Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012
.pdf
новится горизонтальной, и будет определять искомую величину h [12,13]. Исходными параметрами для определения h служат начальное значение скорости истечения струи, температура, давление газового потока, выходящего из устья вентиляционной трубы.
Одной из важных характеристик уравнения переноса радиоактивной примеси в атмосфере является мощность выброса. Эта величина определяется как произведение объемной активности Av0
[Бк/м3] на секундный расход G [м3/с]: |
|
Рв = Av 0G [Бк/c]. |
(3.5) |
Если W(r) есть радиальное распределение скорости |
газового |
потока в устье вентиляционной трубы, то секундный расход находится как интеграл
r |
|
G = 2π∫0 W (r )rdr, м3 с. |
(3.6) |
0 |
|
Считая газовый поток в вентиляционной трубе турбулентным, в качестве W(r) можно использовать известную [15] эмпирическую зависимость J. Nikuradse вида
W(r) = V*(5,75 lg[V*(r0 – r)/ν] +5,5), (3.7)
где V* – динамическая скорость; ν – кинематическая вязкость; r0 – внутренний радиус вентиляционной трубы; r – текущий радиус 0 ≤
r ≤ r0.
Таким образом, для определения секундного расхода в устье вентиляционной трубы измерение скорости газового потока необходимо проводить в течение определенного промежутка времени (в силу вихревого, стохастического характера потока) хотя бы в одной точке (отнормироваться на показание датчика). Это даст возможность определить величину динамической скорости V*, что, в свою очередь, позволит полностью найти функцию распределения
W(r).
К сожалению, до настоящего времени секундный расход в вентиляционной трубе находят как сумму расхода отдельных вентиляционных систем, входящих в нее, т.е. по существу можно получить значения лишь верхней или нижней оценок этой величины, но не текущее ее значение, что, конечно же, является неудобной и дорогостоящей процедурой при автоматизации измерений, поскольку
71
для этой цели требуется учет и анализ каждой вентиляционной установки в отдельности. В работе [16] проводился анализ распределения скоростей воздушного потока в вентиляционной трубе реакторов типа ВВЭР. Измерение скоростей осуществлялось по диаметру вентиляционной трубы как в верхней ее части (98,5 м), так и в основании (отметка 13,5 м). Для обработки результатов эксперимента использовался регрессивный анализ. В работе показано, что
при высоте вентиляционных труб < 20 d ( d – средний диаметр вентиляционной трубы, м) распределение скорости воздушного потока не стабилизировано, имеет сложный, струйный характер, а при больших значениях высоты стабилизируется и удовлетворительно описывается ранее приведенной зависимостью типа (3.7). Таким образом, повышение точности измерений секундного расхода вентиляционной трубы или скорости воздушного потока в ней непосредственно будет сказываться на точности определения мощности выброса радиоактивной примеси в атмосферу и, наконец, на точности прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды.
Для измерения объемной активности в настоящее время используется известный аспирационный метод. Суть метода состоит в естественном или принудительном прохождении воздушного потока, загрязненного газоаэрозольной радиоактивной примесью, через патрубок прямоугольного или круглого сечения, в конце которого располагается движущийся или фиксированный фильтр, на котором осаждаются радиоактивные аэрозоли. При измеренной скорости воздушного потока, проходящего через патрубок, заданном времени его прохождения, а также измерении общей активности фильтра, возникающей на нем за счет осевших радиоактивных аэрозолей, определяют объемную активность последних. На основе этого метода разработан ряд приборов, предшественницей которых являлась установка “Калина”, используемая как внутри помещений, так и в вентиляционных трубах АЭС для получения и обработки радиоактивных газоаэрозольных проб, среди которых выделяют короткоживущие, долгоживущие радионуклиды аэрозолей и инертные радиоактивные газы (ИРГ).
72
Основным недостатком такого типа приборов является наличие “мертвого” времени, составляющего порядка 10–15 мин, необходимого для обработки результатов измерений по ИРГ и значительно большего – для аэрозолей и йодов, что в принципе не позволяет использовать этот прибор в режиме on-line, тем более при импульсных или кратковременных выбросах. Кроме того, наличие механических частей в виде лентопротяжного механизма для сорбирующей аэрозоли ткани, существенно снижает надежность прибора в целом.
При известном нуклидном составе радиоактивной примеси, определяемом в соответствии с технологическим регламентом в лабораторных условиях, величину объемной активности в вентиляционной трубе можно найти, используя следующее соотношение:ׂ
D = Dv + Ds , |
(3.8) |
где Dv – мощность дозы, создаваемая газовым объемом радиоактивной примеси, Ds – мощность дозы, создаваемая радиоактивным
загрязнением внутренней поверхности вентиляционной трубы.
В условиях повышенного выброса радиоактивной примеси мощностью дозы, создаваемой внутренней поверхностью вентиляционной трубы, можно пренебречь ( Dv >> Ds ) и, измеряя мощ-
ность дозы от газового (воздушного) столба радиоактивной примеси в точке A(rl , h0) вентиляционной трубы типа усеченного конуса, объемную активность находят по формуле:
|
Av0 = Dv |
πKγ Ψ(H0 ,h0 ,r1 ), |
|
(3.9) |
|||||
H0 −h0 |
|
θ + θ2 |
+1 |
2 |
2 |
|
2 |
|
|
где Ψ(H0,h0,r1) = ∫ |
|
1 |
1 |
|
|
|
|||
ln |
|
|
|
dU ; θ1 = u (1 + γ) – 2γα |
|
– r1 |
|
; |
|
θ2 + |
2 |
+1 |
|
|
|||||
−h0 |
|
θ2 |
|
|
|
|
|
||
θ2 = u2 – r12; γ = (r0 – rh)/H0; α = r0 – γh0; r0 – радиус внутреннего основания вентиляционной трубы; rh – внутренний радиус устья вен-
тиляционной трубы; Kγ – ионизационная постоянная гаммаизлучателя.
Таким образом, при найденных секундном расходе вентиляционной трубы и объемной активности мощность выброса может быть найдена как произведение (3.5).
73
При несанкционированных выбросах типа (в) канал выбросов, как правило, неизвестен, но условия, при которых происходит выброс газоаэрозольной струи, могут быть определены. В работе [17] показано, что для определения эффективной высоты подъема радиоактивной струи достаточно знать начальные значения ее температуры, давления на отверстии истечения, а также величину его эффективного радиуса. Величина же полной активности в случае кратковременного выброса или мощность выброса в случае стационарного или импульсного истечения радиоактивной примеси может быть определена на основе показаний датчиков системы АСКРО
[18].
Подводя итог анализу приборов, определяющих параметры радиоактивного выброса, можно констатировать, что данный вопрос в системе контроля был решен далеко не лучшим образом, а потому потребовал к себе более пристального внимания в виде проведения специальных НИОКР по разработке приборов, измеряющих величину мощности радиоактивного выброса и работающих в режиме реального времени (on-line), что будет показано ниже.
Если параметры радиоактивного выброса известны и состояние устойчивости атмосферы определено, т.е. определены метеорологические параметры в уравнении, описывающем перенос радиоактивной примеси в атмосфере, решение последнего дает возможность определить радиационные характеристики радиоактивного загрязнения, окружающей среды, оценить его масштабы и дать рекомендации соответствующим органам власти на принятие соответствующих решений.
Оценка радиоактивного загрязнения окружающей среды сводится к оценке загрязнения воздушного бассейна и подстилающей поверхности в направлении выброса, которые, в свою очередь, определяются величиной объемной активности радиоактивной примеси в воздухе, поверхностной активности подстилающей поверхности при выпадении на нее радиоактивной примеси, а также мощности дозы внешнего облучения и дозы при ингаляции в загрязненном районе. Если радионуклидный состав радиоактивной примеси известен хотя бы приближенно (например он может задаваться в рамках технологического регламента на АЭС или согласно
74
критерию уровней аварии [19]), использование датчиков мощности дозы внешнего облучения сети постов АСКРО, размещаемых на промплощадке АЭС, в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения, позволяет уточнить величину мощности выброса и, таким образом, оценить масштабы радиоактивного загрязнения среды.
При постановке задачи переноса радиоактивной примеси в атмосфере в источник, описывающий ее генерацию, величина мощности выброса Pв входит обычным сомножителем. Поскольку уравнение переноса радиоактивной примеси в атмосфере является линейным, то его решение содержит величину Pв тоже как общий множитель.
При отсутствии датчиков, непосредственно измеряющих мощность выброса, величину расхода, в основном, определяют, исходя из полной мощности вентиляционных установок, имеющих вывод в вентиляционную трубу. Объемная же активность не может определяться в динамическом режиме, поэтому величина мощности выброса известна со значительной погрешностью. Вместе с тем, с уточнением мощности выброса корректируется как объемная активность воздушного бассейна, радиационные характеристики выброса, так и масштабы радиоактивного загрязнения окружающей среды в целом.
Уточнение величины мощности выброса Pв можно осуществить, воспользовавшись свойством линейности уравнения переноса турбулентной диффузии и функционалов, определяющих характеристики радиоактивного загрязнения окружающей среды: поверхностной активности подстилающей поверхности, мощности дозы внешнего облучения и т.п. Действительно, поскольку мощность выброса в решение входит линейно, поэтому, рассчитывая некоторую интегральную величину, в которую мощность выброса входит как множитель, например, мощность дозы от факела радиоактивных выбросов, и, измеряя эту величину, например датчиками АСКРО, полагая при этом, что их количество должно быть достаточным в СЗЗ, мощность выброса найдется как отношение величин мощностей доз измеренной и расчетной.
Более подробно метод оценки величины Pв рассматривается ниже.
75
Контрольные вопросы и задания
1.Сформулируйте основные цели, функции и задачи автоматизированной системы контроля радиационной обстановки АЭС и других ОИАЭ.
2.При решении каких задач реализуются функции системы контроля?
3.Назовите основные этапы развития систем радиационного контроля окружающей среды и укажите их основные особенности.
4.В чем заключается критерий выбора числа детекторов при их расстановке вокруг радиационно-опасных предприятий? Какую роль при этом играет пороговое значение детектора?
5.В чем состоит недостаток метода расстановки датчиков системы контроля вокруг радиационно-опасных предприятий, в основе которого лежит роза ветров?
6.Что такое величина мощности выброса радиоактивной присмеси в атмосферу и какими параметрами она определяется?
7.На чем основан физический принцип определения объемной активности радионуклидов, распространяющихся в атмосфере, аспирационным методом?
8.Какие параметры должны быть определены, чтобы рассчитать по показанию γ-детектора объемную активность радионуклидов, распространяющихся в ветиляционной трубе.
76
Глава 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ АЭС
4.1.Измерение метеопараметров атмосферы
испособы их уточнения
Основу АСКРО составляет совокупность датчиков метеопараметров, по показаниям которых определяется состояние устойчивости атмосферы, система постов контроля мощности дозы гаммаизлучения, размещаемых на местности, технологические датчики АЭС, предназначенные для определения параметров выброса радиоактивной примеси в атмосферу, а также расчетные модели, служащие для проведения прогностических расчетов. Структурная схема АСКРО приводится на рис. 4.1. Далее более подробно остановимся на особенностях измерения метеопараметров атмосферы и способах их уточнения; научном обосновании оценок необходимого и достаточного количества гамма-датчиков АСКРО и принципов их размещения в районе расположения АЭС.
К метеопараметрам, подлежащим определению, относятся: направление ветра, продольная и поперечная скорости ветра, температура и влажность атмосферного воздуха. Измерение этих параметров необходимо в связи с тем, что их значения используются для определения состояния устойчивости атмосферы, которое, в свою очередь, оказывает существенное влияние на распространение радиоактивной примеси в атмосфере при ее переносе. Кроме того продольная и поперечная скорость ветра, а также коэффициент турбулентной диффузии как функции высоты непосредственно входят в уравнение переноса радиоактивной примеси в атмосфере, вид которого с граничными и начальными условиями рассматривается в рамках модели переноса радиоактивной примеси в атмосфере (см. гл. 6 п. 6.2). Таким образом, измерение указанных метеопараметров является необходимым условием для выполнения корректных расчетов объемной концентрации, радиоактивной газоаэрозольной примеси, распространяющейся в атмосфере, в условиях радиационных аварий на объектах использования атомной энергии, а также расчетных оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды при формировании следа радиоактивного выброса.
77
Рис. 4.1. Структурная схема АСКРО
78
Различие существующих методик измерения метеопараметров определяется в основном используемыми математическими моделями. Измерение скорости ветра для широко распространенной гауссовой модели [20] основывается на измерении его величины на уровне флюгера – 10 м от уровня подстилающей поверхности, а непосредственно сам профиль ветра находят по формуле
uz = u10 (z 10)ε , |
(4.1) |
где z – высота измеряемого уровня; uz – скорость ветра на высоте уровня z; u10 – скорость ветра на высоте флюгера, используемая как некое реперное значение; ε – параметр, зависящий от состояния устойчивости атмосферы.
Состояние устойчивости атмосферы разбивается на семь классов A, B, C, D, E, F, G [20], от сильно неустойчивого A до сильно устойчивого G. Значения поперечной σy и высотной σz дисперсий находят, используя либо специальные таблицы значений этих параметров как функции категории устойчивости атмосферы [21], либо формулы Смита–Хоскера [22, 23]. Распределение концентрации радиоактивной примеси в атмосфере находят, используя гауссову модель переноса примеси в атмосфере и найденные значения дисперсий.
При высоких выбросах более точен градиентный способ измерения метеопараметров, при котором скорость ветра и температуры измеряют на различных уровнях, определяя их разности U и T. При этом могут использоваться как высотные метеомачты, так и стандартные автоматизированные гидрометеорологические станции (АГМС). В работе [11] показано, что жестких ограничений на высоту градиентных наблюдений нет, т.е. измерения можно, в частности, проводить на телевизионной мачте. Однако, если учитывать экономические факторы (например, стоимость метеомачты), а также стремиться к повышению точности прогностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды, то градиентные наблюдения по скорости ветра, температуре и влажности рекомендуется проводить на 40-метровой метеомачте. Чтобы уменьшить погрешность измеряемой разности скоростей ветра, целесообразно увеличить значение измеряемой величины u и уменьшить погрешность измеряемых скоростей ветра на каждом из уровней за счет повышения точности измерений. Кроме того, уменьшение по-
79
грешности измерения разности измеряемых величин возможно за счет измерения скоростей ветра на нескольких уровнях с последующим усреднением.
Далее, используя соответствующую математическую модель, описывающую изменение метеопараметров как функции высоты [24, 25], а также найденные разности скорости ветра и температуры, вычисляют вертикальные распределения скорости ветра, температуры, энергии турбулентных пульсаций и коэффициента турбулентной диффузии как функции высоты.
Гауссова модель справедлива, согласно рекомендации МАГАТЭ, на расстояниях не более 10 км [20]. Модернизация программы позволила использовать ее на расстояниях до 30 км [26]. Свое широкое распространенине эта модель получила за счет своей простоты, заключающейся в использовании несложного математического выражения, что позволило реализовать ее в виде достаточно простых алгоритмов в ПС «REСASS» и «NOSTARDAMUS» [27], исполь-
зуемых в АСКРО на ряде АЭС. Существенным недостатком этой модели является тот факт, что при определении профиля скорости ветра ключевым параметром является значение скорости ветра u10, измеряемое на высоте флюгера (hф = 10 м). Метеоплощадки, на которых установлены метеорологические мачты, используемые для измерения скорости ветра и температуры (градиентным методом), располагаются, как правило, на значительном расстоянии от АЭС, поскольку относятся к метеостанциям Росгидромета. Например, для измерения метеорологических явлений, в том числе и указанных параметров, в районе Балаковской АЭС использовались режимные метеорологические станции Пугачев (в 60 км к юговостоку от АЭС) и Ершов (в 70 км к югу от АЭС), а для блока № 2 Нововоронежской АЭС высотная метеомачта находилась на расстоянии 40 км от АЭС .
Измеряемая на высоте 100 м скорость ветра в пределах погрешности представляла собой одну и ту же величину как на этих станциях, так и вблизи АЭС. Из чего делался вывод, что и измеряемое значение скорости ветра на высоте 10 м будет также совпадать в пределах погрешности измерения. Подобное предположение может быть справедливо лишь в одном случае, когда подстилающая по-
Из материалов, представленных на экспертизу соответствующих АЭС.
80