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-hydro-
mechanické 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 u269 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-fi a 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.
Jaroslava Kočárková