm
- Дата доступа : 01.12.2015
Программа для
моделирования геохимических равновесий «MINTEQA». - [Электронный ресурс] /
Режим доступа :
http://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_Report.cfm?dirEntryID=49346 - Дата
доступа : 01.12.2015
Программа для
нахождения констант равновесия на основе экспериментальных данных «FITEQL». -
[Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://rymd.lwr.kth.se/forskningsprojekt/mow/fiteql.htm - Дата доступа :
01.12.2015
Модульная
система для мультипрофильного моделирования процессов, явлений и систем
«COMSOL». - [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://www.comsol.com/ -
Дата доступа : 01.12.2015
Система для
моделирования протекания гидрогеохимических процессов «FEFLOW». - [Электронный
ресурс] / Режим доступа : https://www.mikepoweredbydhi.com/products/feflow -
Дата доступа : 01.12.2015
Модульная
система для мультипрофильного моделирования процессов, явлений и систем «GMS». - [Электронный ресурс] / Режим
доступа : http://www.aquaveo.com/software/gms-groundwater-modeling-system-introduction
- Дата доступа : 01.12.2015
Программный
комплекс для термодинамического моделирования геохимических процессов
«GEOCHEQ». - [Электронный ресурс] / Режим доступа :
http://geo.web.ru/conf/khitariada/5-2000.1/term10.pdf - Дата доступа :
01.12.2015
Платформа NUCLEUS IAEA «CONNECT».
- [Электронный ресурс] / Режим доступа :
https://nucleus.iaea.org/sites/CONNECT/Pages/default.aspx - Дата доступа :
01.12.2015
ПРИЛОЖЕНИЕ
RIP;
uses crt;
CONST
V=10;=0.1;=0.5;
VAR
A: array [1..10,1..8] of real; {массив А - исследуемые
образцы и определяемые для них параметры}
A_label: array [1..8] of string; {массив наименований},I,J: integer; {переменные}_conv,result: string;
BEGIN
clrscr;
write('Введите количество исследуемых образцов: ');
readln(N);_label[1]:='Ao';_label[2]:='As';_label[3]:='Aа';_label[4]:='а';_label[5]:='RIP(K)';_label[6]:='RIP(K)(обм)';_label[7]:='Kd';_label[8]:='Kd(обм)';
for I:=1 to N doJ:=1 to 3 do
str(i,buf_conv);
write('Введите для образца '+buf_conv+' значение '+A_label[J]+' = ');
readln(A[I,J]);
end;
for J:=4 to 8 do
str(i,buf_conv);
case j of
4: A[I,J]:=A[I,3]/(A[I,1]-A[I,2]);
: A[I,J]:=V*(A[I,1]-A[I,2])*Ck/(A[I,2]*m);
: A[I,J]:=A[I,5]*A[I,4];
: A[I,J]:=V*(A[I,1]-A[I,2])/(A[I,2]*m);
: A[I,J]:=A[I,7]*A[I,4];
end;(A[I,J]:9:3,result);('Для образца '+buf_conv+': '+A_label[J]+'
='+result);
end;
end;('Вычисления
для заданных образцов выполнены.');(result);
END
Похожие работы на - Информационные технологии для изучения поведения радионуклидов в условиях захоронения радиоактивных отходов
|