CC BY
48
ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ,
__СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ _
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
УДК [621.311.25:551.5](569.5)
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЙОНА АЭС
«БУШЕР» В ИРАНЕ
© 2017 А.П. Елохин, Е.А. Алалем, А.И. Ксенофонтов
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия
В работе рассматривается метод оценки необходимого и достаточного количества постов автоматизированной системы радиационной обстановки окружающей среды в санитарно-защитной зоне второго блока АЭС «Бушер» в Иране, размещаемых вокруг АЭС, а также обоснование способа их расстановки.
В основе метода лежат данные метеорологических наблюдений в указанном районе, представляющие собой результаты измерений скорости ветра и температуры на различной высоте на метеомачте и методика градиентных наблюдений указанных характеристик, для каждого месяца в течение 2006-2010 гг.
Полученные характеристики дают возможность провести расчёты состояния устойчивости атмосферы в рамках известной модели её приземного слоя и определяющие его метеорологические параметры - скорости воздушного потока, температуру, коэффициент турбулентной диффузии и энергию турбулентных пульсаций в виде функций высоты, путём решения замкнутой системы уравнений, описывающих состояние приземного слоя атмосферы.
Знание метеопараметров атмосферы позволяет сформулировать задачу по оценке радиоактивного загрязнения окружающей среды путём решения уравнения турбулентной диффузии в условиях гипотетической радиационной аварии на АЭС «Бушер» и определить необходимое и достаточное число постов АСКРО, а также способ их расстановки вокруг АЭС, позволяющий учесть ограниченность информации относительно радионуклидного состава радиоактивной примеси, распространяющейся в атмосфере в условиях аварии. Работа может представлять интерес для работников атомной промышленности, занимающихся эксплуатацией Атомных электростанций, научных сотрудников проектных организаций, разрабатывающих проекты автоматизированных систем типа АСКРО для предприятий атомной, металлургической и химической промышленности, экологов и др.
Ключевые слова: радиационная авария, метеорологические характеристики, ионизирующее излучение, радиоактивное загрязнение окружающей среды, детекторы ионизирующего излучения, устойчивое и неустойчивое состояния атмосферы.
Поступила в редакцию: 08.12.2017 ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] авторами рассматривались основные параметры района размещения проектируемой АЭС «Бушер» (1-го блока) в Иране с последующей систематизацией данных по основным характеристикам площадки, намеченной для строительства атомной электростанции. В представленной работе тема получила дальнейшее развитие, но основное внимание уделялось изучению метеорологических характеристик площадки АЭС и обоснованию системы радиационного контроля путём прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды при гипотетической радиационной аварии.
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2017
Моделирование распространения радиоактивного загрязнения окружающей играет важную роль при проектировании объектов использования атомной энергии (ОИАЭ), в частности, атомных станций. В случаях, когда необходимо минимизировать степень экологической опасности, важно своевременно и максимально точно определить направление возможного распространения радиоактивной примяси, ее объемную активность, а также характер распределения радиоактивного следа на местности.
В рассматриваемом нами случае ОИАЭ является стационарным объектом (АЭС). Его особенностью является то, что выход радионуклидов в атмосферу, происходит, как правило, на большой высоте, что является причиной распространения радиоактивного загрязнения на обширной территории. Газоаэрозольные выбросы создают в атмосферном воздухе аэродисперсные массы, которые в результате турбулентного движения долгое время удерживаются в атмосфере и переносятся воздушными потоками из района расположения станции на значительное расстояние [2]. Скорость и дальность переноса таких масс зависит от турбулентных течений в атмосфере, времени их существования в воздухе, метеорологических условий, а также скорости и направления атмосферных потоков и периода полураспада радионуклидов.
Физическая сторона рассматриваемой проблемы связана с анализом распространения и осаждения радионуклидов. Однако практически все компьютерные модели нуждаются в постоянной корректировке определенных данных, основанных на экологических и метеорологических наблюдениях.
В рассматриваемой работе необходимые метеорологические параметры предварительно получали путём их измерения на метеорологической мачте, а общий характер их зависимости как функции высоты - на основе решения замкнутой системы уравнений приземного слоя атмосферы [3].
1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
Для моделирования возникновения гипотетической аварии с выбросом радиоактивных веществ в атмосферу и определения уровней радиоактивного загрязнения окружающей среды, а также дозовых нагрузок на персонал и население предполагается использование автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО), общие характеристики которой достаточно подробно представлены в работах [4-7]. Данная система способна предоставить текущую информацию по развитию радиационной аварии в режиме реального времени всем необходимым структурам для своевременной оценки риска и принятия решений с целью минимизации последствий аварии.
В соответствии со сказанным выше, можно считать, что система АСКРО обеспечена соответствующими приборами и оборудованием, которое предназначено для целей сбора и обработки информации по радиоактивному загрязнению окружающей среды, оценки дозовых нагрузок на персонал и население, передачи обработанной информации руководству для принятия решений в соответствии с планом-мероприятий в случае возникновения радиационной аварии на АЭС [8].
В настоящей работе при рассмотрении сценария, обусловленного выходом радиоактивных газоаэрозольных примесей в атмосферу, рассматривается задача оценки необходимого и достаточного количества детекторов у-излучения, размещаемых в санитарно-защитной зоне АЭС в рамках АСКРО, с целью надёжной регистрации радиоактивного облака или факела выбросов, переносимых ветром в атмосфере. Приводится математическая формулировка постановки задачи и метод ее решения.
Рассматривая в качестве субстанции объемную активность газоаэрозольной
радиоактивной примеси, загрязняющей окружающую среду, д(х, у, £) (Ки/м3), метеопараметры атмосферы: и(г) - продольную скорость воздушного потока (поперечную скорость полагаем равной нулю), к(2) - коэффициент турбулентной диффузии и Ъ(2) - энергию турбулентных пульсаций (энергию турбулентных вихрей), определяемые в рамках модели приземного слоя атмосферы, находим, используя физико-математический аппарат работы [3].
к (г ) = ху*Ькп; п^ ) = V* ып/ х; Ъ = у?е ~у2Ъп = 4,6625 у*Ъп, (1)
где 1п = х/Ь - безразмерная высота;
Ь - масштаб Монина - Обухова (масштаб приземного слоя атмосферы); Ъп - безразмерная энергия турбулентных пульсаций; с - постоянная;
ип - безразмерная скорость ветра; V* - динамическая скорость; X = 0,4 - постоянная Кармана;
0 - потенциальная температура 9 = Т (1000 / Р )0'29 (Т - температура Р - атмосферное давление мбар;
9п - ее безразмерная величина 9п = -хв/в*, в* = Р0/(реру*.),
Р0 - поток тепла,
р - плотность воздуха,
сР - удельная теплоемкость);
аТ = кТ/к - отношение коэффициента турбулентности для тепла и количества движения.
2п = 2/у -2у3 /3 -4/3; (2)
кп = 1 - У4, (3)
где у - табулированное значение для различных гп [3].
Для безразмерных ип, Ъп, получаем следующие выражения:
ип = 2/у + 2агсг%{у) + 1п 1-У + С1; (4)
1 + У
Ьп = У2; (5)
вп = (6)
•> г/ /г
ат к „
п Т п
V*
1 =~ШгЖР) • <7)
где g - ускорение свободного падения; Т0 - температура на уровне земли.
Уравнение (2) относительно у имеет аналитическое решение Феррари и зависит
от гп следующим образом [6,7]:
-4л+Б +
У =
(Л + Б )-4
Л + Б
2 ^
Л + Б
+ 3
л[л+Б +
(Л + Б )-4
2
Л + Б
2 1
Л + Б
+3
2
• г >-4/-
' > /3'
• г <- 4/
• Гп < /3 :
где Л =
(2 + 1,5г„ )2
2
+
64 + (2 + )4 . Б = 3
4
(2 + 1,5г„ )2
2
V
64 +
(2 + 1,5г„ )4 4
Зависимости скорости приземного ветра п(г), коэффициента турбулентной диффузии к(г) и энергии турбулентных пульсаций Ъ(г) как функций высоты г в рамках модели приземного слоя атмосферы могут быть успешно найдены, если известны параметры приземного слоя: V* и Ь. Значения последних находят, используя методику градиентных наблюдений над скоростью ветра и температурой следующим образом [3,6-7]. Измеряют на двух уровнях скорость ветра и температуру, например, 21 = 2Н, г2 = 0,5Н (Н = 1м). Находят разности Бп = п^) - и^г); Б0 = 0(г1) - 6(г2). Используя формулу (7) и выражение для скорости ветра и температуры через безразмерные величины, получают Р0/рср = -X* Бв/Бвп ;
Бы = у*Бып / х. (Бы/Бып )2 = (#/Т0 )ь (Бв/Бвп)
(9)
где пп; вп - табулированные значения универсальных функций, вычисленных для различных гп (гп = г/Ь) [3], Бпп;
Бвп - их разность.
Поскольку Пп; Бв - измеряемые величины, а Бпп; Бвп зависят от масштаба Монина - Обухова Ь, то выражение (9) есть явно-неявная функция Ь. Для нахождения Ь задаются некоторым значением Ьтах и варьируют его, например, Ь; = БЬ-г, г = 1,2,3,...,#; БЬ = Ьтах/Ы до тех пор, пока разность £ или относительная погрешность в не будет минимальной (в пределе в ^ 0, см. рис. 1).
£ =
Г \ 2
гБы | я Бв ---ь
V БЫп )
То Бвп
в =
(Бы/Бып )2-(яЬ/Т0 \Бв/Бвп)
(БЫ Бы п )2
•100%
(10)
Найденное значение Ь*, при котором в минимальна, и определит искомое значение Ь: Ь = ББ1 . Определив масштаб Монина - Обухова Ь и пересчитав гп при фиксированных г1 и г2, т.е., таким образом, пересчитав Бвп; Бпп, найдем V*:
(11)
Бы,
или
у* = %
^яФо \Бв/ Бвп ).
2
<
2
3
При стремлении в ^ 0 V* ^ VРассмотренный метод более целесообразен при
расчёте метеопараметров на ЭВМ. Следует отметить, что представление 8 в виде зависимостей (11) и (12), собственно говоря, и позволяет находить масштаб приземного слоя атмосферы Ь в виде выражения (10). Поскольку параметр Ь может быть как Ь > 0 так и Ь < 0 (при Ь = 0 режим движения теряет турбулентный характер [3]), то всевозможные вариации Ьг должны проводится по формуле: Ьг = БЬ(Ы +1 - г), г = 1,2,3,...,N N+1, Ы+2,...,2Ы+1. Последнее позволяет учесть различную стратификацию слоя атмосферы, задаваемую температурным режимом. Для расчета ип(гп), кп(г„) при найденном Ь целесообразно пользоваться не таблицами, а аналитическим значением у как функцией гп, определяемой формулой (8), а для оценки разности безразмерных скорости воздушного потока и температуры в соответствии с видом этих зависимостей, определяемых формулами (4), (6), использовать выражения:
Оип = и. )- и. (^) = / ] + 2(аг^ ))- аг*§ (у^)))+ 1п (Ь^Ы ЦцЫ'
y(z2n )y(zi„ )J 1Я 2n 111" I 1 + y(Zm).
fle"=I, ^шшdZn
Выбор un, 9n по заданному zn осуществляется следующим образом: при известном zn находят у, по которому из таблицы находят значения соответствующие un или 0n. Аналогично находят значения этих функций для другого значения zn (другого уровня), вычисляя затем разности Aun , A9n. После определения параметров L, v* значения u(z), k(z) находят по формулам (1). Постоянную c в (4) находят при z = z0 и u(z)| = 0.
Для определения зависимости метеопараметров атмосферы, таких как скорость приземного ветра u(z) и коэффициент турбулентной диффузии k(z), как функций от высоты над подстилающей поверхностью (z), использовались параметры, полученные с метеовышки, находящейся на расстоянии около 100 км от промплощадки АЭС. Собранные с двух высотных отметок метеоданные по температуре, давлению, скорости и направлению ветра были усреднены помесячно.
Таблица 1. - Характеристики нижнего 100-метрового слоя атмосферы по результатам измерений на мачте в 2006 - 2010 годы [9] [Characteristics of the lower 100-meter atmosphere layer as measured by mast in 2006-2010]
Месяцы
Высота, м I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Температура воздуха, °С
10 12,3 16,9 20,5 25,6 30,7 32,6 33,7 33,9 31,9 28,0 21,8 19,9 26,7
45 12,7 16,6 20,9 26,0 30,8 32,3 33,6 33,9 32,3 238, 9 22,6 21,7 27,0
80 13,0 16,9 21,6 26,6 31,4 32,8 33,9 34,0 32,5 29,2 23,0 22,0 27,4
100 13,1 16,9 21,9 26,8 31,6 32,8 33,9 33,7 32,1 28,8 23,1 21,8 27,3
Скорость ветра, м/с
10 3,0 2,8 3,2 3,3 3,2 3,6 3,3 2,7 2,7 2,5 3,0 2,9 3,0
45 5,0 5,0 5,0 4,9 4,7 5,0 4,6 3,7 3,9 3,7 4,9 4,5 4,5
80 6,0 6,0 6,0 5,6 5,5 5,8 5,2 3,9 4,3 4,1 5,8 5,1 5,1
100 6,4 6,5 6,5 6,0 6,0 6,4 5,7 4,1 4,5 4,3 6,2 5,4 5,5
Рис. 1. - Значения индекса i, где наблюдается минимальная относительная погрешность е, (февраль) [Value of the index i, with which the minimum relative error е, is observed (February)]
Усредненные метеорологические данные с учетом указанного распределения и оценкой минимальных и максимальных значений представлены в таблице 1. Значения температуры воздуха на уровне подстилающей поверхности в точке 2 = г0, получали методом её экстраполяции, требуя непрерывности производной,
обеспечивающей «гладкость» кривой, построенной по метеоданным с метеовышки и сглаженной путём применения сплайнов. Расчёт метеопараметров проводился для наиболее характерных
метеорологических условий из указанных в таблице сезонов, а именно для января (I), февраля (II), марта (III),
Vsz 32
--Un(y)
X 2.73
июля (VII) и августа (VIII) [9].
При определенной в ходе расчета минимальной относительной погрешности е(г) были получены экстремальные значения индекса г, при которых наблюдается минимум ег, используемый для дальнейшего вычисления масштаба Монина-Обухова Ь, а
найденные значения V* по формуле (11),
дали возможность рассчитать по формулам (1) значения скорости воздушного потока п(г), коэффициента турбулентной диффузии к(г) и энергии турбулентных пульсаций Ъ(г), которые приведены на соответствующих рисунках для каждого из указанных месяцев. Анализ зависимости, приведенном на рисунке 1, показывает, что с ростом индекса г относительная погрешность е(г) уменьшается
■* п
до нуля при некотором г = 7, определяя, таким образом, Ьг = АЬ г , и затем снова резко возрастает, определяя расходимость решения. Подобный характер зависимости е(г) оказывается справедливым практически для всех сезонов. На рисунке 2 приведена зависимость распределения скорости ветра ип(у) как функции у (высоты г), учитывая, что зависимость у(гп) определяется формулой (8). На рисунке 3 приведена зависимость коэффициента турбулентной диффузии к(у), а на рисунке 4 - зависимость от у энергии турбулентных пульсаций Ъ(у). Аналогичные характеристики для января, марта, июля и августа приведены в приложении. Анализ полученных в ходе расчета значений масштаба приземного слоя (параметра Монина-Обухова) Ь позволил сделать вывод, что характер состояния атмосферы в районе площадки АЭС «Бушер» в общем, является изменчивым, т.е. изменяется от устойчивого (Ь = 85) до средне неустойчивого (Ь = - 8,0). Об этом, в частности, свидетельствуют сезонные изменения диапазона скорости ветра и температуры.
1 0.97 0.95 0.92 0.9 0.87 0.85 0.82 0.8 0.77 0.75 0.72 У
Рис. 2. - Распределение скорости ветра при устойчивом состоянии атмосферы (расчет авторов), характеризуемых параметрами L = 85 м; v* = 0,229 (у = z = 0; y = 0,72 ^ z = 100 м (февраль) [Distribution of wind speed in atmosphere stable
state (authors' calculation), characterized by parameters L = 85 m; v * = 0.229 (y = 1 ^ z = 0; y = 0.72 ^ z = 100 m (February)]
100
90
80
70
60
6
50
40
30
20
0
X' Vsz' |Li■ V.1—y J
0.97 0.95 0.92
0.87 0.85 0.82 0.8 0.77 0.75 0.72
Рис. 3. - Зависимость коэффициента турбулентной диффузии k(z), для устойчивого состояния атмосферы L = 85; V* = 0,229 (февраль) [Dependence of turbulent diffusion coefficient k (z), for atmosphere stable state L = 85; v * = 0.229 (February)]
неустойчивом состояниях атмосферы. Существенным признаком
Характер полученных
зависимостей скорости ветра и(г) (см. рис. 2) и коэффициента турбулентной диффузии к(г) (см. рис. 3) как функций высоты г для устойчивого состояния атмосферы хорошо согласуется с известными в литературе данными для указанных зависимостей при соответствующем состоянии
атмосферы [3,6-7,10], что позволяет констатировать, что расчёты проведены корректно.
Затрагивая вопрос корректности расчетов, целесообразно указать на отличия в поведении рассматриваемых функций при устойчивом и
0.22 0.21
0.19
4.6625' Vsz2' y2
1
0.97 0.95 0.92 0.9
0.87 0.85 0.82 y
0.8 0.77 0.75 0.72
устойчивого и неустойчивого состояний атмосферы является отличие зависимостей профиля ветра воздушного потока и коэффициента турбулентной диффузии как функций высоты z при том и другом состояниях атмосферы. При
устойчивом состоянии атмосферы для Рис. 4. - Зависимость энергии турбулентных пульсаций скорости воздушного потока b(z), для устойчивого состояния атмосферы
характерен её рост с высотой и L = 85; V* = 0,229 (февраль) [Dependence of turbulent небольшой коэффициент pu^w^gy b (zX for atm°sphere stable srtate
турбулентной диффузии. Напротив, L = 85; v * = 0229 (February)]
при неустойчивом состоянии
атмосферы наблюдается иная картина - слабое изменение с высотой скорости воздушного потока u(z) и значительный рост величины коэффициента турбулентной диффузии k(z). При устойчивом и неустойчивом состояниях атмосферы меняется и характер зависимости энергии турбулентных пульсаций: при устойчивом состоянии зависимость b(z) уменьшается с ростом высоты z, а при неустойчивом растёт. Усреднённые значения указанных величин, включая масштаб приземного слоя атмосферы Монина-Обухова L и динамическую скорость V*, приведены в таблице 2.
Таблица 2. - Усреднённые характеристики метеопараметров атмосферы [Averaged characteristics of atmosphere meteorological parameters]
6
y
0.24
0.23
0.2
Месяц иср м/с КСр м2/с ЬСр м2/с2 L, м V*
январь 4,87 2,88 0,169 62,5 0,23
февраль 4,814 3,266 0,183 85 0,229
март 4,814 3,266 0,183 85 0,229
июль 4,815 14,187 1,643 -5,556 0,288
август 3,341 8,895 0,577 -8,667 0,198
Перенос радиоактивной примеси в атмосфере рассчитывают, используя уравнение турбулентной диффузии для функции д(х,у,г), полагая при этом, что размывание примеси по оси У осуществляется по закону Гаусса. В этом случае объёмная активность примеси определяется формулой:
д(х, у, z) = *) ч ехр(- У2/<) (13)
Ы2я<гу (х)
где < (х) - среднеквадратичное отклонение; функция £(х, г) определяется
выражением:
(х, 2 )= \а(х.
£(х, 2) = | д(х, у, 2)/у = 21 д(х, у, 2)/у .
(14)
Таким образом, для объемной концентрации газоаэрозольной примеси получают уравнение:
а? а£ а
и--М- = -
ах аг аг
к (^
аг
- о£ +
(15)
где (р(х, г) = | / (х, у, г )/у = ,Ш(х)б(г - к^ );
/ = МЪ(х)Ъ(у)Ъ(г-кэф) - источник газоаэрозольной примеси, загрязняющий
окружающую среду;
М - мощность выброса (Бк/с);
кэф - эффективная высота выброса;
а - постоянная релаксации радиоактивной газоаэрозольной загрязняющей примеси, представляющая собой постоянную вымывания примеси из атмосферы о0 (с-1), так что о = о0; w - гравитационная скорость осаждения примеси.
В рамках рассматриваемой модели переноса величину о^ (х) представляют в виде: о2 (х) = Ъх2/и2 (1 + ахЪ1ки), где Ь , к , и - усредненные по приземному слою высотой
Н
пр
100 м с весом 8(х,г) значения энергии турбулентных пульсаций Ъ(г),
коэффициента турбулентной диффузии к(г) и скорости ветра и(г), а = 0,015.
Ч1ш I "Нш I "Нш I
| Ъ(г) | £ (х, г )йх dz | к (г) | £ (х, г ^х dz | и(г) | £ (х, г )dx
.0
Ъ =
к =
(х, г рх
.0 )
"Нш I
| I | £ (х, г )dx
о V о
dz
"Нш I
| I | £(х, г)их
о V о
dz
Граничные условия определяются выражениями:
£ ^ г) х=о = 0
£ (x, г) _ = о; £ (x, г) _ = о; а£
к-
аг
(в - ^)£|г
и = А
dz
"Нш /
| I | £ (х, г ^¿х
о V о
dz
(16)
(17)
(18)
(19)
где в - скорость сухого осаждения газоаэрозольной примести на подстилающую поверхность;
г0 - параметр шероховатости подстилающей поверхности.
о
ад
да
о
о
о
Аналитическое решение этой частной задачи (15) - (19) дается выражением (20), непосредственно объемная активность газоаэрозольной примеси радиоактивной примеси, распространяющейся в атмосфере, вычисляется по формуле (13).
M
S (x, z ) = — exp
стпx w x w(z -
u
4kw
(z - Кф )
2k
exp(- [z+кф }u/ 4kx)+ exp(- [z - кф ]2 ui4kx )
(2p - w)
__ exp ku
л/nkux
(2P - w)(z + кф ),f 2P 2k
i- w )2 kx
2k
x erfc
2P - w , (z + кф )
в _W \lkxlu +
2k Г
x u
, (20)
2. РЕЗУЛЬТАТЫ
x
u
Результаты расчётов указанных зависимостей и(г), к(г) и Ь(г) как функций высоты над подстилающей поверхностью, а также их усреднённые значения дают возможность получить осевые, поперечные распределения объёмной активности в зависимости от состояния устойчивости приземного слоя атмосферы, а также представить её общий характер.
Наглядное представление общего характера распределения объёмной активности, которая описывается формулами (13), (20), дает зависимость, представленная на
рисунке 5.
Пространственное распределение объемной активности I г : в приземном слое атмосферы при г = 1.5 м
Рис. 5. - Распределение объемной активности газоаэрозольной радиоактивной примеси как функции x, y при z = 1,5 м [Volumetric activity distribution of a gas-aerosol radioactive impurity x, y at z = 1.5 m function]
К сожалению, точность такого рода распределений не всегда бывает достаточно высокой, поскольку ряд параметров, определяющих функцию распределения £(х, z) (см. выражение (20)) и дисперсию oy(x), содержат данные, полученные экспериментально,
т.е. с определенной погрешностью. Последнее может привести к тому, что на расстояниях от источника выброса, начиная с 10 км, точность оценки будет превышать порядок рассматриваемой величины [11]. Поэтому в условиях радиационных аварий необходимо, по возможности, уточнять состояние устойчивости атмосферы, используя более надежные технологии измерения, а также использовать радиоуправляемые беспилотные средства дозиметрического контроля типа беспилотного дозиметрического комплекса (БДК) [6], позволяющие провести как дозиметрический, так и радиометрический контроль воздушного бассейна и подстилающей поверхности в режиме реального времени.
qU(x , y , 0.001)
2
qNU(x , y , 0.001)
A
=t
-A
A
J
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 -10'
Рис. 6. - Осевые распределения выбросов объемной активности q(x, y = 0, z = 1,5) газоаэрозольной радиоактивной примеси при неустойчивом состоянии атмосферы (выделено красным) и при устойчивом (выделено синим) (февраль) [The axial distributions of the volumetric activity q (x, y = 0, z = 1.5) emissions of a gas-aerosol radioactive impurity at atmosphere unstable state (red) and stable (blue) (February)]
Знание величины объемной активности и характер её распределения в атмосфере позволяет получить расчетные оценки мощности дозы от объемного источника и от поверхностного загрязнения
подстилающей поверхности,
используя интегральные методы [12] или метод Монте-Карло [1316] вблизи источника выбросов, или, при измеренных значениях объёмной активности, получить указанные оценки в рамках концепции лучевого равновесия [17] на территории,
расположенной на расстояниях от источника от 700 до 10000 м [6, 7].
qU(x ,y, 0.001) qNU (x, y, 0.001)
4.8 4.32 3.84 3.36 2.88 2.4
)
1.92 1.44 9.63 4.84
-1400 -1120 -840 -560 "280 0 280 560 840 1120 1400 y
Рис. 7. - Поперечное распределение объемной активности q(x, y = 0, z = 1,5) газоаэрозольной радиоактивной примеси при неустойчивом состоянии атмосферы (выделено красным) и при устойчивом (выделено синим) на расстоянии от источника x = 1200 м (февраль) [The transverse distribution of the volumetric activity q (x, y = 0, z = 1.5) of the gas-aerosol radioactive impurity in atmosphere unstable state (red) and stable (blue) at a distance x = 1200 m (February)]
5-10
4.5-10
"6
4-10
"6
3.5 -10
"6
3-10
-6
2-10
"6
1.5 -10
"6
-10
7
5-10
0
x
0
"6
0
0
0
"6
0
0
"6
0
"6
0
0
"7
0
4
0
На рисунке 6 в рамках рассматриваемой задачи, приведены результаты расчета осевого распределения радиоактивной примеси для полученных значений состояний устойчивости атмосферы, а на рис. 7 -результаты расчетов поперечного распределения радиоактивной примеси на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) радиусом Я0 = 1200 м. Это распределение может быть
использовано для оценки необходимого и достаточного постов контроля, размещаемых вокруг АЭС, следующим образом. В соответствии с нормативным документом [18] (см. таблицу 3.1 указанного документа) на границе СЗЗ АЭС для населения установлена годовая доза, составляюшая 5 мЗв в год, которая будет определяться мощностью дозы 0,57 мкЗв/ч или 57 мкР/ч. Принимая, что максимум того или другого распределений, приведённых на рис. 7, соответствует этой величине, а предельная чувствительность
стандартного у-детектора составляет Рпр = 10 мкР/ч, найдем, используя линейную интерполяцию для каждой из приведённых зависимостей, что для неустойчивого состояния атмосферы величина Рпр может быть зарегистрирована на расстоянии 5ну = 420 м от оси выброса, а для устойчивого - 5уст = 224 м. Далее для оценки необходимого и достаточного количества датчиков, размещаемых вокруг АЭС, воспользуемся иллюстрацией, приведенной на рис. 8. Определяя величиной 5 расстояние, на котором у-детектор регистрирует Рпр от газоаэрозольной примеси, поперечное распределение которой описывается той или иной кривой на рис. 7, характерной для того или иного состояния атмосферы, найдем длину дуги I, отсекаемую на окружности радиуса Я0 сектором, тангенс которого равен (5/К0). Тогда длина дуги определится несложной формулой [19, 20]:
Рис. 8. - Иллюстрация выбора оптимального количества датчиков АСКРО. На оси X0Y на границе СЗЗ в направлении выброса приведено поперечное распределение мощности дозы, создаваемой газоаэрозольной радиоактивной примесью. R0 - радиус СЗЗ [19] [Illustration of the choice of the optimum number of sensors ASKRO. On the X0Y axis, a transverse distribution of the dose rate produced by the gas-aerosol radioactive impurity is shown at the border
of the sanitary protection zone in the direction of ejection. R0 is the radius of the sanitary protection zone]
l = Rarctg
V Ro J
(21)
При этом необходимое число датчиков, размещаемых вокруг АЭС при неустойчивом или устойчивом состояниях атмосферы, полагая, что любое азимутальное направление выброса из 2п является равновероятным, отбрасывая мантиссу, найдём как отношение:
Ум = nR0 /l = п/ arctgiô/ R ),
(22)
а минимальное достаточное:
Уд = Ун +1.
Подставляя соответствующие значения 5 для устойчивого и неустойчивого состояний атмосферы, находим: Уд,ну = 10, Уд,уст = 18. Выбирая наиболее худший
вариант, можно констатировать, что для АЭС «Бушер» минимально достаточное число постов контроля составляет 18. При этом модель, согласно которой осуществлялась оценка числа постов, предполагает их размещение по периметру СЗЗ с равномерным их распределением по азимуту.
3. ОБСУЖДЕНИЕ
К размещению постов контроля в СЗЗ предъявляют экономические, экологические, демографические требования и физические критерии
[19, 20].
Экономические требования сводятся к ограничению числа постов (датчиков), что обусловлено высокой стоимостью линий связи, оборудования (датчиков, приемопередающих информацию устройств, систем персональных ЭВМ), зарплатой обслуживающего
персонала, затратами на социальные нужды и т.д.
Экологические требования сводятся к обеспечению высокой степени информативности об уровнях загрязнения окружающей среды при любом направлении выброса, чего можно достигнуть увеличением числа постов контроля на промышленной площадке и в СЗЗ [21].
Демографические - определяются критерием численности населения: пост контроля совместно с информационным табло общего пользования, на котором обычно выводится информация текущего времени, давлении, температуры воздуха, его влажности и загрязненности. Его целесообразно устанавливать в населенном пункте с числом жителей не менее N чел., где значение N будет определяться как социально-экономическими условиями населения населенного пункта (установка постов в населённых пунктах осуществляется за счёт финансовых средств муниципалитета), так и стремлением жителей к получению информации об уровнях экологического загрязнения окружающей среды. Противоречие экономических и экологических критериев приводит к необходимости оптимизации числа датчиков, размещаемых вокруг АЭС. Эта оптимизация оказывается возможной при использовании соответствующего физико-математического аппарата, приведённого
Рис. 9. - Расстановка постов АСКРО на АЭС «Бушер» 1-го блока [9] [Arrangement of ASKRO posts at Unit 1 Bushehr NPP]
выше. Однако, кроме определения оптимального числа датчиков АСКРО требуется удовлетворять ещё и некоторым критериям надёжности системы в целом, что приводит к необходимости разумного увеличения их числа в СЗЗ, например, за счёт дублирования некоторого числа датчиков.
При расстановке постов радиационного контроля при пуске 1 -го блока АЭС "Бушер", представленного на рисунке 9 [9], руководствовались, по-видимому, в основном демографическими критериями, поскольку посты представлены только населёнными пунктами с расстоянием от АЭС от 1600 м (Марварид) до (Хадакан) 59460 м, что не позволяет использовать результаты измерений радиационного фона, регистрируемого соответствующими детекторами, для корректировки прогностических расчётов радиационного загрязнения окружающей среды при возникновении радиационной аварии на АЭС «Бушер». О равномерности азимутального распределения говорить вообще не приходится, поскольку он вообще отсутствует. Орография подстилающей поверхности (рельеф местности) значительно изменяется, что предъявляет весьма жесткие требования к программному обеспечению, осуществляющему прогностические оценки радиоактивного загрязнения окружающей среды при возникновении радиационной аварии.
Таким образом, в случае возникновения радиационной аварии на АЭС «Бушер» систему постов радиационного контроля, представленную на рис. 9, невозможно использовать для корректировки прогностических расчётов с целью их уточнения, что указывает на крайнюю ограниченность системы АСКРО при таком методе размещения её постов радиационного контроля.
Рассмотренный выше принцип размещения постов контроля в С33 (равномерно по азимуту и по периметру границы СЗЗ) целесообразен лишь при условии, что примеси при штатной работе или аварийной ситуации выбрасываются из вентиляционных труб АЭС. В этом случае наиболее важные параметры выброса, такие, как начальные температура Т0 и давление Р0 струи, мощность выброса Рв, радионуклидный состав примесей или спектральный у-излучения, могут быть измерены специальными датчиками или их совокупностью, установленными в устье венттрубы.
Иная ситуация возникает при несанкционированном выбросе примесей в виде перегретой газовой струи из отверстий, клапанов, неплотностей сосудов, рваных отверстий или щелей, возникающих в случае взрыва или разрыва резервуаров, находящихся под высоким давлением и высокой температурой [6, 7, 21, 22]. В этом случае экспериментально почти невозможно определить ни параметры струи, выбрасываемой из отверстий, ни объемную активность примесей, ни их радиационные характеристики, поскольку не известен спектр или средняя энергия у-излучения, и, в конечном итоге, невозможно определить масштабы загрязнения окружающей среды и оценить экологические последствия загрязнения, так как подобные аварии являются крайне редкими и не могут быть прогнозируемыми. Разработка же универсальной аппаратуры, которую можно было бы использовать для определения указанных параметров и характеристик в любых ситуациях, - задача почти невыполнимая и, кроме того, может привести к резкому удорожанию АЭС.
Тем не менее, радиоактивное загрязнение окружающей среды в случае мощного нестационарного импульсного выброса примесей через отверстия может быть успешно оценено при использовании показаний технологических датчиков, устанавливаемых в резервуарах и определяющих температуру и давление среды, и показаний датчиков АСКРО, определяющих мощность дозы внешнего облучения от радиоактивного облака, образовавшегося в результате выброса. При этом датчики на промплощадке (ПП) и в СЗЗ должны быть расположены по определенному правилу, которое требует, чтобы расстояние от возможного источника радиационной опасности (АЭС) до любого
датчика было строго различно [11, 21-23].
Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть в общем случае выражение для мощности дозы в точках = Р(хг-, у-, гЛ), расположенных на подстилающей поверхности, от объемного источника (облака) с распределением объемной активности в нем д(х, у, г):
= М*., У , )= (е)ф(е)е{ д(х, у, z)[в(E, R)/ R2 ]ехр[- (23)
Emш У
где а(Е) - зависимость чувствительности детектора от энергии у-излучения примесей в облаке;
д(Е) - линейные коэффициенты поглощенной энергии ослабления у-излучения в воздухе соответственно; Б(Е,К) = 1 + а(Е)^Яехр[Ь(Е)цЯ] - фактор накопления; а(Е), Ь(Е) - известные функции энергии [24];
ф(Е) - подлежащий определению дифференциальный спектр у-излучения примесей;
Я = >/(х - х )2 + (у - у- )2 + (г - ^ )2;
х, у, г - текущие координаты;
хи у-, - координаты датчиков АСКРО;
V - область интегрирования и йу = йхйуйг.
Предполагая кратковременность выброса, можно пренебречь его смещением относительно оси симметрии. Требование кратковременности существенно упрощает метод оценки мощности дозы, создаваемой облаком, тогда как оценка мощности дозы в динамическом режиме распространения требует учета не только деформации облака, но и учета метеорологических факторов атмосферы, особенностей подстилающей поверхности и т.д.
Координаты центра масс облака определим следующим образом:
хо =| щ (х y, 1) ; Уо =| уч (х y, 1) ; го ={ (х y, 1) ; = { ч (х y, 1)йу.
V V V V
Полагая, что расстояние от точки центра масс до любого поста контроля АСКРО
Я-Л = хо - х )2 + (уо - у- )2 + (- )2
значительно больше характерного размера облака, объемную активность ч(х, у, г) представим в виде:
Ч(ху,г) = - хо)5(у - уо)5(г-го), (24)
где 5(х) - дельта-функция.
Проводя в уравнении (23) интегрирование по объему с ч(х, у, г) вида (24), получаем:
)= я }°а(е)ра(е)[в(е,яил)/R2ш]ехр[-ф(е)еж, (25)
Етт
где / = 1, 2, 3,..., Уд; N - достаточное число датчиков системы АСКРО.
Уравнение (25) относительно ф(£) представляет собой уравнение Фредгольма первого рода и относится к классу некорректных задач при заданной погрешности измерения датчиков. Нетривиальное решение уравнения (25) возможно, если Я-к = Яг: Яг Ф Яг + 1 Ф Я1+2 Ф . . .Ф КЩ; I = 1, 2, ..., Nд.
Уравнение решают заменой ф(£) групповым спектром, аппроксимацией интеграла конечной суммой и, таким образом, при различных ¿ задачу сводят к системе линейных алгебраических уравнений, т.е. решают систему вида [6,7]:
Ay = D,
(26)
где A - матрица NaxM (Na >M) матричным элементом, равным:
i(Ej в (К] )l + a(E] JU(EjR exp [ъ(К] (Ej R J}exp [- ц(Ej R E AE ,
ai, j a(- j^a^j,
Ф - вектор искомого решения с компонентами ф, j = 1, 2, 3, ..., М;
D - заданный вектор результатов Di = D(R1)R12/Qv, i = 1, 2, 3, ..., Na.
измерении с
компонентами
Для проверки методов расчета ф,- используют так называемый метод «бумажного эксперимента»: задают исходный спектр фапр(£), затем по уравнению (25) находят значения 0(Яг), которые искажают в пределах погрешности реальных показаний датчиков (15-25%), после чего решают обратную задачу определения ф,-. Из представленных в табл. 3 результатов решения уравнения (26) следует, что исходный и восстановленный спектры удовлетворительно согласуются, там же, наряду с удовлетворительными решениями, приведено решение системы линейных алгебраических уравнений, полученное тривиальным обращением матрицы
(неудовлетворительное решение): ф = 1Ь , где А* матрица, сопряженная^; (а*-А} '
- обратная матрица размером МхМ; Ь = А -Е> - вектор.
Таблица 3. - Сравнение исходного фапр и восстановленных Спектров [Comparison of the original фапр and the reconstructed Spectra]
[6,7]
Энергия E} (МэВ) Априорный ф;- ф, Вычисленный методом
Fabian H.U. Тихонов А.Н. Обр. матр.
0,37 1,768 1,784 1,851 -0,088
0,748 0,503 0,731 0,671 0,0
1,1216 0,328 0,149 0,137 -0,802
1,496 7,36-10-2 1,5610-2 1,45-10-2 -1,1-10-3
1,87 9,610-4 2,28-10-4 2,13-10-4 2,8434
Условие (Я-к Ф Яг: Яг Ф Яг+1 Ф Яг+2 Ф...Ф Я^; г = 1, 2, ..., N3) накладывает определенные требования на размещение постов контроля: при размещении датчиков мощности дозы (АСКРО) не должно быть осевой и центральной симметрии, поскольку в противном случае число уравнений (25) или (26), отличающихся правой частью, уменьшится в 2 или 4 раза (при осевой симметрии) или приведет к полному вырождению системы линейных алгебраических уравнений (при размещении датчиков
по периметру СЗЗ, т.е. при центральной симметрии). Кроме того, как уже отмечалось, размещение датчиков по периметру зоны позволяет надежно регистрировать факел выброса или распространение облака при любом направлении ветра.
Учет этих двух противоречивых требований приводит к тому, что Я постов контроля должны возрастать с увеличением азимутального угла, отсчитываемого от какого-либо направления (например, как в спирали Архимеда). Графики таких кривых приведены на рис. 10 и представляют собой либо гладкую кривую, для которой Я является функцией угла, Я = Яобг, = /А0; I = 1, 2, ..., УД; А9 = 2тс/Уд, либо
многолучевую звезду [6].
Решение аналогичной задачи осуществлялось и для наиболее реального источника радиоактивного загрязнения атмосферы - факела выбросов, схема выброса которого представлена на рис. 11, на котором размещение датчиков вокруг ОИАЭ также осуществлялось по спирали Архимеда [6]. В этом случае факел выбросов представляли линейным источником с неравномерной плотностью распределения, на котором определялось положение центра масс. В результате чего получали аналогичное уравнение, но с более сложным ядром. Решение уравнения осуществляли
аналогичным образом. Результаты решения приведены в табл. 4.
На рисунке 12. представлены результаты расчётов восстановления спектров фотонного излучения методом Скофилда (К. БсойеЫ). Гистограммы спектров представляют собой следующее: 1 - исходный ф(Е)апр (Еср = 0,497 МэВ); 2 - восстановленный с использованием метода N. БсойеЫ (а - возрастающий спектр, Еср = 0,5104 МэВ, 500 итераций); (б - «горбатый» спектр, Еср = 0,4939 МэВ, 2500 итераций); (в - убывающий спектр, Еср = 0,3519 МэВ, 12500 итераций).
Рис. 10. - Принцип расстановки постов контроля в СЗЗ [22] [The principle of placing control posts in the sanitary protection zone]
Таблица 4. - Сравнение исходного фапр и восстановленных спектров [6] [Comparison of the original фапр and the reconstructed Spectra]
Индекс j Энергия Ej , МэВ Спектр ф(Е)
Априорный ф' m э Мэ а ь? вычисленный методом
Y.Su ЕСр, МэВ N. Scofield ЕСр, МэВ Метод обратной матрицы
1 0,25 2,359 0,458 1,722 0,460 1,573 0,457 19,285
2 0,364 1,618 1,070 1,332 -33,735
3 0,497 1,178 1,269 1,123 28,269
4 0,605 0,638 0,939 0,972 -8,819
Рис. 11. - Иллюстрация оценки спектрального состава гамма-излучения от факела выбросов, который аппроксимируют линейным источником [6] [Illustration of spectral composition estimation of gamma radiation from the emission flare, which is approximated by linear source]
Рис. 12. - Результаты расчётов восстановления спектрального состава гамма-излучения от факела выбросов, который аппроксимируют линейным источником для трёх видов спектра гамма-излучения: а - возрастающий; б - «горбатый»; в - убывающий спектр [6] [The calculation results of spectral composition reconstruction of gamma radiation from the emission flare, which are approximated by linear source for three types of gamma-ray spectrum: a is increasing; b is "hunchbacked"; c is a decreasing spectrum]
Восстановленные спектры дают возможность определить среднюю энергию фотонного излучения радиоактивной примеси, формирующей радиоактивное облако, что, в свою очередь, позволяет оценить дозовые нагрузки на персонал и население. Средняя энергия есть интегральная величина, определяемая выражением:
Еср = j" Еф(Е) dE ]%(E) dE.
(27)
Следует отметить, что знание этой величины позволяет существенно упростить расчетные оценки дозовых нагрузок на персонал и население, поскольку, в противном случае расчеты указанных величин следовало бы проводить для каждой энергии фотонов радионуклидов, учитывая для каждого из них схему распада.
Сравнение средней энергии восстановленных и априорного спектров показывает удовлетворительное согласие относительно средней энергии Еср (табл. 4). Относительная погрешность расчетов составляет менее 1 % [6]. На рисунке 13 представлены зависимости погрешности средней энергии, восстанавливаемые методом N. БсойеЫ спектров у-излучения в виде кривых итерационного процесса при оценки сходимости величины средней энергии Еср.
Рис. 13. - Условие сходимости итерационного процесса при восстановлении спектрального состава у-излучения от факела выбросов, который аппроксимируют линейным источником для трёх видов спектра у-излучения: 1 - возрастающего; 2 - «горбатого»; 3 - убывающего [6] [The condition for the iterative process convergence when the spectral composition of gamma radiation is restored from the emission flare, which is approximated by a linear source for three types of y-radiation spectrum: 1 is increasing; 2
4. ПРИНЦИП РАЗМЕЩЕНИЯ ПОСТОВ АСКРО ДЛЯ ДВУХ И БОЛЕЕ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС
Рассмотренный выше метод размещения постов контроля целесообразен для одного блока АЭС, но недостаточен для двух или более, поскольку, размещая на каждом блоке систему у-датчиков указанным выше способом, мы можем получить дублирование датчиков на каком-то направлении, что в итоге может привести к их избыточности или далеко не оптимальному количеству.
Для оптимизации числа датчиков, расположенных между блоками АЭС, предварительно на каждом блоке их расставляют по спирали Архимеда (кривые 1 и 2 на рис. 14) и находят точки пересечения двух семейств прямых, проходящих через источники выбросов и датчики, расположенные на кривых [6].
v 4 r\ \ / ? /у A 2 /
7ч/7 \ --И'
АГ
V Y \ К /pi.
T7 \П
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рис. 14. - Метод расстановки постов контроля для двух энергоблоков АЭС [6] [The method of arranging control posts for two power units of nuclear power plants]
Затем находят дублирующие точки на выделенных направлениях. При этом датчики, дублирующие друг друга, расположенные на кривых, для экономии финансовых и материальных средств можно отбросить (см. перечеркнутые точки на рис. 15), а точки, находящиеся на пересечении двух семейств прямых, определяют необходимое число датчиков, которое следует установить между блоками АЭС, и их координаты (см. вертикально расположенные точки на рис. 14 и 15).
■1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рис. 15. - Метод расстановки постов контроля для двух энергоблоков: выделение дублирующих датчиков системы АСКРО [6] [The method of arranging control posts for two power units: allocation of
duplicate sensors of the ASCRO system]
Семейство прямых, характеризующих кривую 1 (спираль Архимеда) определяется уравнением:
х • tg (ф) , (28)
где ф = / Аф, i = 1, 2, ..., m;
Аф = 2л:/#д, N - достаточное число датчиков системы АСКРО, располагающихся вокруг одного блока АЭС, чтобы при любом азимутальном угле выброса радиоактивной примеси в атмосферу факел выбросов мог быть зарегистрирован при сильно устойчивом метеорологическом состоянии атмосферы (категории F или G модели Пасквилла-Гиффорда) [6] или при высоком значении параметра приземного слоя атмосферы L > 0.
Кривые 1 и 2 описываются уравнением R = Я0ф . Значение R0 выбирают из
условия Rmax = Ro'2tc. Откуда следует Ro Rmax/2^. В качестве Rmax принимают Rmax = 1500,0 м - расстояние от источника выбросов с общей активностью Q = 5-106 Ки, расположенного на высоте h = 100 м, на котором источник создает мощность эквивалентной дозы фотонного излучения, сравнимую с естественным фоном.
Семейство прямых, характеризующих кривую 2, определяется уравнением:
y(2)=(Хо - х)tg(ф) , (29)
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. (30)
Напротив, значения ординат точек пересечения семейств прямых зависят от угла ф (индекса г) и определяются выражением:
у«^ у(2)= (ф) = 0,5Xоtg (г-Аф), (31)
где в соответствии с рис. 14 и 15, г = ± 1, 2, 3, 4.
При определении максимальной ординаты датчиков значения индекса г должно быть ограничено так, чтобы выполнялось условие:
У(1))2 +(0,5Хо )2 < (32)
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 15).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Окончательная картина размещения датчиков АСКРО для двух блоков АЭС приведена на рисунке 16. Стрелками на рисунке 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 у-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 хо 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
* Если рассматривать конкретный случай АСКРО 2-го и 3-го блоков АЭС Бушер, то рекомендации здесь сводятся к следующему. Поскольку расстояние между вторым и третьим блоками небольшое и составляет всего порядка 300 м с небольшим, то геометрический центр источника возможных радиоактивных выбросов целесообразно разместить посредине между ними. Тогда задача размещения постов контроля сводится в точности к вышеизложенной. Если посты радиационного контроля в этом случае будут размещаться на зданиях, то размещать их следует таким образом, чтобы исключить экранирование детектора более высоким зданием, расположенном по направлению луча, проведённого из устья венттрубы до рассматриваемого детектора, или же приподнять детектор на определённую высоту, чтобы исключить подобный эффект.
АСКРО (в соответствии с рис. 16) 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, определяет спектр и среднюю энергию фотонного излучения и прогнозирует радиоактивное загрязнение окружающей среды и дозовые нагрузки на персонал и население, обеспечивая, таким образом, руководство АЭС предварительной информацией для принятия соответствующего решения, позволяющего минимизировать последствия радиационной аварии.
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние, м
Рис. 16. - Принципиальная схема размещения у-датчиков системы радиационного контроля АСКРО для двух энергоблоков 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, рапространяющегося в данном направлении. Прямые, соединяющие центры масс с у-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 [6] [The basic scheme for the placement of y-sensors of the radiation monitoring system ARMS for two power units of nuclear power plants. Arrows indicate the hypothetical directions of emissions of radioactive impurities into the atmosphere at one of
the sources. The large points on the selected directions represent the center of radioactive ejecta mass propagating in this direction. The straight lines connecting the centers of mass with the ARMS y-sensors indicate a system for interrogating the readings of the sensors, which are then used to determine the spectrum and average energy of the photon radiation of a radioactive impurity propagating downwind]
РЕКОМЕНДАЦИИ
Работа может представлять интерес для работников атомной промышленности, занимающихся эксплуатацией Атомных электростанций, научных сотрудников проектных организаций, разрабатывающих проекты автоматизированных систем типа АСКРО для работников предприятий металлургической и химической промышленности, занимающихся вопросами охраны окружающей среды, экологов и других специалистов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елохин, А.П. и др. Принципы расстановки постов радиационного контроля в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения АЭС "Бушер" [Текст] / А.П. Елохин, Н.М. Власкин // Экологические системы и приборы. - 2004. - №6. - С. 40-46.
2. Методы расчета распространения радиоактивных веществ в окружающей среде и доз облучения населения [Текст]. М.: «МХО Интератомэнерго», 1992. - 334 с.
3. Лайхтман, Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы [Текст] / Д.Л. Лайхтман. - Л.: Гидромет. изд-во, 1970. - 340 с.
4. Елохин, А.П. и др. Оценка материальных затрат при ликвидации последствий радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности при радиационной аварии на ОИАЭ [Текст] / А.П. Елохин, И.А. Стародубцев // Глобальная ядерная безопасность. - 2016. - №3(20). - С. 7-34.
5. Елохин, А.П. и др. Некоторые оценки материальных затрат при ликвидации последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды в результате радиационной аварии на ОИАЭ [Текст] / А.П. Елохин, И.А. Стародубцев // The XIIth International Conference Science and Education. 1-2 июля 2016 г., Мюнхен, Германия. - Мюнхен, 2016. - С. 55-81.
6. Елохин, А.П. Методы и средства систем радиационного контроля окружающей среды : монография / М-во образования и науки Российской Федерации, Нац. исслед. ядерный ун-т «МИФИ» [Текст] / А.П. Елохин. - М.: НИЯУ МИФИ, 2014. - 520 с.
7. Елохин, А.П. Оптимизация методов и средств автоматизированных систем контроля радиационной обстановки окружающей среды [Текст] / А.П. Елохин : дисс. ... докт. техн. наук.
- М.: МИФИ. - 2001. - 325 с.
8. Типовое содержание плана мероприятий по защите персонала в случае аварии на атомной станции (НП - 015-12). Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 18 сентября 2012 г. №518 [Текст].
9. Компания по производству и развитию атомной энергии Ирана. АЭС «Бушер-2» [Текст]. Энергоблоки 2,3. Том 4. Инженерно-гидрологические изыскания. Книга 1. Аэрометеорологические работы и исследования. 2015. - 235 с.
10. Бобылева, М.М. Расчет характеристик турбулентности в планетарном пограничном слое атмосферы [Текст] / М.М. Бобылева // Труды Ленинградского Гидрометеорологического института. Вып. 40 (Некоторые вопросы физики пограничного слоя в атмосфере и море). - Л., 1970. - С. 64-73.
11. Елохин, А.П. и др. Положение о повышении точности прогностических оценок радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население [Текст] / А.П. Елохин, М.В. Жилина, Д.Ф. Рау, Е.А. Иванов. 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.
12. Метеорология и атомная энергия [Текст] / Пер. с англ. Под ред. Н.Л. Бызовой и К.П. Махонько.
- Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 618 с.
13. Метод Монте-Карло в проблеме переноса излучений [Текст] / Под ред. чл.-корр. АН СССР Г.И. Марчука. - М.: Атомиздат, 1967. - 256 с.
14. Leimdorfer M. On the Use of Monte-Carlo Methods for Solving Gamma Radiation Transport Problems. Nukleonik, 1964, Vol. 6. p. 14.
15. Золотухин, В.Г. и др. Поле излучения точечного мононаправленного источника гамма-квантов [Текст] / В.Г. Золотухин, Л.Р. Кимель, А.И. Ксенофонтов и др. - М.: Атомиздат, 1974. - 160 с.
16. Соболь, И.М. Численные методы Монте-Карло [Текст] / И.М. Соболев. - М.: Наука, 1973. -311 с.
17. Гусев, Н.Г. и др. Радиоактивные выбросы в биосфере. Справочник [Текст] / Н.Г. Гусев, В.А. Беляев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 224 c.
18. Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99/2009) [Текст].
19. Елохин, А.П. и др. К вопросу об использовании автоматизированных систем контроля экологической обстановки на территориях, прилегающих к предприятиям черной, цветной металлургической и атомной промышленности [Текст] / А.П. Елохин, И.А. Стародубцев // Глобальная ядерная безопасность. - 2015. - №4(17). - С. 15-34.
20. Elokhin Alexander P., Starodubtcev Ilia A. On the Ecological Situation at the Territories Adjacent to Chemical and Metallurgical Facilities. (Subtitle: Using Sensors and an Automated Control System to
Monitor Environmental Conditions). Environmantal Quality Management. (USA) 2017, Issue 26, №2, pp. 23-43.
21. Елохин, А.П. Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружающей среды [Текст] / А. П. Елохин. Учебное пособие. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 316 с.
22. Елохин, А.П. Принципы размещения датчиков мощности дозы вокруг АЭС [Текст] / А.П. Елохин // Атомная энергия. - 1994. - Т. 76. - Вып. 3. - С. 188-193.
23. Елохин, А.П. и др. Система контроля радиационной обстановки в зонах размещения объектов атомной промышленности. РФ патент на изобретение № 2042157 20.08.96 бюл. №23 [Текст] / А.П. Елохин, Д.Ф. Рау. - 1996. - С. 230-231.
24. Машкович, В.П. и др. Защита от ионизирующих излучений. Справочник [Текст] / В.П. Машкович, А.В. Кудрявцева. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 496 с.
REFERENCES
[1] Elokhin A.P., Vlaskin N.M. Printsipy rasstanovki postov radiatsionnogo kontroiya v sanitarno-zashchitnoi zone i zone nabliudeniya AES "Busher" [The Principles of Placing Radiation Control Posts in the Sanitary Protection Zone and the Observation Zone of the Bushehr NPP]. Ekologicheskie sistemy i pribory [Ecological Systems and Devices], 2004, №6, pp. 40-46. (in Russian)
[2] Metody rascheta rasprostraneniya radioaktivnykh veshchestv v okruzhaiushchei srede i doz oblucheniya naseleniya [Methods for Calculating the Spread of Radioactive Substances in the Environment and Doses to the Public]. M. Pub. «MKhO Interatomenergo», 1992, 334 p. (in Russian)
[3] Laikhtman D.L. Fizika pogranichnogo sloia atmosfery [Physics of the Boundary Layer of the Atmosphere]. Leningrad. Pub. Gidrometeorologicheskoe, 1970, 340 p. (in Russian)
[4] Elokhin A.P., Starodubtsev I.A. Otsenka materialnykh zatrat pri likvidatsii posledstvii radioaktivnogo zagriazneniya podstilaiushchei poverkhnosti pri radiatsionnoi avarii na OIAE [Assessment of Material Costs in the Liquidation of Radioactive Contamination Consequences of the Underlying Surface during a Radiation Accident at the OIAE]. Globalnaya yadernaya bezopasnost [Global nuclear safety], 2016, №3(20), pp. 7-34. (in Russian)
[5] Elokhin A.P., Starodubtsev I.A. Nekotorye otsenki materialnykh zatrat pri likvidatsii posledstvii radioaktivnogo zagriazneniya okruzhaiushchei sredy v rezultate radiatsionnoi avarii na OIAE [Some Estimates of Material Costs during the Liquidation of Environment Radioactive Contamination Consequences as a Result of a Radiation Accident at the OIAE]. The XIIth International Conference Science and Education. 1-2 iyuiya 2016 g., Miunkhen, Germaniya. Miunkhen, 2016, pp. 55-81. (in Russian)
[6] Elokhin A.P. Metody i sredstva sistem radiatsionnogo kontroiya okruzhaiushchei sredy [Methods and Means of Radiation Monitoring Systems of the Environment]. M. Pub. NIyaU MIFI [NRNU MEPhI], 2014, 520 p. (in Russian)
[7] Elokhin A.P. Optimizatsiya metodov i sredstv avtomatizirovannykh sistem kontroiya radiatsionnoi obstanovki okruzhaiushchei sredy [Optimization of Methods and Means of the Automated Control Systems of Environment Radiation Situation]. Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni doktora tekhnicheskikh nauk [The thesis for the Doctor of Engineering degree]. M. Pub. MIFI [MEPhI], 2001, 325 p. (in Russian)
[8] Tipovoe soderzhanie plana meropriyatii po zashchite personala v sluchae avarii na atomnoi stantsii (NP - 015-12). Federalnye normy i pravila v oblasti ispolzovaniya atomnoi energii. Utverzhdeny prikazom Federalnoi sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 18 sentiabria 2012 g. №518 [Typical Content of the Action Plan for Personnel Protection in the Accident at Nuclear Power Plant (NP - 015-12). Federal Rules and Regulations in the Field of Use of Atomic Energy. Approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision of September 18, 2012 № 518]. (in Russian)
[9] Kompaniya po proizvodstvu i razvitiyu atomnoi energii Irana. AES «Busher-2». Energobloki 2,3. Tom 4. Inzhenerno-gidrologicheskie izyskaniya. Kniga 1. Aerometeorologicheskie raboty i issledovaniya [Company for the Production and Development of Nuclear Energy in Iran. Bushehr-2 NPP. Power units 2,3. Volume 4. Engineering and Hydrological Surveys. Book 1. Aerometeorological Work and Research.]. 2015, 235 p. (in Russian)
[10] Bobyleva M.M. Raschet kharakteristik turbulentnosti v planetarnom pogranichnom sloe atmosfery. Trudy Leningradskogo Gidrometeorologi-cheskogo instituta. Vyp. 40 (Nekotorye voprosy fiziki pogranichnogo sloia v atmosfere i more) [Calculation of the Turbulence Characteristics in the Planetary Boundary Layer of the Atmosphere. Proceedings of the Leningrad Hydrometeorological
Institute. Issue. 40 (Some issues of the Physics of the Boundary Layer in the Atmosphere and the Sea)]. Leningrad, 1970, pp. 64-73. (in Russian)
[11] Elokhin A.P., Zhilina M.V., Rau D.F., Ivanov E.A. Polozhenie o povyshenii tochnosti prognosticheskikh otsenok radiatsionnykh kharakteristik radioaktivnogo zagriazneniya okruzhaiushchei sredy i dozovykh nagruzok na personal i naselenie. Ministerstvo prirodnykh resursov i ekologii Rossiiskoi Federatsii, Federalnaya sluzhba po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru RB - 053-09. Utverzhdeno prikazom Federalnoi sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 08.06.2010 g. №465 [Provision on Increase in Accuracy of Predictive Estimates of Radiation Characteristics of Radioactive Environmental Pollution and Dose Loads of Personnel and Population. The Ministry of Natural Resources and Environmental Protection of the Russian Federation, Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision of RB - 053 - 09. Approved by the order of Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision, 08.06.2010 №465], 79 p. (in Russian)
[12] Meteorologiya i atomnaya energiya [Meteorology and Nuclear Energy.]. Perevod s angliiskogo, pod redaktsiei N.L. Byzovoi i K.P. Makhonko [Trans. from English. Edited by N.L. Byzova and K.P. Mahonko]. Leningrad. Pub. Gidrometeoizdat, 1971, 618 p. (in Russian)
[13] Metod Monte-Karlo v probleme perenosa izluchenii [The Monte Carlo Method in the Problem of Radiation Transfer.]. Pod redaktsiei chlena-korrespondenta AN SSSR G.I. Marchuka [Edited by G.I. Marchuk]. M. Pub. Atomizdat, 1967, 256 p. (in Russian)
[14] Leimdorfer M. On the Use of Monte-Carlo Methods for Solving Gamma Radiation Transport Problems. Nukleonik, 1964, Vol. 6. p. 14. (in English)
[15] Zolotukhin V.G., Kimel L.R., Ksenofontov A.I. i etc. Pole izlucheniya tochechnogo mononapravlennogo istochnika gamma-kvantov [The Radiation Field of a Point Monodirectional Source of Gamma Quanta]. M. Pub. Atomizdat, 1974, 160 p. (in Russian)
[16] Sobol I.M. Chislennye metody Monte-Karlo [Numerical Monte Carlo Methods]. M. Pub. Nauka [Science], 1973, 311 p. (in Russian)
[17] Gusev N.G., Beiyaev V.A. Radioaktivnye vybrosy v biosfere. Spravochnik [Radioactive Emissions in the Biosphere: a reference book]. M. Pub. Energoatomizdat, 1986, 224 p. (in Russian)
[18] Sanitarnye pravila i normativy. SanPiN 2.6.1.2523-09 «Normy radiatsionnoi bezopasnosti» (NRB-99/2009) [Sanitary Rules and Regulations. SanPiN 2.6.1.2523-09 "Norms of Radiation Safety"]. (in Russian)
[19] Elokhin A.P., Starodubtsev I.A. K voprosu ob ispolzovanii avtomatizirovannykh sistem kontroiya ekologicheskoi obstanovki na territoriyakh, prilegaiushchikh k predpriyatiyam chernoi, tsvetnoi metallurgicheskoi i atomnoi promyshlennosti [Use of Automated Systems for Environmental Monitoring in the Area Surrounding Ferrous, Nonferrous Metallurgical Enterprises and Nuclear Industry]. Globalnaya yadernaya bezopasnost [Global nuclear safety], 2015, №4(17), pp. 15-34. (in Russian)
[20] Elokhin Alexander P., Starodubtcev Iiya A. On the Ecological Situation at the Territories Adjacent to Chemical and Metallurgical Facilities. (Subtitle: Using Sensors and an Automated Control System to Monitor Environmental Conditions). Environmantal Quality Management. (USA) 2017, Issue 26, №2, pp. 23-43. (in English)
[21] Elokhin A.P. Avtomatizirovannye sistemy kontroiya radiatsionnoi obstanovki okruzhaiushchei sredy [Automated Systems for Monitoring the Radiation Environment]. M. Pub. NIyaU MIFI, 2012, 316 p. (in Russian)
[22] Elokhin A.P. Printsipy razmeshcheniya datchikov moshchnosti dozy vokrug AES [The Principles of Dose Rate Sensors Placement around Nuclear Power Plants]. Atomnaya energiya [Atomic Energy], 1994, Vol. 76, Issue 3, pp. 188-193. (in Russian)
[23] Elokhin A.P., Rau D.F. Sistema kontroiya radiatsionnoi obstanovki v zonakh razmeshcheniya obieektov atomnoi promyshlennosti. RF patent na izobretenie №2042157 20.08.96 biulleten №23 [The Monitoring System of the Radiation Situation in the Areas Where Nuclear Facilities are Located. RF patent for invention № 2042157 20.08.96 bul. №23]. pp. 230-231. (in Russian)
[24] Mashkovich V.P., Kudriavtseva A.V. Zashchita ot ioniziruiushchikh izluchenii [Protection against Ionizing Radiation]. Spravochnik [Reference Book]. M. Pub. Energoatomizdat, 1995, 496 p. (in Russian)
Meteorological Conditions of the Bushehr NPP area, Iran A.P. Elokhin1, E.A. Alalem2, A.I. Ksenofontov3
National Research Nuclear University «MEPhI», Kashirskoye shosse, 31, Moscow, Russia 115409 'ORCID: 0000-0002-7682-8504 WoS ResearcherlD: G-9573-2017 e-mail: elokhin@yandex.ru;
2 ORCID: 0000-0002-7207-5939 WoS ResearcherlD: G-9489-2017 e-mail: issaalem2@yahoo.com ;
3 ORCID: 0000-0002-6864-9805 WoS ResearcherID: H-1833-2017 e-mail: AIKsenofontov@mephi.ru
Abstract - This work considers the method of assessment of the required and sufficient number of posts of the automated radiation monitoring system (ARMS) in the sanitary protection zone of the Bushehr NPP second unit in Iran arranged around the NPP and justification of their layout. The method is based on the data of meteorological observations in the specified region that represent the results of measurement of wind speed and temperature at different heights at the meteorological tower and methods of gradient observations over these characteristics for each month during 2006-2010.
The characteristics obtained allow to calculate atmospheric stability as part of the known model of the ground layer and the meteorological parameters that determine it - air speed, temperature, turbulence diffusivity coefficient and turbulent fluctuation energy as functions of height by solving the closed equation system describing the condition of the ground layer.
Knowledge of atmosphere meteorological parameters allows to define a problem of assessing environmental nuclear pollution by solving the equation of turbulence diffusivity in the conditions of a hypothetical radiation accident at Bushehr NPP and determine the required and sufficient number of ARMS posts and their layout around the NPP that takes into account the restricted nature of the information as to the radionuclide composition of the radioactive impurity propagating in the atmosphere in case of the accident.
This work may be of interest to nuclear industry workers engaged in the operation of nuclear power plants, research officers of design organizations that design automated systems of ARMS type for enterprises of nuclear, metal processing and chemical industries, environmental engineers, etc.
Keywords: radiation accident, meteorological characteristics, ionization radiation, environmental nuclear pollution, ionizing-radiation detectors, stable and unstable atmosphere.
