CC BY
338
УДК 621.039
МЕТОД РАССТАНОВКИ ПОСТОВ АСКРО ДЛЯ ДВУХ И БОЛЕЕ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС
А.П. Елохин, М.В. Жилина, Д.Ф. Рау
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
National Research Nuclear University
"MEPhI"
Рассматривается метод расстановки постов радиационного контроля автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) для двух и более энергоблоков АЭС с оптимизированной системой гамма-датчиков, расположенных на местности вокруг каждого из энергоблоков определенным образом: равномерно по азимуту и на различном расстоянии от источника выбросов, в частности, датчики могут быть расположены на местности по спирали Архимеда.
Для оптимизации числа датчиков, расположенных между блоками, находят точки пересечения прямых, проходящих через источник выбросов и датчики, расположенные на спирали. Точки пересечения этих прямых и определяют необходимое число датчиков, которые следует установить между блоками АЭС, и их координаты. При этом датчики дублирующие друг друга, расположенные на кривых, с целью экономии финансовых и материальных средств, следует отбросить. Для большего числа энергоблоков, расположенных на одной прямой или симметрично друг относительно друга, для оптимального выбора постов радиационного контроля может быть применен метод трансляции (перемещения).
Ключевые слова:Ключевые слова: контроль радиационной обстановки окружающей среды, обнаружение радиоактивных выбросов АЭС, ядерно-физические, спектрометрические, дозиметрические характеристики газоаэрозольной радиоактивной примеси.
The main idea of the article is the method of arrangement of posts of the radiation control of the automated monitoring system of radiation conditions (RCAMS) for two and more power units of the atomic power station with the optimized system of the gamma-ray sensors located in the district round each of power units in a certain way: evenly on an azimuth and on various distance from an emission source, in particular, sensors can be located on district on Archimedes spiral.
To optimize the number of sensors located between blocks it is necessary to find points of intersection of the straight lines passing through the source of emissions and the sensors located on the spiral. These very points of intersection of the straight lines define necessary number of the sensors to be installed between the blocks of the atomic power station and their coordinates. In this case the sensors duplicating each other, located on curves, for the purpose of economy of financial and material means, are necessary to reject. For a larger number of the power units, located on one straight line or symmetrically relative to each other, the method of the transferring (moving) can be applied for an optimum choice of radiation monitoring posts.
Keywords: radiation control of the environment, detection of radioactive emissions of the atomic power station, nuclear-physical, spectrometry, dosimetric characteristics of a gas and aerosol radioactive impurity.
Для радиационного контроля окружающей среды вокруг объектов использования атомной энергии (ОИАЭ), включая и АЭС, используют автоматизированные системы контроля радиационной обстановки (АСКРО), эффективное развитие которые получили после радиационной аварии на Чернобыльской АЭС. Основу АСКРО, как известно, составляют детекторы фотонного излучения, расположенные определенным образом вокруг объектов использования атомной энергии, метеодатчики, используемые для определения параметров и состояния устойчивости атмосферы в регионе ОИАЭ, программное обеспечение, используемое для обработки данных измерений и прогностических расчетов для оценки масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды в условиях радиационных аварий. [1] Принципиальная схема содержания АСКРО приведена на рисунке 1.
Выходные характеристики расчетной модели
Поверхностная Мощность дозы
активность внешнего
ра диоактивных облучения
аэрозолей от подстилающей
подстилающей поверхности
поверхности
Доза при ингаляции радиоактивных аэрозолей
Мощность дозы внешнего облучения от радиоакти вного облака
Профилактические меры
Критерии оценки
И
Эвакуация по желанию
Обязательная эвакуация
Проведение кампании эвакуации с оптимизацией финансовых затрат
Рисунок 1 - Структурная схема АСКРО
Для своевременного выявления радиоактивных выбросов, определения направления распространения радиоактивного облака, их дозиметрических характеристик и возможных последствий для окружающей среды разработаны и эксплуатируются различные технические средства или системы контроля, причем, в зависимости от характера источника выбросов и целей контроля датчики системы контроля могут быть размещены непосредственно на промплощадке АЭС, в санитарно-защитной зоне, в зоне наблюдения.
Характер размещения и количество датчиков в рассматриваемой области имеют определяющее значение и вытекают из демографических, экономических и экологических требований. Экономические и экологические требования вступают в противоречие, поскольку в первом случае выгоднее использовать систему радиационного контроля с меньшим количеством датчиков, а экологические требования (высокая степень информативности о радиационной обстановке при любом варианте выброса и его направлении распространения), наоборот, диктуют необходимость использования большего количества датчиков.
Возникающие противоречия устраняются, если датчики контроля разместить по периметру санитарно-защитной зоны (СЗЗ) так, чтобы при любом направлении ветра датчики мощности дозы (МД) постов автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) могли зарегистрировать гамма-излучение факела радиоактивных выбросов или радиоактивного облака. Оптимальное количество датчиков (следовательно, и постов контроля) в этом случае находят следующим образом.
Полагают, что рассеяние радиоактивной примеси происходит с высоты hэф при наихудших метеорологических условиях, в качестве которых можно рассматривать категорию устойчивости типа F из класса устойчивости модели Пасквилла-Гиффорда. [2] Этот класс устойчивости характеризуется сильным ветровым переносом и слабой поперечной диффузией факела выбросов. На подстилающей поверхности на расстоянии г < 3R0* км от источника выбросов радиоактивной примеси задают значение МЭД, равное предельно-допустимому для населения (ПДМД = 14 мкЗв/ч), полагая, что такую мощность дозы создает факел выбросов, распространяющийся в заданном направлении, в выбранной точке. Рассчитывают распределение мощности дозы на местности в направлении, перпендикулярном к радиусу, считая, что в максимуме распределения, т.е. на конце радиуса, значение МЭД составляет ПДМД. В полученном распределении находят расстояние, на котором значение мощности дозы оказывается равным порогу чувствительности датчика (Э^ )тЬ1 = 0,1 мкЗв/ч.
Если это расстояние 5, то необходимое число датчиков определяют целой частью отношения: = 12л:г /25]= [лг/5] , а достаточное - на единицу больше.
Такой подход может быть реализован в любой автоматизированной системе контроля радиационной обстановки (АСКРО) в районе размещения объектов атомной промышленности (АЭС), которая бы содержала датчики для измерения метеопараметров атмосферы, измерения температуры, давления и скорости воздушного потока в венттрубе, датчики мощности дозы фотонного излучения, расположенные
*К0 - характерный радиус СЗЗ, составляющий до недавнего времени 3 км. В настоящее время, в связи с существенным снижением уровней выброса газоаэрозольной примеси в атмосферу российских АЭС, работающих в штатном режиме величина Я0 уменьшается в полтора-два раза. [3]
^ = ^ +1
Д
Н
(1)
вокруг источника радиоактивных выбросов в соответствии с, указанным выше, условием их достаточности, многоканальную анализирующую аппаратуру, линии информационной связи для передачи результатов измерений от каждого из датчиков в соответствующий канал анализирующей аппаратуры. [1]
Однако, как установлено авторами, в результате детального анализа условий возникновения радиоактивных выбросов, формирования факела, его изотопного состава, распространения радиоактивного облака в атмосфере при различных классах ее устойчивости (от А до F в рамках модели Пасквилла-Гиффорда) и т.д., принцип размещения датчиков контроля в упомянутой выше системе контроля полностью справедлив лишь при условии, что выброс радиоактивной примеси при штатной работе или аварийной ситуации происходит из вентиляционной трубы АЭС. В этом случае наиболее важные параметры радиоактивных выбросов - начальная температура ТО, давление РО струи выброса, величина полной активности (мощность), радионуклидный состав и спектр гамма-излучения могут быть измерены датчиками, установленными внутри вентиляционной трубы, и с помощью этих данных может быть проведена оценка степени радиационной опасности выбросов. Совершенно иная ситуация возникает при радиоактивных выбросах в виде перегретой газовой струи из отверстий, клапанов, неплотностей сосудов, рваных отверстий или щелей, возникающих в случае взрывов или разрывов резервуаров, находящихся под высоким давлением и высокой температурой. Подобная ситуация характеризует запроектную аварию. [4,5]
При таких авариях экспериментально невозможно определить ни параметры струи, выбрасываемой из отверстий, ни объемную активность выброса, ни его радиационные характеристики, поскольку неизвестен спектр или средняя энергия фотонного излучения, и, следовательно, отсутствует возможность дать прогностический расчет масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды, а также оценить экологические последствия такой радиационной аварии. Подобные аварии хоть и редко, но возникают, в чем нас убеждают события, произошедшие на японской АЭС Фукусима-1 в марте 2011 года, и их последствия с точки зрения радиологического воздействия на население не могут быть прогнозируемы, если АЭС не обеспечена АСКРО.
Принцип расстановки постов радиационного контроля автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) с учетом этих особенностей для одного энергоблока был предложен в работах,[4,5] в дальнейшем получил широкое распространение в России в результате использования его в базовом и других проектах ОАО «Атом-энергопроект» [6-9] и рекомендован [10] в качестве базового проекта АСКРО для АЭС и других ОИАЭ.
Сущность расстановки постов, предложенный в указанных работах, заключается в использовании в системе контроля логически необходимого и достаточного количества датчиков ^Д, размещенных на местности равномерно по азимуту определенным образом. Каждый из датчиков №: где i = 1, 2,...,^Д установлен на расстоянии Ш - от источника радиоактивных выбросов (на расстоянии п от основания источника), отличном от соответствующих расстояний всех остальных датчиков, например, по спирали Архимеда (см. рис. 2). В центре располагается источник радиоактивного
загрязнения. Величина приращения азимутального угла Лф = 2%! N Д между
направлениями соседних датчиков выбиралась равной, а = Я01Лф
Система АСКРО работает следующим образом. После ее установки на местности и в рабочем режиме датчики МЭД регистрируют постоянно (или периодически) уровни мощностей доз в своих точках размещениях. Сигналы измерения по линиям связи
поступают в анализирующую аппаратуру, где эти сигналы сопоставляют с опорными уровнями, определенными предварительно в нормальных условиях работы АЭС. По любому отклонению сигналов с датчиков от опорных вырабатывается команда об изменении ситуации в зоне контроля. По характеру изменения судят о степени радиационной опасности персонала, принимается то или иное решение по предупреждению и оповещению возникшей ситуации.
Предложенная система АСКРО позволяет по показаниям датчиков фотонного излучения определить дифференциальный спектр ф(Е) гамма-излучения радиоактивных выбросов (факела, радиоактивного облака), а по спектру ф(Е) -среднюю энергию спектра, уточнить величину полной активности выбросов, уровни радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности, оценить масштабы загрязнения окружающей среды в целом и рассчитать дозовую нагрузку на население как при проектных, так и запроектных авариях на АЭС.
Рассмотренный выше метод размещения постов контроля целесообразен для одного блока АЭС, но недостаточен для двух или более, поскольку, размещая на каждом блоке систему гамма-датчиков указанным выше способом, мы можем получить дублирование датчиков на каком-то направлении, что, в конечном итоге, может привести их количество к избыточному или, во всяком случае, далеко не оптимальному.
Для оптимизации числа датчиков, расположенных между блоками АЭС, предварительно, на каждом блоке их расставляют по спирали Архимеда (см. рис. 3) и находят точки пересечения двух семейств прямых, проходящих через источники выбросов и датчики расположенные на кривых.
3
б
Рисунок 2 - Возможное размещение постов контроля АСКРО в СЗЗ по спирали Архимеда (на пересечении кривой с лучами) и многолучевой звездой (в вершинах и основаниях лучей)
V ' 7 \ А 2
// * \ У'
л:
1\/1 / / • л \ / Г4-
/ 1 л тЖ? 1 \ \
■1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рисунок 3 - Метод расстановки гамма-датчиков системы АСКРО для двух блоков АЭС
■1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рисунок 4 - Выделение дублирующих датчиков на выделенных направлениях
Затем находят дублирующие точки на выделенных направлениях. При этом датчики, дублирующие друг друга, расположенные на кривых, с целью экономии финансовых и материальных средств можно отбросить (см. перечеркнутые точки на рисунке 4), а точки, находящиеся на пересечении двух семейств прямых и определяют необходимое число датчиков, которые следует установить между блоками АЭС, и их
координаты (см. вертикально расположенные точки на рисунках 3 и 4).
Семейство прямых, характеризующих кривую 1 (спираль Архимеда) определяется уравнением:
У?} = х • (1)
где ф = гЛф,г = 1,2,...т; Лф = 2тс/Ыд,
N - достаточное количество датчиков системы АСКРО, располагающихся вокруг одного блока АЭС (Ыд = 22), чтобы при любом азимутальном угле выброса радиоактивной примеси в атмосферу факел выбросов мог быть зарегистрирован при сильно устойчивом метеорологическом состоянии атмосферы (категории F модели Пасквилла-Гиффорда).
Кривые 1 и 2 описываются уравнением: К = К •ф. Значение Я0 выбирают из
условия ^тах = Откуда следует Я0 = ^тах/2л:. В качестве ^тах принимают ^тах =
1500,0 м - расстояние от источника выбросов с общей активностью 0 = 5-106 Ки, расположенного на высоте И = 100 м, на котором источник создает мощность эквивалентной дозы фотонного излучения сравнимую с естественным фоном. Семейство прямых, характеризующих кривую 2 определяется уравнением:
у;
(2) _
= (хо - х)• 1в(ф) (2)
где х0 - расстояние между источниками возможных выбросов радиоактивной примеси в атмосферу.
В точках пересечения семейства прямых у(1) = у(2), а значение абсциссы точек пересечения не зависит от ф (индекса г) и равно:
х = хо/2. (3)
Напротив, значения ординат точек пересечения семейств прямых зависят от угла ф (индекса г) и определяются выражением:
^^}= ^• tg(ф)= 0,5х0 • tg(i•Лф)
2 , (4)
где в соответствии с рисунками 3, 4 г = ± 1,2,3,4.
При определении ординат датчиков значения индекса г должно быть ограничено так, чтобы выполнялось условие:
л/(у(1))2 +(0,5хо )2 < Ктах (5)
После построения системы датчиков АСКРО, удовлетворяющих требованиям для каждой из систем дублирующие друг друга датчики, в целях экономии финансовых и материальных средств, можно отбросить (см. перечеркнутые точки на рисунке 4). Окончательная картина размещения датчиков АСКРО для двух блоков АЭС приведена на рисунке 5.
■1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рисунок 5 - Принципиальная схема размещения гамма-датчиков АСКРО
для двух блоков АЭС
Стрелками указаны гипотетические направления выбросов радиоактивной примеси в атмосферу на одном из источников. Крупные точки на выделенных направлениях представляют собой центр масс радиоактивного выброса, распространяющегося в данном направлении. Прямые, соединяющие центры масс с гамма-датчиками АСКРО, указывают на систему опроса показаний датчиков, которые (показания) затем используются для определения спектра и средней энергии фотонного излучения радиоактивной примеси, распространяющейся по ветру.
Если система АСКРО строится для трех блоков АЭС, расположенных на одной прямой (как показывает практика), то решается аналогичная задача для второго и третьего блоков АЭС путем трансляции (перемещением) кривой 1 по оси X с размещением источника выбросов на расстоянии х0 от второго источника, и т.д.
В случае выброса радиоактивной примеси в атмосферу в условиях радиационной аварии на АЭС с заданными, например, левым или правым направлениями, система АСКРО, в соответствии с рисунком 5, опрашивает все датчики, регистрируя их показания, определяет состояние устойчивости атмосферы для уточнения условий рассеяния радиоактивной примеси, определяет радионуклидный состав радиоактивной примеси, используя показания спектрометрического оборудования или, в случае его отказа, показания датчиков АСКРО, [11] определяя спектр и среднюю энергию фотонного излучения в этом случае, и осуществляет прогнозирование радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население, обеспечивая, таким образом, руководство АЭС информацией для принятия соответствующего решения.
В случае отказа спектрометрического оборудования, задача прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население в условиях направленного выброса, характеризуемого шлейфом факела выбросов, решается следующим образом:
1) Факел выбросов в направлении его распространения в атмосфере аппроксимируют линейным источником с заданной плотностью, как функцией расстояния от источника.
2) Определяют точку центра масс на прямой (крупные точки на заданных направлениях).
3) Используя показания датчиков системы АСКРО и специальное математическое обеспечение, [12-14] определяют спектральный состав фотонного излучения и его среднюю энергию.
4) Осуществляют прогнозирование распространения радиоактивной примеси в атмосфере, используя специальное математическое обеспечение, [15,16] и проводят оценку дозовых нагрузок на персонал и население в условиях радиационной аварии, обеспечивая, таким образом, руководство АЭС необходимой информацией для принятия соответствующих решений (профилактика, эвакуация по желанию, принудительная эвакуация и т.д.), позволяющих минимизировать последствия радиационных аварий.
Литература
1. Хамьянов Л.П., Елохин А.П., Рау Д.Ф., Чистохин В.М. Автоматизированная система радиационного контроля на АЭС. Теплоэнергетика, Энергоатомиздат, 1989, №12, с.21-23.
2. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных станций. Руководство по безопасности (серия изданий по безопасности) № 50-SG-S6. Вена: МАГАТЭ, 1982г.105 с.
3. Иванов Е. А., Хамьянов Л.П., Кочетков О.А. и др. Расчет и обоснование размеров санитарно-защитных зон и зон наблюдения вокруг АЭС. Методические указания МУ 2.6.1.42-01. М., Федеральное управление медико-биологических и экстремальных проблем, 2001, 26 с.
4. Елохин А.П. Рау Д.Ф. Система контроля радиационной обстановки в зонах размещения объектов атомной промышленности. Патент РФ № 2042157 20.08.96 бюллетень 23.
5. Елохин А.П. Принципы размещения датчиков мощности дозы вокруг АЭС. Атомная энергия, т.76, вып.3, март, 1994 с. 188 - 193.
6. Khalupkova G.I., Elokhin A.P., Raou D.F., Ryzov N.V., Skatkin V.M., Parishev V.Y.TACIS-91 Nuclear Safety. Projekt 1.11: Development of Automatic control system of Radiation dose level. Task: Determination of Suitable Monitoring System-Prediction of Contamination. Moscow, 1995, Doc.№RGR0017, p.1-16
7. Автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО) в районе размещения Калининской АЭС. Проектно-сметная документация пускового комплекса АСКРО. Проект. Пояснительная записка. МИНАТОМ РФ, ГНИПКИИ АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ, 1995, 26с.
8. Разработка автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) в районе размещения Калининской АЭС. Москва, АТОМЭНЕР-ГОПРОЕКТ, дог. №66П/258 от 30.11.92.
9. Рабочая документация по привязке АСКРО к площадке Балаковской АЭС. Москва, АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ, дог. №95-66П/120 30.10.95-28.12.97.
10. Елохин А.П., Жилина М.В. (НТЦ ЯРБ), Рау Д.Ф., Иванов Е.А. (ВНИИАЭС). Положение о повышении точности прогностических оценок радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на
персонал и население. Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору РБ - 053 - 09. Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 08.06.2010 г. № 465. 79 с.
11. Елохин А.П., Жилина М.В. (НТЦ ЯРБ). Оценка спектральных характеристик фотонного излучения по показаниям гамма-датчиков. «Экологические системы, приборы», 2011, №5, стр. 31-42.
12. Scofield N. Proc. Symp. NAS-NS 3017, 1962, p.108.
13. Su Y. Study of scintillation spectrometry unfolding methods // Nucl. Instr. Meth.,1967,v.54, p.109-115.
14. Fabian H.U., Nemsman U. Determination of the energy spectrum of a gamma-ray flash // Atomkernenergie, 1970, BD 16, S. 143-145.
15. Методы расчета распространения радиоактивных веществ в окружающей среде и доз облучения населения. М.: МХО ИНТЕРАТОМЭНЕРГО, 1992, 334 с.
16. Методика расчета рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере при аварийных выбросах. РД 52.18.717-2009. Обнинск: ООО «Принт-Сервис», 2009, 113с.
17. Методические указания по расчету радиационной обстановки в окружающей среде и ожидаемого облучения населения при кратковременных выбросах радиоактивных веществ в атмосферу. МПА-98. Минатом России, 1998.
Елохин Александр Прокопьевич - доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». E-mail: APElokhin@mephi.ru
Рау Дмитрий Федорович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник центра по радиационной безопасности, охране окружающей среды и техники безопасности персонала АЭС.
Жилина Мария Владимировна - инженер, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». E-mail: mashazhilina@mail.ru
Elokhin Alexander P. - Doctor of Technical science, Professor, National Research Nuclear University «MEPhI». E-mail: APElokhin@mephi.ru
Raou Dmitriy F. - candidate of Technical science, senior staff scientist of the Centre for Radiation Safety, Environmental Protection and NPP Personnel Safety Engineering.
Zhilina Maria V. - engineer, National Research Nuclear University «MEPhI». E-mail: mashazhilina@mail.ru
