Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

ристик загрязнения внешней среды. Их применение ранее сдерживалось, именно, отсутствием такой техники.

3.2. Концепции построения систем автоматизированного контроля радиационной обстановки окружающей среды

Рассмотрим концепции построения систем контроля радиационной безопасности АЭС и других радиационно-опасных предприятий атомной промышленности. В основе любой концепции построения такого рода систем лежит принцип измерения параметров радиоактивного загрязнения, основанный на выборе датчиков, измеряющих те или иные характеристики примеси – непосредственно ее концентрацию (аспирационными датчиками) или мощность дозы фотонного излучения, количество датчиков и способ их размещения вокруг объекта. Продолжительность периода осреднения уровней загрязнения определяла и способ размещения датчиков вокруг АЭС – в направлении наиболее вероятных распространений выбросов. Последние находили, исходя из розы ветров, составляемой по метеонаблюдениям в течение года [5, 6].

Подобные системы хорошо себя зарекомендовали именно для анализа уровней загрязнения при штатной работе АЭС, но имеют существенный недостаток, поскольку вся информация о радиационной обстановке относится к прошедшему времени, что совершенно недопустимо при аварийных ситуациях. Следует также отметить, что сезонные розы ветров могут отличаться от годовых, а потому наиболее вероятное направление распространения выбросов с АЭС могут меняться в пространстве и во времени. Устранение последнего недостатка, а также стремление восстановления поля концентраций радиоактивных веществ в атмосфере и на местности необходимой точности по показаниям датчиков, расположенных на местности, требует большого количества датчиков, число которых растет с уменьшением погрешности восстанавливаемого поля концентраций [2]. Например, если считать распределение концентрации радионуклида вблизи поверхности земли в виде гауссовой функции

61

где qmax – значение концентрации в центре облака (x = 0, y = 0), σу – дисперсия распределения, то для воспроизведения функции q(x, y, t) с допустимой погрешностью δ = 50 % необходимо иметь 70 точек измерения, а при δ = 30 % – уже 200 точек [7].

Если учесть, что каждый измерительный прибор требует линии связи, обслуживания, т.е. специального персонала, требующего, в свою очередь, социальных затрат и т.д., нетрудно убедиться, что системы контроля, построенные по такому принципу, достаточно дорогостоящи и малоэффективны в случае аварийных ситуаций, поскольку не могут работать в режиме реального времени.

Разработка систем контроля второго поколения осуществлялась с учетом автоматизации измерений [2–4]. Одна из наиболее четких концепций построения таких систем изложена в работе [2]. Суть этой концепции состоит в оптимальном использовании экспериментальных (результаты измерений) и расчетных данных. Метод оптимального использования экспериментальных данных (ОМЭД) позволяет объединить в единую логическую схему исследований теоретический и экспериментальный подходы, что позволяет наиболее полно реализовать преимущества, свойственные каждому из них в отдельности и свести к минимуму их недостатки. В кратком изложении метод ОМЭД сводится к следующему [2]:

сложную физическую задачу разбивают на ряд простых; для каждой частной задачи составляют теоретическую модель,

которая описывается одним или несколькими дифференциальными или иными (интегродифференциальными, интегральными) уравнениями с соответствующими граничными и начальными условиями, после чего теоретические модели анализируют для установления в них слабо обоснованных допущений;

слабо обоснованные положения теоретических моделей отдельных задач заменяют экспериментальными данными;

экспериментальные данные используют также в тех задачах, теоретическое решение которых осуществить сложнее, чем провести измерение.

Оптимизация измерений в этом случае достигается в результате того, что из сравнительно небольшого объема измерений извлекают максимально возможную информацию о физическом процессе в целом.

62

С целью оптимального использования экспериментальных данных в последние годы была выдвинута идея сочетания измерительного и модельного мониторинга в единую систему таким образом, чтобы достоинства одной компенсировали недостатки другой. Такого типа мониторинг должен обеспечивать непрерывный процесс адаптации модели распространения радиационного загрязнения среды к конкретным изменяющимся условиям по результатам фактических измерений на местности, что, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к точности измерений. Повышение точности измерений возможно за счет снижения влияния внешнего и накапливающегося в точках контроля фона, исключения систематических ошибок, учета и автоматической компенсации нелинейности детекторов.

Важной стороной разработки систем контроля являются экономические факторы их создания и эксплуатации. Стоимость систем контроля во многом определяется стоимостью комплектующих изделий, линий связи, монтажа и пусконаладочных работ. Повышение требований надежности, точности измерений, особенно в реальном масштабе времени, и быстродействия, расширение функций вместе с экономическими факторами определяют требования и критерии при построении современных систем контроля. Решение этих задач связано с определенными затратами, поэтому естественен поиск оптимального варианта их решения.

Одним из наиболее оптимизируемых параметров системы контроля является количество телеметрических систем, так как датчики, устанавливаемые на этих системах, дают непосредственно информацию о радиоактивном загрязнении окружающей среды, и, кроме того, за счет своего количества, линий связи и необходимого технического обслуживания оказывают существенное влияние на стоимость системы контроля в целом. В работе [4], полагая, что выброс радиоактивной примеси может произойти в любом направлении, отказались от идеи размещения датчиков по розе ветров и вопрос оптимизации числа постов при равномерном их размещении вокруг АЭС по периметру круга диаметром dС33 решался следующим образом. Задавалось наименьшее пороговое значение детекторов, размещаемых на постах контроля. Это значение должно быть таким, чтобы точно можно было подтвердить превышение мощности дозы над фоном. Выбиралось наихудшее из метеороло-

63

гических условий и считалось, что факел выбросов при эффективной высоте H0 точно проходит между двумя детекторами (рис. 3.1). В этом случае можно рассчитать горизонтальное расстояние ymax от середины факела выбросов до точки измерения, в которой возникающая мощность дозы точно соответствует заданному сигнальному порогу детектора.

Рассматривая в качестве критического органа щитовидную железу и понимая под критической дозой величину инга-

ляционной дозы, обусловленной 131I, при длительности вы-

броса радиоактивной примеси в атмосферу T, от оси выброса до точки, в которой значение ингаляционной дозы будет соответствовать пороговому значению детектора, величину y находили из неравенства:

Dпop ≤ D(I-131) (xm, y, S, T, U), (3.2)

где D(I-131)(xm, у, S, Т, U) – распределение ингаляционной дозы по оси Y локальной системы координат; xm – абсцисса точки детекти-

рования локальной системы координат; S – категория устойчивости атмосферы; U – скорость ветра. При этом число датчиков определялось соотношением N = [πd/2y] + 1, в котором от выражения в квадратных скобках берут целое число.

Как следует из рис. 3.1, идея определения необходимого (целое число от выражения в квадратных скобках есть необходимое, а с прибавление единицы достаточное) и достаточного числа датчиков весьма проста, но не совсем удачно, хотя совершенно справедливо, используется критерий критической дозы и осуществляется выбор ymax. Кроме того, при произвольном варьировании длительности выброса Т первое неравенство может не выполняться, что сразу накладывает требования на эту величину: Т должна быть достаточно большой, чтобы неравенство имело смысл.

Основным недостатком рассмотренного метода является именно выбор дозовых критериев (критического органа и отвечающей ему дозы 131I), поскольку в этом случае прибор должен непосредст-

64

венно регистрировать радиоактивную примесь йода. Но поскольку характерные поперечные размеры шлейфа радиоактивного облака значительно меньше, чем ареол фотонного излучения, создаваемого этим облаком, постольку и число датчиков, необходимых для регистрации этого облака, при распространении его в любом направлении будет расти, а это, в свою очередь, приводит к увеличению стоимости системы. Действительно, как показывают результаты расчетов, число датчиков, располагаемых по периметру зоны радиуса Xmax, резко возрастает с увеличением радиуса, начиная с расстояний Xmax= 2 км (рис. 3.2). Последнее обусловлено размыванием струи и уменьшением, таким образом, эффективного значения ymax, при котором показания датчика превышает фоновое значение. Очевидно, что с заменой критерия по критическому органу на критерий предельно – допустимого уровня внешнего облучения 14,7·10-6 Зв/ч [8] величина ymax может только увеличиться, а число датчиков уменьшиться, т.е. такая система, не теряя своих основных функций, будет более экономичной.

Рис. 3.2. Зависимость числа датчиков, размещаемых по периметру пристанционной зоны радиусом Xmax, от величины этого радиуса

65

Аналогичные системы контроля разрабатывались и за рубежом, например, фирмой SIEMENS в Германии [9, 10], ALNOR в Финляндии, WESTINGHOUSE в США и т.д. При этом основными средствами регистрации радиоактивного загрязнения окружающей среды являются γ-датчики диапазона 0,01 мкЗв/ч – 10 Зв/ч и в пунктах, располагаемых в направлениях, где риск радиоактивного загрязнения может привести к наибольшим социальным последствиям (большие населенные пункты, города), йодные датчики. Гам- ма-датчики относятся к так называемому классу интеллектуальных детекторов, совместимых с персональным компьютером.

Рассмотрев основные подходы к решению вопроса о количестве постов систем контроля и способов их расстановки вокруг АЭС, проведем анализ других функциональных подсистем, являющихся составными частями системы контроля. К этим подсистемам относятся:

модель определения метеопараметров и переноса радиоактивной примеси в атмосфере;

совокупность приборов, измеряющих параметры выброса радиоактивной примеси в атмосферу: начальную скорость, температуру, давление струи, выходящей из веттрубы АЭС, объемную активность, мощность выброса;

совокупность приборов и методов определения параметров несанкционированных выбросов;

приборы и методы дистанционного определения параметров радиоактивных выбросов;

методики оценки радиоактивных характеристик загрязнения окружающей среды;

модели, описывающие оптимизацию вывода населения из загрязненного района при эвакуации.

Сформулируем основные требования к указанным подсистемам, на основании которых могут быть построены (выбраны из определенной совокупности) математические модели соответствующих подсистем или принципы измерения, лежащие в основе приборного обеспечения этих подсистем.

Требования к моделям переноса радиоактивной примеси в атмосфере и методам определения метеопараметров состоят в следующем.

66

Модель распространения радиоактивной примеси в атмосфере должна:

давать надежный расчет при любых метеорологических условиях атмосферы (состоянии устойчивости) и при любой эффективной высоте источника не превышающей высоту пограничного слоя атмосферы (Н ≈ 1,5–2 км) на расстоянии не менее 30 км от источника выбросов;

должны отсутствовать субъективные факторы оценки метеорологического состояния атмосферы типа: низкая облачность, высокая облачность и т.д.;

учитывать особенности подстилающей поверхности, определяющей величину скорости сухого осаждения, вымывание радиоактивной примеси естественными осадками (дождь, снег) и туманом;

учитывать радиоактивный распад примеси во время ее перено-

са;

учитывать влажность атмосферы особенно вблизи больших водных поверхностей;

учитывать значения метеопараметров (продольную и поперечную скорость ветра, коэффициент поперечной диффузии по всему пограничному слою атмосферы),

измерение метеопараметров (в приземном слое атмосферы) должно осуществляться простыми и надежными способами и содержать минимум датчиков;

наконец, расчеты по моделям со всеми функционалами, определяющими дозовые нагрузки на население и масштабы радиоактивного загрязнения окружающей среды в стационарных условиях, не должны превышать время, необходимое на получение осредненных значений измеряемых величин метеопараметров ~ 10 мин.

Требования, предъявляемые к уровням измерений метеопараметров в реперных точках, сводятся к выбору в приземном слое атмосферы четырех уровней, на которых проводят измерение скорости ветра, температуры и влажности – так называемых градиентных уровней полей ветра и температуры [11]. Такими уровнями могут быть либо стандартные уровни метеорологических наблюдений: 0,5; 2,0; 10; 40 м, либо полученные в результате оптимизации при анализе приземных профилей скорости ветра и температуры. Задание разностей скоростей ветра и температуры предъявляет

67

особое требование к точности приборов, определяющих эти параметры. Для анеморумбографа – прибора, измеряющего скорость ветра, погрешность определяется выражением δu = 0,3 ± 0,035V, где V – значение измеренной скорости на уровне Z. Таким образом, если на двух уровнях Z1, Z2 значение скорости есть соответственно V1, V2, то погрешность разности равна:

При минимально возможной измеряемой скорости Vmin = 1,2 м/с погрешность разности составляет 0,48 м/с. Если погрешность датчика температуры есть δDT = 0,5 + 0,06Т/10, то погрешность разности определится аналогично:

При изменении температуры от 253 К (–20 °С) до 298 К (25 °С) погрешность измерений изменяется от 2,85 до 3,24 градусов. Из полученного следует, что для повышения точности определения метеорологических параметров, например, таких как скорость ветра, распределение температуры в пределах пограничного слоя атмосферы, конструкция приборов должна быть такова, чтобы погрешность приборов была существенно ниже полученных величин. Это, во-первых, повысит точность определения метеопараметров модели переноса примеси в атмосфере, во-вторых, повысит точность оценок и прогноза радиоактивного загрязнения окружающей среды, в третьих, позволит уменьшить высоту разности уровней, на которых происходит измерение параметров и, наконец, общую высоту метеомачты, что, в конечном итоге, и даст экономию стоимости проекта.

3.3. Методы повышения точности прогностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды при радиационных авариях

Рассмотрим подробнее вопрос о точности прогнозных результатов и о влиянии на результаты расчетов погрешности измерения метеопараметров. Нетрудно понять, что наличие погрешности при измерении указанных метеопараметров приведет к «расчетному» изменению состояния устойчивости, что непосредственно скажется

68

на решении уравнения переноса радиоактивной примеси в атмосфере и окажет существенное влияние на оценку радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды. Уменьшение этого влияния приводит к требованию уменьшения погрешности измерения метеопараметров до величины меньшей 8 %, что может быть осуществлено либо за счет использования иных физических принципов измерения скорости ветра с меньшей погрешностью ее определения, либо за счет увеличения времени измерения, учитывая, что стандартное время измерения скорости ветра составляет 10 мин, а максимальное, превышение которого не дает существенного вклада в измеряемую величину, 67 мин.

Повышение точности измерения метеопараметров за счет увеличения времени измерения возможно при оценке радиационных характеристик радиоактивного загрязнения внешней среды для стационарных условий выброса примеси, т.е. для выброса, длительность которого больше 30 мин. Для залпового выброса, длительность которого меньше 30 мин, сбор информации по показаниям датчиков системы радиационного мониторинга (АСКРО) должен осуществляться через 1 мин в течение получаса, что позволяет проследить динамику процесса переноса радиоактивного облака в пределах зоны наблюдения (R ~ 30 км) и дать соответствующий прогноз радиоактивного загрязнения среды. При этих условиях решение задачи повышения точности измерения метеопараметров (уменьшение погрешности их измерения) возможно лишь за счет использования нетрадиционных методов измерения указанных величин, реализованных в приборах лучевого воздействия на объект. Однако стоимость последних может составлять значительную часть сметной стоимости всей системы радиационного мониторинга, использующей традиционный парк оборудования.

Таким образом, проблема повышения точности прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды при радиационных авариях требует, с одной стороны, высокоточных приборов, обеспечивающих минимальную погрешность измерения метеопараметров, а с другой стороны, приобретение и использование этих приборов ограничивается финансовыми возможностями заказчика. Последнее приводит к мысли о необходимости разработки недорогих приборов измерения метеопараметров, погрешность измерения которых позволила бы существенно повысить точность про-

69

гностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Эффективная высота подъема струи радиоактивного выброса Hэф, являющаяся одним из важнейших параметров уравнения переноса примеси в атмосфере, может различаться в зависимости от типа выброса (рис. 3.3). Обычно рассматривают: а) стандартный выброс через вентиляционную трубу, при котором точкой выброса является высота вентиляционной трубы; б) просачивание радиоактивного загрязнения в здание реактора и оттуда через неплотности в атмосферу;

в) выброс непосредственно в атмосферу в связи с разрушением корпуса реактора – так называемый несанкционированный выброс. При выбросах типа а) и в) эффективная высота выброса равна: Нэф = Нт + h, где Нт – высота вентиляционной трубы в случае а) и высота здания в случае в), h – высота подъема струи в атмосфере. При выбросах типа б) за высоту выброса принимают высоту здания ( h = 0). В случае а) приращение h находят, рассматривая вертикальное истечение подогретой газовой струи в стратифицированную атмосферу с поперечной скоростью ветра U0 отличной от нуля.

Общим подходом к решению данной задачи служит метод, основанный на совместном решении системы уравнений, учитывающей динамический подъем, обусловленный начальной скоростью и давлением в вентиляционной трубе, эффектом плавучести, связанным с дефектом плотности (температуры выбрасываемого газа и окружающего воздуха), а также системы уравнений, определяющих метеорологические характеристики атмосферы в ее пограничном слое (продольная и поперечная скорость ветра). Такой метод решения задачи рассматривался в работах [12–14]. Идея оценки приращения h в этих работах состоит в следующем. В поле поперечного ветра, выходящего из вентиляционной трубы, струя газа изгибается, а приращение высоты подъема, на которой струя ста-

70