Методическое пособие 757

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российская академия наук

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

КОМПЛЕКСНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

ТЕХНОСФЕРНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

Материалы Международной научно-практической конференции

(г. Воронеж, 26-28 октября 2017 г.)

Часть IV

Воронеж 2017

УДК 620.9 (06)

ББК 31.00 я4

К 637

Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. Ч. IV. 254 с.

ISBN 978-5-7731-0562-6

ISBN 978-5-7731-0587-9 (Ч. IV)

В сборник включены материалы Международной научно-практической конференции, в которой нашли отражение вопросы по научно-техническим проблемам техносферной безопасности. Материалы сборника соответствуют научным направлениям вуза и перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Президентом Российской Федерации.

2

ВВЕДЕНИЕ

Активная преобразовательская деятельность человека породила все возрастающую проблему трансформации среды обитания, как самого человека, так и всего живого на Земле, создавая тем самым новую искусственную среду обитания – техносферу Земли или природ- но-техническую геосистему, называемую также экологоэкономической или социальноэкономической системой.

Техносфера, созданная человеком, представляет собой территории, занятые городами, поселками, сельскими населенными пунктами, промышленными зонами и предприятиями. Она призвана обеспечить человека комфортными условиями проживания и защитить от опасностей естественных процессов и явлений природы. К техносферным относятся условия пребывания людей на объектах экономики, на транспорте, в быту, на территориях городов и поселков.

В процессе жизнедеятельности человек взаимодействует не только с естественной средой, но и с людьми, образующими, так называемую социальную среду. Она формируется и используется человеком для обмена опытом и знаниями, для удовлетворения своих духовных потребностей и накопления интеллектуальных ценностей. Деятельность человека, развиваясь в пределах физических химических, биологических и других состояниях биосферы, в то же время оказывает влияние на природные процессы, происходящие в ней. Природные процессы все теснее переплетаются с антропогенными процессами, между ними усиливаются обмен веществом и энергией, возрастает обмен информацией.

Антропогенные изменения окружающей среды приобрели такие размеры, что человек прямо или косвенно сам стал их жертвой. Антропогенная деятельность, не сумевшая создать техносферу необходимого качества как по отношению к человеку, так и по отношению к природе, явилась первопричиной многих негативных процессов в природе и обществе.

Современному человеку приходится решать проблемы, связанные не только с обеспечением комфортной жизни, принимая меры защиты от естественных негативных воздействий, но и с возникающими проблемами техносферной безопасности.

Следует отметить, что именно поэтому в последнее десятилетие стало, активно развиваться учение о безопасности жизнедеятельности в техносфере, основной целью которой является защита человека в техносфере от негативных воздействий антропогенного и естественного происхождения, достижение комфортных условий жизнедеятельности. Средством достижения этой цели является реализация обществом знаний и умений, направленных на уменьшение негативных воздействий до допустимых значений.

Материалы конференции ставят своей целью продемонстрировать возможность безопасного взаимодействия человека с техносферой и природой; исследовать негативные воздействия техносферы на человека и окружающую среду, а также зоны воздействия опасностей техносферы и отдельных ее элементов (предприятия, машины, приборы). Кроме этого необходимо отразить современные проблемы техносферной безопасности и показать, как человечество преодолевает вызовы различного уровня, возникающие в техносфере, используя базовые, специальные и информационные технологии.

3

СЕКЦИЯ 1. БАЗОВЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ. АНАЛИЗ, ОЦЕНКА И ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО И ПОЖАРНОГО РИСКА

УДК 551.58

П.А. Пономаренко, М.А. Фролова

МОДЕЛИ ГЕНЕРАЦИИ РАДИОУГЛЕРОДА В СТРАТОСФЕРЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОСМИЧЕСКИХ НЕЙТРОНОВ

Из всех природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль — он составляет структурную основу органических соединений, в том числе входящих в состав живых организмов. Скорость образования радиоуглерода зависит от плотности потока нейтронов, энергии нейтронов и времени облучения. Линейная зависимость числа ядер 14С, образованного из 14N, подтверждается уравнением баланса

Ключевые слова: нуклид, радионуклид, радиоизотоп, радиоуглерод, плотность потока, энергия нейтрона, излуче-

ние

Радиоактивный нуклид углерода образуется, главным образом, при взаимодействии

вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции 14N (n, р) 14С. Роль других реакций, таких как 15N (n, α) 14С, 16О (р, 3р) 14С,

17О (n, α) 14С, 13C (n, γ) 14С, в образовании углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов [1, 2]. Радиоуглерод, окисленный в стратосфере до 14СО2, проникает в тропосферу, и в результате перемешивания воздушных масс беспрепятственно распространяется по всему земному шару, включаясь в природный круговорот углерода. На земле 14С накапливается в растениях за счет фотосинтеза, а затем по пищевым цепочкам поступает в организмы животных и, в составе продуктов питания, — в организмы людей. Участвуя в обменных процессах вместе со стабильным углеродом, 14С проникает во все органы, ткани и молекулярные структуры живых организмов. В отдельных случаях радиоактивный углерод может быть в 10— 20 раз более опасным в генетических поражениях, чем эквивалентное энергетическое внешнее облучение. Обусловлено это тем, что, кроме чисто радиационного воздействия β-частиц 14С на биологические системы, не отличающегося по своему принципу от действия внешних источников рентгеновского и высокоэнергетического β-излучений, имеют место трансмутационные повреждения, приводящие к изменению химического строения молекулы ДНК [3, 4]. Вот почему так важно знать скорость образования углерода-14. Для протекания указанных реакций образования углерода-14 необходимо наличие тепловых нейтронов космического происхождения. Эти нейтроны порождаются благодаря космическим лучам, проходящим через атмосферу Земли. Плотность потока нейтронов изменяется с высотой в атмосфере. Результаты измерения плотности этого потока с помощью шаров-зондов изображены на рисунке.

Зависимость плотности потока тепловых нейтронов от высоты над уровнем моря – а и геомагнитной широты - б

4

Максимальное количество нейтронов находится на высоте примерно 12 км. Вблизи же поверхности Земли плотность потока нейтронов уменьшается до нуля. Таким образом, можно сказать, что:

1.Нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы, представляют собой вторичные частицы космического излучения, возникающие при прохождении первичных космических лучей через атмосферу;

2.Все нейтроны быстро вступают в ядерные реакции, так что до поверхности Земли доходит лишь ничтожное их количество.

Целью настоящей статьи является определение образования радиоуглерода в стратосфере под действием космических нейтронов тепловых энергий путем взаимодействия их с ядрами азота. При этом ставятся следующие задачи:

1.Рассмотреть реакции образования 14С под действием тепловых нейтронов космического происхождения.

2.Составить физические и математические модели реакций.

3.Определить параметры моделей.

4.С помощью математических моделей определить колличественно образование 14С в стратосфере.

5.По уравнению баланса определить стационарную концентрацию 14С на географической широте г. Севастополя.

Изучение нейтронов в атмосфере началось вскоре после их открытия Чедвиком в

1932 г. В многочисленных экспериментах, проводившихся различными исследователями (С. Монтгомери и Д. Монтгомери, Н.М. Лятковская и Г.В.Горшков, Юан и Ладенбург, Хеймс и Корфф), измерялась плотность потока тепловых нейтронов на уровне моря. Данные слишком разнились, так как эксперименты проводились в разное время суток и в разные сезоны года. Но при этом в источниках не указывается энергия нейтронов [1, 5, 6].

н

Примем за достоверное значение плотность потока нейтронов 2 см 2 с исходя из по-

следних опубликованных данных [1], которые подтверждены и профессором Филипповым Е.М. [7]. Он в своем авторском оттиске представил распределение плотности потока тепловых нейтронов вблизи водной поверхности и в воде различной солености для геомагнитной северной широты 44˚ (г. Севастополь). Исходя из этого плотность потока нейтронов над

н

уровнем моря, равна 2 см2 с . Это значение и будем использовать при расчетах. Для реше-

ния поставленной задачи необходимо обозначить место образования космических нейтронов. Известно, что нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы при прохождении первичных космических лучей через атмосферу [1]. Суммарная масса воздуха, атмосферы, составляет 5,15*1015 тонн, на долю стратосферы приходится около 20 % массы атмосферы, 1,03*1015 тонн [3-6]. Определив начальное число ядер азота-14 в стратосфере, можно вычислить скорость образования углеода-14 в зависимости от геомагнитной широты.

Физическая модель процесса имеет вид:

147 N 01nТ Тн 1, 75барн 11 р 146 С

Математическая модель процесса имеет вид:

dt

Если решить математическую модель при начальных условиях:

t = 0, NN-14 = N0N-14, NC-14 = 0

t = t, NN-14 = NN-14(t), NC-14 = NC-14(t), то получим

5

нецкий, Г.С. Кирдин. - М.: Атомиздат, 1972. – 172 с.

5.Соколов В. А. Геохимия природных газов / В.А. Соколов. - М., 1971.

6.Химик, сайт о химии. Химическая энциклопедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/397.html

7.Филиппов Е.М. Возможности использования нейтронов космического фонда для изучения солесодержания морских вод / Е.М. Филиппов // Авторский оттиск: Атомная энер-

гия, 1984.- Т. 56.

ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет»

P.A. Ponomarenko, M.A. Frolova

MODELS OF GENERATION OF RADIO-CARBON IN THE STRATOSPHERE UNDER THE ACTION OF COSMIC NEUTRONS

A carbon is the important element of table of Mendeleyev. He makes structural basis of organic compounds and those which enter in the complement of living organisms. Speed of formation of radiocarbon depends on fluence neutrons, energy of neutrons and time of irradiation. Linear dependence of number of kernels of 14С formed from 14N confirmed equalization of balance

Key words: nuclide, a radionuclide, a radioisotope, radiocarbon, the flux density, the energy of the neutron, radiation

Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «The Sevastopol State University»

УДК 550.34

Л.И. Надежка 1,2, А.Е. Семенов2,1, И.Н. Сафронич1,2, М.А. Ефременко2,1

ОСЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЯХ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА

ВРАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ТЕРРИТОРИИ ВОРОНЕЖСКОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАССИВА

Показано, что территория Воронежского кристаллического массива не является сейсмически пассивной. Сейсмические события природного характера образуют одну из наиболее сейсмически активных зон, расположенную в 40 км от Нововоронежской АЭС. Техногенные события, вызванные промышленными взрывами, отрицательно влияют на состояние геологической среды и безопасность населения

Ключевые слова: сейсмичность, землетрясения, промышленные взрывы, безопасность

Сейсмическая безопасность является одним из важных условий безопасной жизнедеятельности населения. Особенно остро стоит проблема оценки сейсмической безопасности равнинных территорий Европейской части России - Восточно-Европейской платформы (ВЕП). Эти территории изобилуют объектами повышенной экологической ответственности, здесь развита мощная инфраструктура, имеются объекты спецназначения и высокая плотность населения. Одной из крупных структур ВЕП является Воронежский кристаллический массив (ВКМ).

Внастоящее время на территории ВКМ функционируют две атомные станции: Нововоронежская (НВАЭС) и Курская (КАЭС), строятся новые блоки этих станций, продлеваются сроки действия функционирующих блоков. Все это требует детального обоснования оценки сейсмической безопасности таких экологически ответственных объектов как атомные станции. Одним из важных и значимых мероприятий при оценке сейсмической безопасности является сейсмологический мониторинг.

Врезультате сейсмического мониторинга, который на территории ВКМ выполняется более 20 лет, установлено, что территория региона не является сейсмически пассивной. Зарегистрировано более 500 землетрясений 2-10 энергетических классов, из которых боле 100 8- 10 энергетических классов. Установлено, что на территории Воронежского кристаллического массива наблюдается сейсмическая активность двух типов: упорядоченная (структурирован-

7

ная [1]) и рассеянная. Рассеянная сейсмичность характеризуется тем, что эпицентры не образуют выраженных скоплений и не обнаруживается четкая приуроченность эпицентров к тектоническим нарушениям. В работе [2] показано, что рассеянная сейсмичность характерна, в основном, для Хоперского мегаблока ВКМ. Здесь единичные эпицентры, как правило, приурочены к интрузиям основного и ультраосновного состава. Упорядоченная сейсмичность – это скопление эпицентров землетрясений, образующих зоны или «пятна». Всего на территории ВКМ в настоящее время выделено 6 сейсмически активных зон (рис. 1).

Как видно из рисунка, некоторые зоны контролируют зоны глубинных, в ряде случаев, коро-мантийных разломов. Однако, две зоны Лискинская и Елец-Липецкая непосредственно к какому-либо одному разлому не приурочены.

Наиболее значимой зоной при оценке сейсмических условий региона является Лискинская зона [3, 4]. Пространственно она расположена в зоне сочленения крупных структур: Лосевской шовной зоны (ЛШЗ) и Россошанского массива (РМ) Курского мегаблока, тяготеет к S-образному перегибу Ряжско-Кантемировского разлома I ранга. Она расположена на расстоянии примерно 40 км от промплощадки НВАЭС.

Лискинская сейсмически активная зона уникальна как по геологическим, так и геофизическим характером. По уровню сейсмической активности она также выделяется среди других сейсмически активных зон Воронежского кристаллического массива. Здесь за время наблюдений (20 лет) зарегистрировано 92 землетрясения 4-8 энергетических классов. Плотность эпицентров на некоторых участках достигает 5 на 100 км2.

Рис. 1. Пространственное распределение эпицентров землетрясений Кр≥6 1 – тектонические нарушения различных рангов; 2 – эпицентры исторических

землетрясений; 3 – эпицентры зарегистрированных землетрясений; 4 – зоны повышенной плотности эпицентров: (I – Лискинская, II – Елец – Липецкая)

Структурное положение Лискинской зоны и ее значительная сейсмическая активность однозначно свидетельствуют, что она является одной из крупных сейсмогенных зон в этой части региона. Контроль развития сейсмического процесса в этой зоне является чрезвычайно важным условием обеспечения безопасного функционирования Нововоронежской АЭС. Кроме природных сейсмических событий, оказывающих влияние на сейсмологические усло-

8

вия региона, важную роль играют техногенные сейсмические события, вызванные короткозамедленными промышленными взрывами. В регионе функционирует более 20 карьеров. В некоторых из них, взрываемое количество ВВ во время одного сеанса достигает 2000 т. Такие взрывы создают сейсмические события 9-10 энергетических классов. Это, безусловно, отрицательно сказывается на состоянии геологической среды, способствует накоплению энергии, разрядка которой приводит к землетрясениям. Кроме того массовые взрывы в карьерах способны оказывать непосредственное воздействие на жилые постройки в близлежащих населенных пунктах, а также на самого человека и его среду обитания. На примере взрывов в Павловском карьере показано, что данная проблема является актуальной [4-7].

При проектировании массовых взрывов безопасные расстояния во всех карьерах определяются с использованием методик приведенных в «Единых правилах безопасности при взрывных работах» (ПБ 13-407-01). Это позволяет исключить непосредственное разрушающее воздействие сейсмической и ударной волны, а также разлета осколков породы. Однако регулярные массовые взрывы (рис. 2), производимые в карьерах, а также большое количество подрывов «негабаритных» блоков (рис. 2) являются источниками волновых процессов, которые способны оказывать негативные воздействия на жилые дома и здоровье жителей в ближней зоне карьера.

Рис. 2. Схемы пространственной ориентация Павловского карьера и домов в пос. Шкурлат (а) и примеры записей воздействия на них массового взрыва (б) и подрыва

«негабаритного» блока (в)

Как видно на рис. 2, во всех случаях максимальная скорость смещения почвы (указана по оси абсцисс), наблюдается в горизонтальной плоскости, что хуже для целостности конструкции зданий. Причем на близких удалениях от места массового взрыва интенсивность воздействия отличаются почти в 4 раза. что затрудняет оценку сейсмического эффекта до проведения взрыва. Особую озабоченность вызывает сейсмический эффект создаваемый подрывом «негабаритных» блоков в пункте наблюдения Д1, который превышал в 1.5 раза воздействие на Д2, а также оказался сопоставимым по амплитуде с воздействием от массового взрыва.

В свете сказанного совершенно очевидно, что для получения объективных оценок влияния массовых взрывов на жилые дома в близлежащих к карьеру населенных пунктах, а также на экологически ответственные предприятия региона необходимо на постоянной основе обеспечить сейсмологический контроль над проводимыми взрывами на территории региона. Для этого необходимо дополнить региональную сеть сейсмических станций пунктами сейсмологических наблюдений как в районе источников опасных сейсмических воздействий (карьеров, полигонов), так и в районе экологически ответственных предприятий. Данные

9

расширенной сети сейсмических станций позволят получить обоснованную оценку сейсмической активности в регионе, а также оценивать воздействие на объекты повышенной экологической ответственности и в целом на среду обитания человека, что будет способствовать повышению сейсмической безопасности территории региона.

Литература

1.Бугаев E.Г. О структурированной и рассеянной сейсмичности, жесткости очагов землетрясений и нелинейности графиков повторяемости магнитуд // Геодинамика и тектонофизика повторяемости магнитуд физика, 2011. - №3. - С. 244-265.

2.Семенов А.Е., Надежка Л.И., Пивоваров С.П. О связи современной сейсмической активности со структурными особенностями кристаллической коры и верхов мантии Воронежского кристаллического массива // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы десятой международной сейсмологической школы – Обнинск, 2015. – С. 290-293.

3.Семенов А.Е., Золототрубова Э.И., Надежка Л.И., Ефременко М.А. Геологогеофизическая характеристика лискинской сейсмически активной зоны // Глубинное строение, минерагения, геодинамика и сейсмичность Восточно-Европейской платформы и сопредельных регионов: материалы XX всероссийской конференции с международным участием.

/под ред. Н.М. Чернышова, Л.И. Надежка. - Воронеж: «Научная книга», 2016. - С. 349-353.

4.Сафронич И.Н., Колесникова С.И. Сейсмический эффект взрывов на полигоне «Погоново» / Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных // Материалы шестой международной сейсмологической школы.– Обнинск: ГС РАН, 2011.– С.

303 - 307.

5.Пивоваров С.П., Ефременко М.А., Калинина Э.В. Анализ записей промышленных взрывов в Елец-Липецкой зоне // Материалы Восьмой Международной сейсмологической школы. – Обнинск: ГС РАН, 2013. – С. 251 - 257.

6.Семенов А.Е., Надежка Л.И., Пивоваров С.П. Возможные экологические следствия сейсмических воздействий промышленных взрывов на геологическую среду (на примере Воронежского кристаллического массива) // Материалы третьей Международной научнопрактической конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы». – Воронеж, 2013. – С. 49 - 53.

7.Сафронич, И.Н., Пивоваров С.П., Савенков А.В., Семенов А.Е. Оценка влияния промышленных взрывов в карьерах на здания и сооружения в ближней зоне // Материалы XV Всероссийской конференции «Геологические опасности».- Архангельск, 2009. – С. 400 - 403.

1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» 2ФГБУН Федеральный исследовательский центр «Единая геофизическая служба РАН»

Nadezhka L.I.1,2, Semyonov A.E. 2,1, Safronich I.N. 1,2, Efremenko M.A. 2,1

ABOUT SEISMIC EVENTS OF NATURAL AND TECHNOGENIC CHARACTER AROUND AN ARRANGEMENT OF ECOLOGICALLY RESPONSIBLE OBJECTS OF THE TERRITORY OF THE VORONEZH CRYSTAL MASSIF

It is shown that the territory of the Voronezh crystal massif isn't seismically passive. Seismic events of natural character form one of the most seismically active zones located in 40 km from the Novovoronezh NPP. The technogenic events caused by industrial explosions negatively influence a condition of the geological environment and safety of the population

Key words: seismicity, earthquakes, industrial explosions, safety

1Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh

State University»

2Federal state budgetary institution of science of the Federal research centre «Uniform geophysical service of Russian Academy of Sciences»

10