CC BY
38
АНАЛИЗ ПОЛЕЙ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ АВАРИЙНЫМИ ВЫБРОСАМИ СИБИРСКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Обсуждаются модели восстановления следа выпадений полидисперсной примеси от высотного мгновенного источника. С использованием предложенных моделей реконструкции полей атмосферных выпадений примесей проведён анализ данных аэрогамма-спектральных съёмок окрестностей Сибирского химического комбината.
Ключевые слова: численное моделирование, аэрозоль, радиоактивное загрязнение, реконструкция, обратная задача.
ANALYSIS OF RADIOACTIVE CONTAMINATION FIELDS FOR SIBERIAN CHEMICAL PLANT ENVIRONS
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 6, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Models of trace reconstruction of polydisperse admixtures fallout by tall instantaneous source are discussed. Analysis of air gamma spectral data determination in the Siberian Chemical Plant environs using proposed models for impurities atmospheric deposition fields reconstruction is presented.
Key words: numerical modeling, aerosol, radioactive contamination, the reconstruction, the inverse problem.
Определение количественных характеристик радиоактивного загрязнения природных сред в результате аварий на атомных станциях и предприятиях ядерно-технологического цикла является весьма актуальной задачей. Для корректного описания полей концентраций возникает необходимость обеспечения расчётных моделей соответствующей входной информацией. К ним следует отнести неопределённости высоты и мощности источника выброса радионуклидов в атмосферу, распределение в начальном облаке аэрозольных частиц по размерам и скоростям оседания и т.д., что приводит к необходимости использования при численном моделировании дополнительной экспериментальной информации о полях загрязнения и создания соответствующих моделей реконструкции [1, 2].
1. Модель реконструкции атмосферных выпадений примеси
Предварительный анализ полученных данных наблюдений аэрозольных выпадений радионуклидов показывает, что изменение полей их концентраций по мере удаления от места аварийного выброса может быть весьма значительным. Это позволяет сделать предположение о присутствии в их составе как крупных, так и достаточно мелких аэрозольных фракций. Исходным моментом
для расчета поля выпадений полидисперсной примеси от точечного источника является соотношение [3]
(• ат+1
р =1 wqwN(м>)^ , N(w) =---------wme~т , (1)
0 Г (ш +1)
где qw - поле концентрации монодисперсной примеси со скоростью оседания w, параметр характеризует скорость преобладающей по количеству
частиц фракции примеси, т - степень однородности распределения частиц примеси по скоростям w, т > — 1 , а = т / ^, Г (ш) - гамма-функция Эйлера.
С использованием аналитических решений уравнения турбулентной диффузии для относительно невысоких источников поле концентрации qw вблизи земли можно представить в виде [4]
( \ Ыс® с у2 ,
qw(XУ ) = —----, ехР(-----ТТ“) . (2)
2(1 + п),^к0Г (1 + о) х1-5+О X 4к0х
Здесь ось X ориентирована в направлении ветра, ось у направлена в поперечном ветру направлении, М - мощность источника примеси, кд - параметр турбулентного обмена в направлении оси у, ^ и кі - значения скорости ветра
и Н1+п
и коэффициента вертикального турбулентного обмена при 2 и Н
с =
(1 + п)2 к1
w
О =
&1 (1 + п)
С учётом соотношения (2) выражение (1) можно представить в виде
= Мат+1(1 + п)т+1 кТ+2 ехр(- с - ^)|®т+1ехр(-ак1(1 + п)®) ( с_ Г ® (3)
Р(Х’У) 2^к,Г(1 + ш)х1'5 Р( х 4к0хГ(1 + ®) Iх) а® . ( )
В частности, для осевой концентрации (у = 0 ) соотношение (3) представляется в виде
, ч 0 , с о02 ехр(-0о) (с,лл
Рось(х) ^ І5 ЄХР(--------) I -----------------* , - , (4)
Л/*1-5 V * /11 -4- Ґ»Л і ^ х у
X“ X ^ Г(1 + о)
Мдда+1(1 + п)т+1кт+2
0 =-----¡==---- ----1^— , = т +1 , 03 = ак1(1 + п).
1 2^жк0Г (1 + т) х15 2 3 1
2. Реконструкция осевой части следа от аварии 1993 г . в Томске -7
6 апреля 1993 г. на радиохимическом заводе в г. Томске -7 произошло разрушение ёмкости с радиоактивным раствором. Авария сопровождалась кратковременным залповым выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду через вентиляционную систему, вытяжную трубу высотой 150 м, а также развал стены здания на высоте 15 м. Распределение поля радиоактивного загрязнения местности изучалось с помощью самолётной гамма-съёмки, а также наземных маршрутных наблюдений загрязнения снегового и почвенного покрова. Начальная протяжённость следа с уровнем более 15 мкР/ч составила 28 км, наибольшая ширина - 6 км, площадь зоны загрязнения составила более 100 км . Дальнейшие наблюдения в мае-июне показали довольно быстрое снижение уровней загрязнения, что было обусловлено распадом короткоживущих радионуклидов - 103Яи, 95КЬ, 957г, 106Ки, доминировавших в составе выброса [5-7].
Рис. 1. Карты следов радиоактивных выпадений: а) - загрязнение почвы от аварии на СХК по состоянию на 13 мая 1993 г. (мкР/ч); б) - загрязнение снежного покрова по данным самолётной аэрогаммасъёмки на 12 апреля 1993 г.
На рис. 1а представлена карта радиационной обстановки в районе аварии на СХК на 13 мая 1993 г., полученная по данным наземных измерений гамма -поля на высоте 1 м [6, 7]. С использованием данных, приведённых на рис. 1а, и модельной зависимости (4) была проведена реконструкция осевой части следа.
Для проведения оценивания неизвестных параметров 9\ 5 &2 5 в
качестве опорных уровней измерений были использованы уровни: 110, 240, 1000 мкР/ч. Результаты численного восстановления осевых выпадений радионуклидов по заданным трём опорным уровням измерений представлена на рис. 2а. С использованием одной опорной точки на оси следа и полученных
оценок параметров 02 , 6Ъ был проведён численный анализ поля радиоактив-
ного загрязнения от аварии на 12 апреля 1993 г., представленного на рис. 1б [6]. Результаты восстановления поля на этот момент времени в направлении оси, представлен на рис. 2б.
1000 >00 ¡10 1
о_
0 5 10 15 20 25 30 35 40 км
Рис. 2. Численно восстановленные по данным наблюдений уровни радиоактивного загрязнения почвы и снегового покрова от аварии на СХК 1993 г. вдоль оси следа: а) по состоянию на 13 мая, б) на 12 апреля (самолётная гамма-съёмка. — - результат численного моделирования, о, • - опорные и
контрольные точки измерений
Анализ результатов моделирования показал вполне удовлетворительное согласие измеренных и вычисленных значений активности в контрольных точках измерений. Несмотря на значительную высоту источника произошло довольно быстрое снижение уровней загрязнения с расстоянием, что указывает на большую разнородность дисперсного состава выброшенной смеси радионуклидов. Тем не менее первоначальная протяжённость следа составила не менее 40 км.
137
2. Численная реконструкции северного следа выпадений С8, образовавшегося в результате аварии на реакторном заводе в Томске -7.
На рис. 3 а представлены результаты аэрогамма-спектральной съёмки окрестностей СХК, выполненной в сентябре 1993 г. лётной экспедицией НПО «Тайфун» [8]. На момент съёмки плотность загрязнения 133С£ на оси северного следа достигала 1 Кюри/км . К северу от СХК по ограниченному числу точек с
137
помощью соотношений (3)-(4) численно восстановлен след выпадений С8 , образовавшийся в результате крупной радиационной аварии на реакторных заводах комбината в шестидесятых годах прошлого столетия (рис. 3 а). На рис. 3б приведена измеренная и численно восстановленная плотность выпадений радионуклида по оси следа.
а
1 37 2
Рис. 3. Карта-схема плотности загрязнения почв С8 (мКюри/км ) на 1993 г. по данным аэрогаммасъёмки (а) и численное восстановление выпадений радионуклида по оси следа (б)
С использованием рассчитанных параметров модели реконструкции и за-
137
кона радиоактивного распада для С8 проведена прогнозная оценка современного состояния следа, а также на предположительное время аварии - вторая половина 60 годов прошлого столетия.
Заключение
Предложенная малопараметрическая модель реконструкции выпадений полидисперсной примеси даёт возможность численного анализа данных наблюдений практически по всей оси следа. Для получения оценок неизвестных параметров в зависимости (6) требуется привлечение относительно небольшого объёма данных измерений. Как показал численный анализ данных радиационного мониторинга, весьма полезным приёмом оказалось выделение группы параметров, зависящих от характеристик дисперсного состава, что позволило при восстановлении полей осевых концентраций в другие моменты времени дополнительно сократить количество используемых уровней измерений. Весьма полезной является информация о количественном составе выброшенной в атмосферу радионуклидной смеси. Её наличие позволяет после проведения численной реконструкции поля выпадений нуклидов дать прогноз радиационной обстановки на последующие моменты времени.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 4.9-3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Израэль Ю.А., Цатуров Ю.С., Назаров И.М. и др. Реконструкция фактической картины радиоактивного загрязнения местности в результате аварий и ядерных испытаний // Метеорология и гидрология. - 1994. - № 8. - С. 5-18.
2. Рапута В.Ф. Модели реконструкции загрязнения осевой части Восточно-Уральского радиоактивного следа // Вычислительные технологии. - 2006. - Т. 11. - Ч. 2. - Спецвыпуск. -С. 10-16.
3. Прессман А.Я. О распространении в атмосфере тяжёлой неоднородной примеси из мгновенного точечного источника // Инженер.-физ. журн. - 1959. - Т. 2. - № 3. - С. 78- 87.
4. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Ленинград: Гидро-метеоиздат, 1985. 272 с.
5. Израэль Ю.А., Артёмов Е.М., Назаров И.М. и др. Радиоактивное загрязнение местности в результате аварии на радиохимическом заводе в Томске // Метеорология и гидрология. - 1993. - № 6. - С. 5-8.
6. Булатов В.И., Чирков В.А. Томская авария: мог ли быть сибирский Чернобыль? Новосибирск: ЦЭРИС, 1993. 32 с.
7. Вакуловский С.М., Шершаков В.М., Бородин Р.В. и др. Анализ и прогноз радиационной обстановки в районе аварии на Сибирском химическом комбинате // Радиация и риск. - 1993. - Вып. 3. - Приложение 2. - С. 3-48.
© В. Ф. Рапута, 2013
