Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

верхность как в месте расположения метеорологических станций, так и вблизи АЭС имеет один и тот же уровень шероховатости. В противном случае это предположение неверно. Поскольку величина скорости ветра на уровне измерения в 10 м, согласно формуле (4.1) определяет весь профиль скорости ветра и в том числе на уровне выброса радиоактивной примеси, постольку все оценки уровней радиоактивного загрязнения могут быть некорректны, если не учитываются особенности шероховатости подстилающей поверхности. В работах [28, 29] показано, что при изменении уровня шероховатости возникает возмущение скорости воздушного потока, распространяющегося в атмосфере рис. 4.2.

Рис. 4.2. Изменение исходного логарифмического профиля скорости ветра над подстилающей поверхностью при изменении уровня шероховатости z0 с 0,01 на 0,02 м на различных расстояниях x от области изменения z0. Профиль ветра с наибольшим возмущением располагается на малых x

81

Наибольшей величины возмущение достигает на уровне 5–10 м, но с ростом высоты и расстояния от области изменения уровня шероховатости возмущение затухает. На высоте 40 м относительная величина возмущения составляет не более 5 % и уменьшается до незначительной величины на высоте 100 м. Поскольку уровень шероховатости не может оставаться постоянным на расстояниях 40– 60 км, то возникающие возмущения в скорости ветра всегда будут вносить погрешность при использовании значений этой величины, измеренной на уровне 10 м, в качестве реперного. Далее будет рассматриваться метеомачта высотой 40 м с уровнями измерения скорости ветра установленными на высоте 10, 20, 30 и 40 м, удовлетворительно сочетающая ценовые (с ростом высоты стоимость метеомачты растет нелинейно – как куб высоты) и рабочие характеристики.

Уточнение метеопараметров атмосферы. Для решения этой задачи использовались результаты исследования нижнего 300метрового [30] слоя атмосферы и метеорологические наблюдения на останкинской телебашне в 500-метровом слое для различных сезонов: зима, весна, лето, осень [31].

Определяя по графикам значения скорости ветра и температуры на уровнях 40, 30, 20 м и на уровне земли и используя методику градиентных наблюдений, рассчитывали профили продольного u(z), поперечного v(z) ветра и коэффициента турбулентной диффузии k(z). Найденные распределения для надежности нормировали (определяли поправочный коэффициент) на показания датчиков (скорости ветра и температуры), расположенных на различных уровнях: 45, 40, 30 м при сравнении с распределениями работы [30]. Результаты экспериментальных и расчетных данных приведены на рис. 4.3, а–г для различных сезонов, характеризуемых различными состояниями устойчивости, и на рис. 4.4 для состояния устойчивости атмосферы μ0 = 3,72. В качестве критерия рассматривалась относительная погрешность отклонения расчетного значения скорости ветра от экспериментального δ = |(Ue – Uc)/Ue| на уровне 310 м, на котором эта величина максимальна для большинства из распределений в силу их нелинейности.

Стоимость метеомачты высотой 40 м для АСКРО Ростовской АЭС составила $ 60 тыс.

82

если окажется, что δ10 минимальна или незначительно превышает δ20, δ30 и т.д., то в качестве метеомачты следует выбрать 10метровую мачту или в противном случае отказаться от нее. Величина отклонения расчетного значения от экспериментального ( U = Ue – Uc), а также относительная погрешность δа = | U/Ue| на уровне 310 м приводится в табл. 4.1–4.2 для каждого из представленных на графиках профилей ветра. В табл. 4.3 приводится относительная погрешность δа отклонения расчетных профилей ветра от экспериментальных, представленных в работах [30, 31], и дисперсия этого отклонения σа, вычисляемая по формуле:

Отклонение и относительная погрешность расчетного профиля ветра от экспериментального

Таблица 4.2

Отклонение и относительная погрешность расчетного профиля ветра

84

Таблица 4.3

Относительная погрешность и дисперсия отклонения расчетного профиля ветра от экспериментального работ

Из табл. 4.3 следует, что максимальная относительная погрешность имеет место при нормировке на высоте уровня z =10 м, что полностью исключает использование стандартной метеомачты высотой 10 м для целей прогнозирования радиационной обстановки на местности в рамках АСКРО, несмотря на ее невысокую стоимость (с такой нормировкой решение задачи можно использовать только для приземного слоя атмосферы h ≈ 70 м). С ростом уровня нормировки величина δа падает, достигая минимума при уровне нормировки 30 м, а затем снова возрастает. Аналогичную картину дает и дисперсия σа, фиксируя минимальную величину при уровне нормировки 30 м и возрастая с увеличением значения уровня.

Согласно данным работы [31] на высоте 305 м относительная погрешность измерения ветра различалась в зависимости от времени года от 0,07 в апреле до 0,16 в декабре, так что полученную величину σa = 0,183 всего лишь с небольшой натяжкой можно принять за погрешность измерения скорости ветра на этой высоте. Следует отметить, что градиентные методы определения параметров пограничного слоя: динамической скорости v* и масштаба приземного слоя (масштаба Монина–Обухова) L на высотной метеомачте 100–120 м дают возможность точнее определять эти параметры, но существенное повышение стоимости метеомачты и, в связи с этим, системы АСКРО в целом приводит к нецелесообразности применения таких метеомачт для данных задач. Что же касается оптимизации расположения уровней на метеомачте, то их вы-

85

бор диктуется условием максимального градиента, который можно получить лишь при равномерном распределении датчиков по высоте метеомачты.

Таким образом, оптимальная высота метеомачты, используемой для решения задач АСКРО, с применением математического аппарата согласно работ [32], составляет 40 м с уровнями измерения метеопараметров (скорость ветра, температура воздуха, влажность), составляющими 0 м – уровень земли, 10, 20, 30, 40 м.

На рис. 4.5 приводятся распределения концентрации радиоактивной примеси, полученные для состояния устойчивости (μ0 = = 3,72) при различных уровнях нормировки по скорости ветра и температуре.

Рис. 4.5. Распределение концентрации радиоактивной примеси на проекции оси факела выбросов Qa(x), a = 45 (1), 40 (2), 30 (3), 20 (4), 10 (5) м как функция расстояния x при различной высоте нормировки a

Как и следовало ожидать, с «ростом» скорости ветра (уровни нормировки 20 и 10 м, высокая относительная погрешность) концентрация радиоактивной примеси в ближней зоне от источника понижается, а с «уменьшением» ветра (уровни 40 и 45 м, низкая относительная погрешность) – увеличивается. При этом значение концентрации, получающейся в расчетах при нормировке на 10 м, оказывается в 2,4 раза ниже, чем при нормировке на уровне 30 м, но в 1,16; 1,22 раза выше при нормировке на 40 или 45 м соответственно относительно уровня 30 м. Аналогичные значения показывают и отношение мощностей доз, полученных по найденным распределениям концентрации на расстоянии x = 2750 м от источника

86

при состоянии устойчивости атмосферы (μ0 = 3,72) (рис. 4.6). Очевидно, что подобным закономерностям отвечают и распределения активности подстилающей поверхности и мощности дозы от подстилающей поверхности, в силу линейной зависимости этих функционалов от концентрации радиоактивной примеси [32].

Рис. 4.6. Значения мощности дозы на проекции оси факела выбросов (x = 2750 м), рассчитанные при состоянии устойчивости атмосферы (μ0 = 3,72),

но при различных уровнях нормировки

В случае потери данных о метеопараметрах, например, в случае падения метеомачты с таким же успехом можно использовать данные по высотному распределению скорости ветра и температуры с SODARа. Однако если погрешность измеряемых данных SODARа не хуже данных метеодатчиков, располагаемых на метеомачте, то целесообразно вообще использовать это оборудование для определения состояния устойчивости атмосферы и функций высотных распределений метеопараметров, если экономические критерии не играют существенной роли при использовании последнего. Таким образом, результаты исследований влияния шероховатости на формирование профиля ветра воздушного потока показывают, что возмущение воздушного потока, вызванное изменением уровня шероховатости подстилающей поверхности, на высоте 30–40 м дает значительно меньшую погрешность, чем на уровне 10 м, а результаты нормировки показывают, что наиболее оптимальной высотой метеомачты, на которой располагаются уровни измерения метеопараметров, является 40 м метеомачта.

87

4.2. Оптимизация количества датчиков фотонного излучения АСКРО

Радиационный контроль во внешней среде осуществляется при помощи радиационного мониторинга окружающей среды, включающего совокупность датчиков γ-излучения, йодные датчики и датчики, измеряющие концентрацию радионуклидов в водной среде в диапазоне 2,5 103–2,5 106 Бк/м3. Кроме того, при измерениях во внешней среде могут быть использованы датчики β-излучений от β-аэрозолей в диапазоне 2,5–1,25 104 Бк/м3. Стандартный измерительный блок фотонного излучения содержит датчики двух диапазонов 10-7–10-3 Зв и 10-3–10,0 Зв, причем при использовании компенсационных схем внешнего γ-фона нижний порог датчика “тонких” измерений может быть уменьшен на порядок.

Датчики фотонного излучения (БДМГ-08Р3, БДМГ-08Р4, БДМГ-08Р5), составляющие основу автоматизированной системы, в зависимости от их расположения (удаленности от источника) могут поддерживать связь центральным постом контроля (ЦПК) двумя (основным и дублирующим) из трех физических каналов: датчики, располагающиеся на промплощадке, т.е. в пределах 1–1,5 км, могут иметь кабельную связь по специально выделенным линиям и по коммутируемым телефонным линиям, свыше 1,5 км, используется телефонная и радиосвязь на УКВ (по выделяемому частотному диапазону).

Службы внешней дозиметрии обеспечиваются передвижной радиометрической лабораторией, фронт работ которой может быть достаточно велик: от измерения (уточнения мощностей доз внешнего облучения от объемного источника – факела выбросов или подстилающей поверхности, загрязненной в результате осаждения радиоактивных аэрозолей) до проведения спектрального анализа β, фотонного излучения радиоактивных аэрозолей и их дисперсного состава. В контроль внешней среды также входит и подсистема индивидуального дозиметрического контроля (ИДК). Однако две последние службы хотя и могут входить в систему АСКРО, но концептуально должны иметь определенную автономность, а потому

88

не могут быть автоматизированы, и поэтому рассматриваться в дальнейшем в рамках настоящей работы не будут.

Повышение требований надежности и точности к измерению и контролю радиоактивного загрязнения внешней среды, особенно в реальном масштабе времени, наряду с экономическими факторами определяют требования и критерии при построении систем мониторинга окружающей среды и, в частности, систем типа АСКРО. Поскольку ведущим измерительным средством АСКРО является γ- датчик, требующий для нормальной работы основной и дополнительной линий связи электрического питания, автономного питания и другого оборудования, стоимость которых относится к главным затратам на систему, а увеличение числа измерительных постов датчиков, естественно, повышает надежность и достоверность информации о зоне и уровне радиоактивного загрязнения – основное требование экологии, то с целью уменьшения затрат встает целесообразный вопрос оптимизации системы – оптимизации числа датчиков АСКРО.

Чернобыльские события стимулировали работы по созданию АСКРО на АЭС, но интенсивное развитие они получили в рамках федеральной целевой программы «Ядерная и радиационная безопасность России» на 2000–2006 гг. в соответствии с подпрограммой «Создание ЕГАСКРО на территории Российской Федерации». Общая характеристика АСКРО АЭС приведена в табл. 4.4, в которой показано количество постов наблюдения для каждой из российских АЭС. Из таблицы следует, что количество постов для различных АЭС различается, и они оборудованы разными средствами измерений. Причем в каждом случае это число научно не обосновано в смысле оптимального значения для каждой АЭС, т.е. не отвечает критерию «затраты–качество». Такая ситуация сложилась по той причине, что бюджетного финансирования по федеральной целевой программе «Ядерная и радиационная безопасность России» на создание АСКРО оказалось недостаточным, поэтому на эти цели изыскивались внебюджетные средства, в связи с чем действующие сети АСКРО на АЭС отличаются разнородностью средств измерения и программного обеспечения. Подобный волюнтаризм, безусловно, недопустим.

89

К размещению постов контроля в СЗЗ предъявляют демографические, экономические и экологические требования. Демографические – определяются критерием численности населения: пост контроля устанавливается в населенном пункте с числом жителей не менее 5 тыс. человек. Экономические требования сводятся к ограничению числа постов (датчиков), что обусловлено высокой стоимостью линий связи, оборудования (датчиков, приемо-передающих информацию устройств, систем персональных ЭВМ), зарплатой обслуживающего персонала, затратами на социальные нужды и т.д. Экологические требования сводятся к обеспечению высокой степени информативности об уровнях загрязнения окружающей среды при любом направлении выброса, чего можно достигнуть увеличением числа постов контроля на промплощадке и в СЗЗ. Таким образом, число постов контроля АСКРО играет значительную роль не

90