Глава 3

Факторы, источники и методология оценки радиационного и химического рисков при авариях и катастрофах

3.1. Факторы риска аварий и катастроф на радиационно опасных объектах

Как отмечалось выше, в настоящее время общепризнанным является утверждение специалистов о том, что ядерная энергетика является одной из наиболее «чистых» отраслей производства. Вместе с тем не только в России, но и в мире проблема обеспечения радиационной безопасности является весь­ма актуальной, что обусловлено прежде всего весьма опасными последствия­ми радиационных аварий.

Обратимся к краткому анализу основных факторов, обусловливающих ра­диационную опасность радиационно опасных объектов.

Оценка радиационной опасности радиационно опасных объектов для их персонала и населения представляет собой сложную, трудоемкую и весьма многогранную задачу. Дело в том, что опасность любой технологии должна рассматриваться в совокупности с другими видами опасностей и в сравнении с ними. С технической точки зрения безопасность любого из радиационно опасных объектов является достижимой до любого заданного уровня. Основ­ным мерилом здесь являются экономические затраты. Значительно сложнее оценить влияние на безопасность человеческого фактора. Именно человече­ский фактор по официальной версии явился определяющим в причинах ката­строф на АЭС в Три-Майл-Айленде (США) и в Чернобыле (Украина) [22]. Возможных причин возникновения повышенной радиационной опасности радиационно опасных объектов может быть названо достаточно много. Они обычно связываются с нарушениями технологических режимов, невыполне­нием тех или иных нормативов и т.п.

Из числа радиационно опасных объектов наиболее серьезную потенциаль­ную радиационную опасность как для персонала, так и населения, как отмеча­лось в главе 1, представляют атомные электростанции. Несмотря на принятие самых жестких конструктивных и организационно-технических мер по обес­печению безопасности ядерных реакторов, независимо от их назначения и мощности, радиационный риск для персонала объектов с ядерными реакто­рами, населения и экосистем остается реальностью.

Основная потенциальная опасность ядерных реакторов, как отмечалось выше, связана с накоплением при их работе в больших количествах осколков деления урана в активной зоне. Например, радиоактивность суммы продуктов деления урана-235 в реакторе мощностью 1 ГВт (тепл.) в конце третьего года работы может составить 4,410⁹ Ки [37].

Осколки деления удерживаются внутри тепловыделяющих элементов (твэ-лов). Однако даже при незначительных дефектах оболочек твэлов продукты деления, в первую очередь газообразные и летучие изотопы криптона-85, ксе-нона-133 и йода-131, 132, проникают в теплоноситель или графитовую кладку реактора и далее в вентиляционные и канализационные системы. Регламен­том допускается эксплуатация ядерных реакторов АЭС типа ВВЭР при 1 %-й газовой негерметичности оболочек твэлов или при 0,1 % от числа твэлов с час­тичной негерметичностью, когда возможен прямой контакт сердечника твэла с теплоносителем. Для реакторов типа РБМК указанные нормы на порядок меньше.

При нормальной работе ядерного реактора, когда в активной зоне обеспе­чивается теплосъем, до 98 % осколков деления удерживается в твэлах. Осталь­ные 2 % осколков могут быть выброшены в окружающую среду, что при нали­чии тех или иных дефектов и неисправностей в системах, обеспечивающих ра­боту реактора, уже создает определенную радиационную опасность для персо­нала АЭС и населения.

При эксплуатации АЭС в нормальном режиме и при высокой герметично­сти первого контура реактора радиоактивные продукты локализуются в реак­торной установке и в системах спецгазоочистки и спецводоочистки. Однако даже при эксплуатации АЭС в безаварийном режиме всегда существуют не­плотности и дефекты в системе трубопроводов, в результате чего возникают протечки теплоносителя как во второй контур, так и во внешнюю среду.

При испарении теплоносителя в воздушную среду поступают газообразные и аэрозольные радиоактивные вещества. Загрязненный воздух из помещений через систему вентиляции выбрасывается в окружающую среду. Эти выбросы состоят главным образом из радиоактивных благородных газов (РБГ), а также содержат некоторое количество других продуктов деления. Концентрация этих радиоактивных продуктов при нормальном эксплуатационном режиме АЭС за пределами санитарно-защитной зоны обычно ниже глобального уров­ня. Годовая суммарная радиоактивность выбросов РБГ для АЭС с реакторами типа ВВЭР составляет 3-6 МКи/МВт год, а для АЭС с реакторами РБМК — 30—300 МКи/Вт год.

В аварийных ситуациях радиоактивное облако выброса содержит большое количество продуктов деления урана и представляет чрезвычайно высокую опасность.

Наихудшая из возможных аварий — это разрыв первого контура реактора с истечением значительной части или всего теплоносителя. В случае обезво­живания первого контура активная зона может перегреться и оплавиться под действием остаточного тепловыделения. При такой аварии теплоноситель, со­прикасаясь с перегретым контуром, переходит в парообразное состояние и вместе с газообразными продуктами деления ядерного топлива вызывает по­вышение давления в помещениях локализации. В результате происходит раз­рушение защитного барьера и выход радиоактивных продуктов в окружающую

среду.

Обеспечение безопасности объектов с ядерными энергетическими установ­ками строится исходя из того, что вероятность аварии на объектах атомной энергетики не может быть уменьшена до нуля. Поэтому предусматриваются меры, гарантирующие, что последствия любой радиационно опасной аварии будут ограниченными. С учетом мирового опыта эксплуатации АЭС и других объектов с ядерной технологией, свидетельствующего о том, что проблема их безопасности связана с маловероятными авариями по причине отказа техни­ческих систем, ошибок персонала и внешних воздействий, основное внима­ние при построении системы безопасности сосредоточивается на предупреж­дении возможных аварий и катастроф и проведении защитных мероприятий.

Типовым радиационно опасным объектом является АЭС. Поэтому в боль­шинстве случаев аварии на радиационно опасных объектах, сопровождающи­еся выбросами радиоактивных веществ и формированием радиационных по­лей, рассматриваются, как указывалось выше, применительно к АЭС.

Как уже отмечалось, к числу факторов и явлений, обусловливающих фор­мирование радиационной обстановки и вызывающих риск для персонала, на­селения и территорий при аварийных выбросах радиоактивных веществ в ат­мосферу, следует отнести:

• образование и распространение в пограничном слое атмосферы газо­аэрозольного радиоактивного облака;

• радиоактивное загрязнение территорий за счет выпадения из облака вы­броса радиоактивных продуктов;

• радиоактивное загрязнение открытых участков кожи и одежды людей;

• радиоактивное загрязнение открытых водоемов и источников водоснаб­жения;

• радиоактивное загрязнение пищевых продуктов;

• радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий, лесов и паст­бищ.

Каждый из перечисленных факторов радиационной обстановки характери­зуется, по крайней мере, одним или совокупностью нескольких измеряемых или вычисляемых параметров, с помощью которых можно оценить эквивален­тную дозу облучения, получаемую теми или иными категориями персонала АЭС и населения.

Радиоактивные вещества, попавшие в атмосферу, распространяются под воздействием турбулентной диффузии. По пути переноса радиоактивных ве­ществ в приземном слое атмосферы происходит внешнее облучение людей, попадающих в зону распространения радионуклидов, вследствие бета- и гам­ма-излучения из шлейфа, а также внутреннее облучение, если радиоактивное вещество попадает в организм ингаляционным путем и инкорпорируется в нем.

Радиоактивное загрязнение территории, открытых водоемов, источников водоснабжения, сельскохозяйственных угодий и людей происходит в резуль­тате выпадения радиоактивных осадков из шлейфа под действием силы тяже­сти, при соприкосновении шлейфа с поверхностью, при вымывании дождем. При этом возникают дополнительные пути переноса радионуклидов к челове­ку. Радиоактивные вещества, попадающие в водную среду при осаждении из облака выброса или при непосредственном сбросе, разносятся под влиянием течений и турбулентной диффузии. Они могут быть в ионной, молекулярной форме, в коллоидном состоянии и принимают участие в химических и физи­ко-химических процессах, происходящих в водной среде. В частности, радио­активные вещества могут адсорбироваться в донных отложениях. Как отмеча­лось выше, основным параметром, по которому оценивается в конечном счете радиационный ущерб, то есть степень снижения жизнедеятельности и здоро­вья людей, является эквивалентная эффективная доза облучения (индивидуа­льная, коллективная или ожидаемая коллективная). Этот параметр определя­ется через измеряемые или вычисляемые величины и в интегральной форме характеризует меру воздействия ионизирующих излучений на человека. Указанные измеряемые или вычисляемые величины (мощность дозы, концен­трация радиоактивных веществ и др.) по аналогии с термином «производ­ные уровни вмешательства для защиты населения», которые применяются МАГАТЭ [115, 118], могут быть названы производными параметрами радиа­ционной обстановки. В данном случае подчеркивается, что существует основ­ной параметр, которым является доза облучения.

При оперативном управлении радиационным риском на основе рассмот­ренных выше подходов и суждений расчетным путем определяются границы зон, внутри которых радиационный риск превышает определенные уровни, являющиеся критериями для принятия управленческих решений по мерам ра­диационной защиты, обеспечивающим снижение риска.

Стратегия и организация проведения предусмотренных мер радиационной защиты должны быть такими, чтобы новый уровень риска был приемлемым с учетом всех факторов, принимаемых во внимание при расчетах риска, в том числе затрат на выполнение защитных мероприятий.

К числу зон повышенного радиационного риска, для которых проводятся рассматриваемые обоснования и расчеты, исходя из рекомендаций МАГАТЭ по мерам защиты, относят:

• зоны риска, в которых для снижения уровня риска необходимо укрытие населения в зданиях и защитных сооружениях;

• зоны риска, где снижение уровня риска может быть достигнуто введени­ем населению стабильного йода;

• зоны риска, из которых следует переселить население в зоны приемле­мого риска;

• зоны риска, где снижение уровня риска может быть достигнуто проведе­нием дезактивации.

Однако при таком довольно большом числе зон графо-аналитический ме­тод оценки радиационной обстановки связан с определенными трудностями.

Было бы удобней пользоваться некоторыми обобщенными понятиями о зонах повышенного риска. Основываясь на установленных в нашей стране нормати­вах и критериях для принятия управленческих решений и взглядах на плани­рование мероприятий по защите населения в случае аварии на атомной элект­ростанции, представляется целесообразным ввести в рассмотрение следую­щие зоны повышенного радиационного риска.

Первая зона повышенного радиационного риска (зона риска проведения эк­стренных мер радиационной защиты) населения — территория, в пределах ко­торой доза облучения всего тела человека за время формирования радиоактив­ного следа или доза внутреннего облучения отдельных органов может превы­сить верхний дозовый предел, установленный для эвакуации.

Вторая зона повышенного радиационного риска (зона риска проведения пре­дупредительных мер радиационной защиты) населения — территория, в пре­делах которой доза облучения всего тела человека за время формирования ра­диоактивного следа или доза внутреннего облучения отдельных органов может превысить верхний дозовый предел, установленный для укрытия населения и проведения йодной профилактики.

Третья зона повышенного радиационного риска (зона риска введения огра­ничительных мер радиационной защиты) населения — территория, на кото­рой доза облучения всего тела человека или отдельных органов за 1 год может превысить нижний предел для потребления пищевых продуктов.

Размеры и положение границ описанных зон повышенного радиационного риска зависят от многих факторов стохастической природы. Поэтому они мо­гут быть определены вероятностными методами.

Граница зоны в этом случае будет интерпретироваться как геометрическое место точек, где с определенной вероятностью, например, равной 0,9, будет превышаться соответствующий дозовый предел, а уровень риска проведения экстренных, предупредительных или ограничительных мер, в зависимости от характера зоны риска, составит величину, равную этой вероятности.

Как правило, границы зон повышенного риска для каждого радиационно опасного объекта должны определяться заранее, в расчете на возможную об­щую радиационную аварию или же с учетом всех возможных аварий, при ко­торых происходит распространение радиоактивных продуктов за пределы са-нитарно-защитной зоны.

В число зон повышенного радиационного риска могут быть включены и другие зоны. В частности, зоны, в пределах которых возможны те или иные радиационные поражения людей, в том числе смертельные. Введение в рас­смотрение такого рода зон может оказаться полезным при решении задач, свя­занных с оценкой санитарных потерь персонала аварийного объекта и населе­ния, и планировании мер по оказанию медицинской помощи пострадавшим при радиационной аварии.

Для определения границ зон риска радиационных потерь персонала радиа-ционно опасных объектов и населения необходимо проведение соответствую­щих расчетов с учетом характера радиационных поражений, а также их воз­можных ближайших и отдаленных последствий, возникающих при тех или иных дозовых нагрузках. Методика этих расчетов составляет отдельную зада­чу, не рассматриваемую в данной работе.

Основным параметром, по которому оцениваются радиационная антропо­генная нагрузка и влияние радиационных факторов на здоровье и жизнедеяте­льность людей, является, как отмечалось выше, индивидуальная или коллек­тивная (для тех или иных групп населения) эквивалентная доза облучения. Этот параметр в интегральной форме характеризует меру воздействия радио­активных излучений любых видов на человека, то есть падающую на него ант­ропогенную нагрузку по радиационным факторам.

Радиационная нагрузка на человека и другие популяции экосистем в случае выброса радиоактивных веществ в атмосферу складывается из:

• доз внешнего гамма-облучения в облаке радиоактивных веществ;

• доз внешнего бета-облучения в облаке радиоактивных веществ;

• доз внутреннего бета-гамма-облучения за счет вдыхания воздуха, загряз­ненного радиоактивными веществами;

• доз внешнего бета-гамма-облучения от загрязненных радиоактивными веществами участков открытой кожи и одежды;

• доз внешнего бета-гамма-облучения от загрязненных радиоактивными веществами поверхностей земли, зданий, сооружений и т.п.;

• доз внутреннего бета-гамма-облучения за счет употребления загрязнен­ных радиоактивными веществами воды и продуктов питания.

Как указывалось выше, в процессе развития аварии, связанной с выбросом радиоактивных веществ в атмосферу, обычно различают четыре временные фазы: начальную, раннюю, промежуточную и позднюю (восстановительную).

На каждой из этих фаз при проведении расчетов антропогенных нагрузок имеются свои особенности, которые находят отражение в применяемых соот­ношениях, связывающих дозовые величины с уровнями полей и концентра­ций. Так, например, при оценке нагрузок на ранней фазе аварии используется такое понятие, как временной интеграл концентрации радионуклида в возду­хе. Под ним понимается интеграл от функции, выражающей закономерности изменения концентрации радиоактивных веществ в рассматриваемой точке за тот или иной временной интервал (период облучения). Эта величина является мерой потенциально важных источников облучения от проходящего облака, а именно бета- и гамма-излучения, внутреннего облучения от вдыхания радио­активных веществ и бета-облучения кожи веществом, осевшим на кожу и

одежду.

Каждый из перечисленных путей облучения, кроме дозы от гамма-излуче­ния из облака, может быть связан достаточно простой зависимостью с проин­тегрированной по времени концентрацией радионуклида в воздухе.

Мощность же дозы гамма-излучения из облака, кроме временного интегра­ла концентрации, зависит от формы и высоты облака, интенсивности выброса радиоактивного вещества и других факторов.

Приведем расчетные соотношения для определения дозы облучения (D), полученные на основе анализа материалов МАГАТЭ.

Для ранней фазы аварии:

а) внешнее бета-облучение от облака выброса:

D = к, (3.1)

где: Ik — интеграл концентрации радионуклида в воздухе, Бк-с-м^-3;

Pp — мощность дозы для кожи в расчете на единицу концентрации нук­лида в воздухе, Зв-с^-1/(Бк-м^-3) (выбирается из таблицы);

к — коэффициент экранирования, учитывающий эффективно защи­щенную часть кожи.

б) внутреннее бета-гамма-облучение от облака выброса:

D = 1_кВВпн, (3.2)

где: В — интенсивность дыхания (м³/с);

Dink — ожидаемая эквивалентная доза на единицу поступления радионук­лида в организм при вдыхании, Зв/Бк (выбирается из таблицы).

в) внешнее бета-облучение от радионуклидов, осевших на кожу или

одежду:

D = hD_skV_skk, (3.3)

где: D_sk — интегральная доза для кожи в расчете на единицу загрязнения на коже или одежде, Зв/(Бк-м^-2) (выбирается из таблицы); V_sk — доля (коэффициент) радионуклидов, осаждающихся на кожу; к — коэффициент экранирования.

г) внешнее гамма-облучение от загрязненной земной поверхности:

T

D = Sk \P_y {t)dt, (3.4)

о

где: S — степень радиоактивного загрязнения подстилающей поверх-

ности, Бк-м^-2;

T

|P_y (t)dt — временной интеграл от мощности эквивалентной дозы облу- о чения для всего тела в расчете на единицу степени загрязнен-

ности при допущении о постоянном пребывании на откры- том воздухе (выбирается из таблицы); Т — время облучения.

Или:

D = P_y ~^—к, (3.5)

где: p — мощность дозы внешнего гамма-облучения над землей; X — константа радиоактивного распада радионуклида.

д) внутреннее бета-гамма-облучение за счет вдыхания поднявшейся радио- активной пыли:

T

D = SBD_inh Jk(t)e^-XRtdt, (3.6)

0

где: k(t) — коэффициент, показывающий долю радиоактивных продуктов, осевших на землю, которая вновь попадает в воздух и загрязняет его;

X r — константа радиоактивного распада радионуклида.

Для промежуточной фазы аварии:

а) внешнее гамма-облучение:

1год

D = Sk JP (t)dt, (3.7)

0

где: Pf — мощность эквивалентной дозы для всего организма в расчете на единицу степени загрязнения поверхности земли (выбирается из таблицы).

Или:

D = P_y0k, (3.8)

где: 0 — интегральная мощность эквивалентной дозы на единицу мощности дозы в нулевой момент времени.

1 год J Py (t)dt

В свою очередь 0= ^ — (выбирается из таблицы).

б) внутреннее бета-гамма-облучение за счет вдыхания поднявшейся радио­активной пыли:

1год

D = SBDinh Jk(t)e~^XRtdt. (3.9)

0

При радиоактивном облучении за счет употребления загрязненных пищевых продуктов:

а) радиоактивные вещества равномерно распределены в пищевом продукте:

D = CQ_TDinhG_g, (3.10)

где: С — концентрация радиоактивных веществ в пищевом продукте, Бк-кг^-1;

Q_T — годовое поступление в организм пищевого продукта, кг/год; D_inh — ожидаемая эффективная эквивалентная доза на единицу перо-

рального поступления радионуклида, Зв-Бк^-1 (выбирается из

таблиц);

Gg — отношение интеграла концентрации радионуклида по временно­му интервалу в один год к концентрации в заданный момент вре­мени (Бк-год-кг^-1/Бк-кг^-1).

б) радиоактивным веществом загрязнено пастбище:

D = S Q_rDinhGg, (3.11)

где: G_g — интеграл концентрации радионуклида в пищевом продукте по ин­тервалу 1 год на единицу начальной концентрации этого радио­нуклида на пастбище; S' — уровень загрязнения пастбища.

в) внутреннее бета-гамма-облучение за счет употребления питьевой воды:

D = CQ_TDinh i^-^. (3.12)

При экологическом нормировании радиационного воздействия использу­ются понятия о дозовых пределах. Значения этих пределов для человека обо­сновываются на основе медико-биологических исследований. При этом учи­тываются не только соматические эффекты воздействия радиоактивных излу­чений на человеческий организм, но и отдаленные наследственные.

К сожалению, экологическое нормирование по радиационным факторам не получило пока должного развития для других популяций и абиотической составляющей экосистем.

Следует отметить, что обоснование допустимого антропогенного радиаци­онного воздействия ведется дифференцированно для различных категорий людей, в зависимости от степени их участия в производственной деятельно­сти, связанной с использованием ядерных и радиоактивных материалов. При этом считается, что некоторая часть населения, участвующая в указанной дея­тельности, может подвергаться повышенному облучению без риска воздейст­вия этого облучения на наследственность популяции в целом.

Одной из важных особенностей радиационной опасности в широком смыс­ле, и в частности, возникающей при техногенных авариях и катастрофах на радиационно опасных объектах, является ее долгосрочный характер. Это обусловлено тем, что радиоактивные вещества, загрязняющие окружающую среду, сохраняют свои свойства, независимо от того, какую химическую фор­му и агрегатное состояние они приобретают в процессе распространения и ас­симиляции в среде. Единственным мерилом длительности их существования является период радиоактивного полураспада.

В качестве примера можно привести долгосрочный характер радиационных последствий после Чернобыльской катастрофы. Коллективная доза облучения населения радиоактивными веществами, находящимися во внешней среде, постоянно увеличивается. Это подтверждается данными, приведенными в табл. 3.1.

Вторая особенность, связанная с первой, состоит в том, что поражающие факторы радиационной природы могут рассматриваться одновременно как факторы техногенного риска и экологического или, как его еще называют, ра­диоэкологического риска. Например, радиоактивные излучения из газоаэро­зольного радиоактивного облака, формирующегося во многих случаях при авариях на ядерных реакторах АЭС и других объектах, вызывают поражение человека, фауны и флоры, которое при определенных дозах может начать про­являться через сравнительно короткий промежуток времени. В этом случае принято говорить о радиационных последствиях непосредственного воз­действия соответствующего поражающего фактора, сформировавшегося при аварии.

Радиационные последствия как при больших, так и малых дозах облучения имеют и долгосрочный характер. Диапазон признаков проявления этих по­следствий довольно широкий.

Важно заметить, что значительная часть долгосрочных последствий воздей­ствия на объекты биосферы как излучений из радиоактивных облаков, так и распространяющихся при авариях радиоактивных веществ связана с эколо­гическими изменениями, происходящими в природных и природно-антропо-генных образованиях, биоценозах и экосистемах.