CC BY
51
УДК 502.58:574
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ЭКСПЕРТНО-МОДЕЛИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА «АРИА» ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЫБРОСОВ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ
Н.Ю. Истомина, М.Д. Носков, А.Д. Истомин, А.Н. Жиганов
Северский государственный технологический институт E-mail: [email protected]
Приведено краткое описание концепции, структуры и функций геоинформационного экспертно-моделирующего комплекса «АРИА». Комплекс предназначен для оценки последствий и аварийного планирования в случае выброса радиоактивных веществ в атмосферу. Описано применение комплекса для проведения оценки последствий аварийного выброса радиоактивных веществ в приземный слой атмосферы.
Функционирование предприятий ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) сопряжено с риском выброса радиоактивных веществ в приземный слой атмосферы. Опасность для жизнедеятельности человека и окружающей природной среды возникает в случае, если имеет место превышение приемлемых уровней радиационного воздействия [1]. Степень опасности радиационной обстановки возможно оценить с помощью сбора и комплексного анализа пространственно-распределенных данных (характеристик местности, информации об источниках выбросов, параметров состояния окружающей среды и т.д.), прогнозирования последствий распространения радиоактивных веществ с помощью соответствующих моделей, сопоставления полученных результатов с критериями принятия решений, предусмотренными нормативными документами. В связи с необходимостью обработки и анализа значительных объемов разнородных данных при подготовке решений о проведении мероприятий по ликвидации последствий выбросов целесообразно использовать специализированные программно-технические средства поддержки принятия решений.
В статье представлен геоинформационный экс-пертно-моделирующий комплекс (ГИЭМК) «АРИА», представляющий собой многопоточное проблемно-ориентированное программное обеспечение, предназначенное для работы на персональном компьютере под управлением операционной системы Windows 98-ХР Сочетание в ГИЭМК «АРИА» геоинформационной, моделирующей и экспертно-аналитической систем позволяет:
- визуально представлять расположение населенных пунктов, источников загрязнения, размеров и уровней загрязнения участков местности, а также распространения радиоактивных веществ;
- моделировать физико-химические процессы распространения радиоактивных веществ и рассчитывать дозы, формируемые внешним и внутренним путями воздействия на человека;
- получать оперативные прогнозы с привязкой к карте местности, вырабатывать решения по снижению воздействия ионизирующего излучения на человека, формировать базы данных сценариев формирования радиационной обстановки;
- обучать специалистов, ответственных за принятие решений, формировать практические навыки использования полученных знаний.
Геоинформационная система (ГИС) предназначена для хранения и отображения пространственно-временных и тематических данных [2], характеризующих рассматриваемую территорию и радиационную обстановку, сложившуюся в результате выбросов радиоактивных веществ в атмосферу. ГИС состоит из цифровых моделей (ЦМ) местности, радиационной обстановки, потенциальноопасных объектов и реципиентов радиационного риска, а также модуля общения [3, 4]. К потенциально-опасным относятся объекты, функционирование которых сопряжено с риском выброса радиоактивных веществ в атмосферу. Реципиентами радиационного риска являются объекты подверженные воздействию ионизирующего излучения.
ЦМ потенциально-опасного объекта содержит пространственные и атрибутивные данные. Пространственные данные определяют геометрию и положение объекта. Атрибутивные данные потенциально-опасного объекта - это параметры возможных аварийных ситуаций, включающие сведения о виде аварии (разрушение реактора, разгерметизация емкости и т.п.), характеристиках источника, активности и радионуклидном составе выброса.
ЦМ реципиента радиационного риска состоит из пространственных, статических (не изменяющихся в процессе работы моделирующей и экспертно-аналитической систем) и динамических данных. Набор пространственных данных ЦМ объекта реципиента аналогичен пространственным данным ЦМ потенциально-опасного объекта. Набор статических атрибутов определяется типом объекта (например, для населенного пункта - численность населения, возрастной состав, характер застройки, средства эвакуации и т.п.). Динамические данные представляют собой характеристики радиационного воздействия на объект, а также рекомендации, полученные в результате работы экспертно-аналитической системы.
ЦМ местности представляет собой множество слоев (карт подложек), характеризующих рассматриваемую местность. Базовым слоем ЦМ местности
является растровая карта рассматриваемой территории. В ЦМ местности также содержатся слои, характеризующие свойства поверхности (шероховатость, коэффициент поглощения примеси поверхностью и др.). ЦМ радиационной обстановки содержит текущие результаты расчетов и анализа радиационной обстановки, привязанные к карте местности.
Модуль общения предназначен для визуализации и редактирования данных ЦМ пользователем. Данные ЦМ визуализируются в виде карт, графиков и таблиц. Редактирование данных ГИС, кроме результатов работы моделирующей и экспертно-аналитической систем, происходит с помощью системы диалогов.
Моделирующая система (МС) состоит из модулей управления, расчетов распространения примеси и дозовых нагрузок. Модуль управления позволяет пользователю активизировать, приостанавливать и прекращать процесс моделирования. Модуль расчета распространения радиоактивных веществ предназначен для определения удельных активностей в воздухе и на подстилающей поверхности с учетом параметров выброса, метеоусловий, свойств подстилающей поверхности. В модуле расчета дозо-вых нагрузок определяются эквивалентные дозы, обусловленные излучением облака радиоактивных веществ и загрязненной поверхности, ингаляцией радионуклидов. Работа каждого из расчетных модулей базируется на соответствующей математической модели. Для описания распространения радиоактивных веществ в приземном слое атмосферы используется метод случайно-блуждающих точек [5]. Математическая модель оценки воздействия радиоактивных веществ базируется на методике расчета эквивалентных доз, обусловленных облаком радиоактивных веществ, загрязненной поверхностью, ингаляцией радионуклидов. Расчеты доз осуществляются на основе данных моделирования распространения радиоактивных примесей с учетом соответствующих характеристик излучения отдельных радионуклидов [6]. Результаты расчетов отображаются на карте местности в виде изолиний поверхностных концентраций, временных графиков и изолиний мощностей эквивалентных доз.
Экспертно-аналитическая система содержит модули идентификации параметров моделирования, анализа радиационной обстановки и общения, а также базы данных параметров моделирования распространения примесей, параметров расчета дозовых нагрузок, нормативных документов и аварийных планов.
Модуль идентификации параметров моделирования предназначен для определения значений параметров, необходимых для расчетов распространения облака радиоактивных веществ и дозовых нагрузок. Идентификация параметров проводится согласно логическим правилам, на основе введенных метеоданных, ЦМ потенциально-опасных объектов и соответствующих баз данных.
Модуль анализа радиационной обстановки предназначен для анализа сложившейся ситуации и выработки рекомендаций действий по снижению
негативного воздействия радиоактивных веществ на население. Анализ сложившейся радиационной обстановки проводится с помощью сопоставления результатов расчетов с критериями безопасности, введенными пользователем и/или содержащимися в базе данных нормативных документов. На основе результатов анализа радиационной обстановки и базы данных аварийных планов вырабатываются рекомендации по проведению мероприятий, направленных на минимизацию последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу.
Модуль общения предназначен для ввода и вывода данных. Пользователем вводятся метеоданные и значения критериев, по которым осуществляется анализ радиационной обстановки. С помощью модуля общения пользователю предоставляются выработанные модулем анализа радиационной обстановки рекомендации. Кроме этого, пользователь имеет возможность формирования и печати отчета о работе ГИЭМК.
Применение комплекса «АРИА» для разработки решений о проведении мероприятий по ликвидации последствий выбросов в атмосферу включает в себя несколько этапов. На первом этапе пользователь вводит текущие метеоданные и производит выбор источника выброса и его параметров из базы данных потенциально-опасных объектов. Ввод данных осуществляется посредством разработанного пользовательского интерфейса. Пример задания атрибутов объектов ГИС, метеоусловий, и параметров выброса, необходимых для проведения прогнозных расчетов и анализа радиационной обстановки на местности, показан на рис. 1. Введенные данные передаются в модуль идентификации параметров моделирования экспертно-аналитической системы. После этого значения параметров, необходимых для проведения моделирования рассеяния радиоактивных веществ в атмосфере и расчета доз, передаются в расчетные модули МС. На втором этапе работы МС выполняются расчеты распространения примесей и дозовых нагрузок. Результаты моделирования через определенные интервалы времени передаются в ГИС для хранения и визуализации. На рис. 2 представлен пример рабочего окна приложения, содержащий результаты прогнозных расчетов.
В ходе третьего заключительного этапа происходит анализ данных о радиационной обстановке, содержащихся в ГИС. Анализ заключается в сопоставлении результатов расчетов с критериями безопасности населения, веденными пользователем или содержащимися в базе нормативных документов. С целью анализа радиационной обстановки на ранней стадии аварии или отслеживания приемлемых уровней радиационного загрязнения местности и воздействия ионизирующего излучения на население при штатных режимах работы предприятий ЯТЦ в экспертно-аналитической системе предусмотрена возможность формирования пользователем запросов на поиск ареалов местности с заданными характеристиками (например, уровень активности, доза и мощность дозы на поверхно-
Рис. 1. Пример задания метеоусловий, параметров выброса и атрибутов объектов ГИС с помощью ГИЭМК «АРИА»
Рис. 2. Пример рабочего окна с результатами прогнозных расчетов
сти). Пользователю также предоставляется возможность введения контрольных точек, сечений, участков поверхности для получения значений интегральных параметров этих объектов (например, динамика изменения мощности дозы в точке, ра-
спределение активности радионуклидов вдоль сечений, суммарная активность на участке поверхности и др.). Проведение радиационного анализа также возможно для выбранных объектов-реципиентов. В этом случае предоставляется общая инфор-
Рис. 3. Визуализация результатов работы экспертно-аналитической системы
мация по области моделирования (например, все население, суммарная площадь поверхности выбранных объектов и т.д.), а также сведения по каждому из объектов, включающие в себя: площадь загрязненной поверхности (в процентах от площади объекта), средние по площади, максимальные и минимальные значения величин, характеризующих радиационную обстановку (активность, мощности доз и дозы).
Согласно рекомендациям по ограничению облучения населения [1] анализ радиационной обстановки на загрязненной территории необходимо проводить через определенные временные сроки. С этой целью экспертно-аналитической системой предоставляются долгосрочные прогнозные данные о радиационной обстановке на территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению. В соответствии с прогнозами пользователю предоставляются рекомендации мер по защите населения и зонированию территории. Информация о радиационной обстановке предоставляется пользователю в виде таблиц и карт зонирования местности (рис. 3). По окончанию работы ГИЭМК формируется отчет, содержащий параметры аварийной ситуации, метеоданные, результаты моделирования и анализа радиационной обстановки. Пользователь в ходе ана-
лиза радиационной обстановки имеет возможность добавления в отчет карт, графиков и таблиц.
Верификация работы комплекса «АРИА» проводилась путем сопоставления результатов моделирования с данными, полученными с помощью аналитических и численных расчетов на основе сертифицированных моделей, а также с результатами измерений радиационной обстановки на следе аварийного выброса Сибирского химического комбината 6 апреля 1993 г., опубликованных в работах [7-9].
Геоинформационный экспертно-аналитический комплекс «АРИА» может использоваться специалистами аварийно-технических центров, подразделениями охраны окружающей среды и гражданской обороны для прогнозирования распространения радиоактивных примесей в атмосфере вследствие аварийных ситуаций или штатной работы предприятия; определения удельных активностей на поверхности и в атмосфере; проведения расчетов коллективных и индивидуальных эквивалентных доз, обусловленных загрязненной поверхностью, облаком радиоактивных примесей, ингаляцией радионуклидов; разработки рекомендаций по ликвидации последствий выбросов радиоактивных веществ в приземный слой атмосферы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы. - М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. - 116 с.
2. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. -М.: Финансы и статистика, 1998. - 288 с.
3. Истомина Н.Ю., Истомин А.Д., Носков М.Д. Применение ГИС для прогнозирования распространения загрязняющих веществ и оценки их воздействия на человека // В сб. научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000. - Т 1. - № 9. - С. 164-168.
4. Истомина Н.Ю., Носков М.Д., Истомин А.Д. Информационное обеспечение поддержки принятия решений по минимизации последствий аварийного выброса радиоактивных веществ в атмосферу // Экологические системы и приборы. - 2004.- № 6. - С. 5-8.
5. Жиганов А.Н., Истомина Н.Ю., Носков М.Д. Моделирование последствий выброса радиоактивных веществ в атмосферу // Известия вузов. Сер. Физика. - 2000. - Т. 43. - № 4 (приложение). - С. 100-104.
6. Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 224 с.
7. Савкин М.Н., Титов А.В. Анализ радиационной обстановки на следе аварийного выброса Сибирского химического комбината - В кн.: Медицина катастроф. - М.: ГНЦ «Институт биофизики», 1995.- С. 76-84.
8. Рихванов Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. - Томск: ТПУ, 1997. - 384 с.
9. Лысцов В.Н., Иванов А.Б., Колышкин А.Е. Радиоэкологические аспекты аварии в Томске // Атомная энергия. - 1993. -Т. 74. - № 4. - С. 364-367.
УДК 547.241
ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
В.И. Карпенко, М.В. Шушакова, О.А. Ожерельев
Северский государственный технологический институт E-mail: ооа@ssti.ru
Рассмотрена проблема переработки жидких органических отходов, в том числе отработанных экстракционных смесей, содержащих радиоактивные нуклиды. На основании экспериментальных данных предлагается аппаратурно-технологическая схема процесса окисления жидких радиоактивных органических отходов, содержащих фосфорорганические соединения.
В последнее время все большее внимание уделяется проблеме безопасного захоронения радиоактивных отходов, т.е. надежной и долговременной изоляции радиоактивных элементов от среды обитания человека [1]. Наибольшую опасность из существующих радиоактивных отходов несут жидкие радиоактивные отходы. Это связано с их потенциальной опасностью при длительном хранении (протечки баков хранения, накопления газообразных продуктов и т.д.). Вследствие этого их необходимо переработать - перевести в твердое состояние с надежной фиксацией радиоактивных элементов. В настоящее время в промышленности существуют методы переработки практически всех видов данных отходов: битумирование, цементирование, остекловывание и т.п.
Но некоторые проблемы переработки до сих пор не решены. Одна из таких проблем заключается в переработке жидких органических отходов, отработанных экстракционных смесей, содержащих радиоактивные нуклиды. Данный тип отходов в настоящее время хранится в емкостях и продолжает нести потенциальную угрозу окружающей среде.
Переработка (отверждение) отработанных экстрагентов заключается в их полной деструкции до газообразных и твердых соединений: СО2, Н2О, Р2О5, оксидов радиоактивных металлов и т.п. [2].
Газообразные продукты деструкции не содержат радиоактивных элементов и выбрасываются в атмосферу. Механическая составляющая продуктов деструкции - это, в основном, оксиды и фосфаты радиоактивных металлов. Они захораниваются в хранилищах твердых радиоактивных отходов.
Существуют различные методы разложения данных органических соединений: плазменное разложение, пламенный метод переработки [3], глубокое каталитическое окисление [4] и т.п.
Трудность в их переработке представляет фосфор. При деструкции органических соединений входящий в их состав фосфор будет образовывать оксиды фосфора, которые являются активными коррозионными агентами. При температурах более 300 °С в присутствии Р2О5 все виды сталей корродируют с высокими скоростями коррозии (более 100 мм/год) [5].
Выше перечисленное делает экономически нецелесообразными методы плазменного и пламенного окисления данного типа отходов.
Целью данной работы является разработка технологии переработки жидких радиоактивных органических отходов, содержащих фосфорорганиче-ские соединения.
Одним из перспективных способов обезвреживания жидких радиоактивных органических смесей
