СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ПОСЛЕ ВЫБРОСА РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ
METHOD OF DETERMINING RADIATION ENVIRONMENT AFTER EMISSION OF RADIOACTIVE SUBSTANCES INTO ATMOSPHERE

Изобретение относится к области организации и проведения выявления радиационной обстановки после аварийного выброса в атмосферу радиоактивных веществ.
Известны способы определения параметров радиоактивного загрязнения местности с использованием прогноза и путем проведения инструментальной разведки. Прогноз может быть проведен в кратчайшие сроки после аварийного выброса, но отличается низкой точностью, если отсутствует подробная метеорологическая информация и данные о параметрах выброса, включая радионуклидный и дисперсный состав, начальное распределение выброса по высоте [1]. Высокая точность определения распределения уровней радиации на местности обеспечивается проведением инструментальной радиационной разведки местности с использованием подвижных технических средств [2, 3]. Однако ее выполнение требует значительного времени и больших материальных ресурсов, так как исследованию подвергается вся территория вокруг аварийного объекта [4, 5].
В связи с низкой точностью прогноза в настоящее время для информационной поддержки принятия ответственных решений о необходимых мероприятиях по ликвидации последствий радиационной аварии используются только данные инструментальной разведки. Однако временные задержки, связанные с ее проведением, особенно в условиях ограниченного количества подвижных технических средств радиационной разведки, могут повлечь за собой нанесение неоправданного вреда здоровью населения и участников ликвидации последствий аварии.
Для сокращения времени выявления радиационной обстановки без увеличения количества подвижных технических средств радиационной разведки, а только за счет проведения инструментальной разведки только в районах, гарантированно подвергшихся радиоактивному загрязнению, в заявляемом способе предлагается проводить определение местоположения (границ) района выпадения радиоактивного аэрозоля на основе анализа данных лидарного зондирования облака выброса.
Известно, что распределение примеси в облаке выброса с достаточной для практических целей точностью подчиняется нормальному закону распределения [6]. Обычно полагают, что распространение облака примеси происходит в поле ветра, который направлен вдоль оси ОХ и характеризуется средней скоростью, имеющей постоянную величину. В этом случае пространственно-временное распределение концентрации тяжелой примеси описывается следующим образом:
где М - масса примеси в облаке;
0
0
0
x, y, z - первоначальные координаты центра облака;
x
y
z
σ, σ, σ - среднеквадратическое отклонение концентрации примеси в облаке в направлениях OX, OY и OZ соответственно;
x
U - скорость среднего ветра;
g
V - скорость гравитационного осаждения примеси.
ц
ц
ц
Отметим, что координаты центра облака x, y, x в момент времени t в рамках указанных ограничений определяются зависимостями:
Если распределение частиц по размеру одинаково в пределах облака, то сигнал отклика (эхо-сигнал) при лазерном зондировании будет пропорционален концентрации примеси в облаке и тоже будет подчиняться трехмерному нормальному закону распределения [7]:
M
где J - максимальный эхо-сигнал, который будет наблюдаться при зондировании центра облака;
Jx
Jy
Jz
σ, σ, σ - среднеквадратическое отклонение интенсивности эхо-сигнала при зондировании облака в направлениях OX, OY и OZ соответственно.
Распределение уровней радиации в сечении радиоактивного следа облака имеет аналогичный закон распределения [8]:
M
0
где Р(х, у) - максимальный уровень радиации, который будет наблюдаться на удалении х по оси ОХ от точки образования облака;
f(t) - зависимость, описывающая изменение во времени мощности дозы гамма-излучения:
p
σ(х) - среднеквадратическое отклонение мощности дозы гамма-излучения в сечении следа.
Укажем на то, что временная зависимость мощности дозы на сформировавшемся следе определяется распадом радионуклидов. В настоящем рассмотрении зависимостью f(t) будем пренебрегать без ущерба для полноты рассматриваемых вопросов. При разработке практических методик обработки данных на основе предлагаемого способа временное изменение мощности дозы легко рассчитать, принимая во внимание радинуклидный состав загрязнения, который может быть определен, например, с помощью полевого спектрометра бета- и гамма-излучений БГСП [9].
y
Отметим, что в реальных условиях облако будет двигаться не по прямой линии, параллельной оси ОХ, а по некоторой достаточно сложной траектории, обусловленной особенностями структуры поля ветра. Положение центра облака и его проекции на поверхность земли будет отличаться от теоретического за счет появления ненулевой составляющей U вектора среднего ветра
направленной вдоль оси OY.
α
α
цα
цα
цα
Вместе с тем, можно ввести локальную систему координат, связанную с центром облака и имеющую в произвольный момент времени t направление оси ОХ, совпадающее с текущим направлением вектора среднего ветра
Координаты центра облака x, y, z в такой системе координат будут иметь в произвольный момент времени нулевые значения:
α
α
α
Вариант положений локальной системы координат XOY показан на фигуре 1.
α
α
α
ц
ц
ц
Прямые и обратные преобразования координат точки из первоначальной системы координат XOY и в локальную систему XOY для некоторого момента времени t легко осуществимы с учетом знания текущих координат центра облака x(t), y(t), z(t) и угла поворота α(t) локальной системы по отношению к первоначальной системе.
ц
ц
ц
Координаты центра облака x(t), y(t), z(t) могут быть установлены на основе анализа результатов зондирования и определения элемента облака, дающего максимальную интенсивность отраженного лазерного излучения. Угол поворота может быть установлен на основе определения вектора среднего ветра на основе знания двух положений центра облака по результатам двух сессий зондирования и интервала времени, прошедшего между ними.
Распределение примеси в локальной системе координат будет иметь вид, аналогичный выражению (1):
α
α
α
где x, y, z - координаты рассматриваемого элемента объема облака в локальной системе координат, связанной с текущим центром облака.
Соответственно, общий вид закона распределения эхо-сигнала в локальной системе координат будет иметь вид:
M
Величины J(t),
,
и
можно определить эмпирически на основе обработки результатов лидарного зондирования облака, например, путем аппроксимации экспериментальных данных с помощью (7) по методу наименьших квадратов.
Покажем, что, используя результаты зондирования радиоактивного облака выброса и проведя ограниченное количество измерений уровней радиации для нормировки эхо-сигнала лидара, возможно указать район радиоактивного загрязнения местности, где необходимо провести детальную радиационную разведку.
1
ц
1
ц
1
ц
1
1
Допустим, что зондирование началось в момент времени t и было проведено в течение короткого промежутка времени, в течение которого облако переместилось на расстояние существенно меньше своего диаметра. Обработка результатов зондирования позволяет определить координаты x(t), y(t), z(t), где располагался центр облака в момент t.
1
В этом случае распределение эхо-сигнала J вдоль некоторой линии ℓ, перпендикулярной направлению среднего ветра
и проходящей через центр облака, можно аппроксимировать, учитывая общее распределение (7), следующим образом:
(M)l
M
1
где J=J(t);
ц
1
ц
1
1
1
После завершения формирования следа в точке с координатами x(t) и y(t) необходимо провести радиационную разведку вдоль линии g, которая является проекцией линии ℓ. По результатам измерений следует аппроксимировать распределение уровней радиации с помощью функции
(M)l
M
ц
1
ц
1
где P=P[x(t), y(t)];
Положение линий ℓ и g приведено на фигуре 2.
На основе результатов обработки данных измерений необходимо определить значения нормировочных коэффициентов:
i
На последующих этапах необходимо проводить повторное зондирование облака, пока позволяет дальность действия лидара. В общем случае повторное зондирование будет проводиться в моменты времени t, где i=2,…, N.
Отметим, что весь спектр турбулентных пульсаций скорости ветра можно условно разделить на несколько интервалов [6, 8, 10]. Под воздействием вихрей с характерными размерами много меньше диаметра облака, процесс турбулентной диффузии будет заключаться, по крайней мере, в течение определенного интервала времени, во внутреннем обмене порциями примеси между отдельными элементами облака. Наиболее сильное отличие скорости перемещения отдельных частей облака может наблюдаться под воздействием вихрей с размерами, которые сопоставимы с размерами самого облака. В предельном случае подобные вихри могут обусловить такое поле скорости ветра, что произойдет дробление облака на более мелкие образования. Если рассматривать вихри с размерами много больше диаметра облака, то они практически не будут влиять на процесс диффузии. Вихрь такого размера будет переносить облако практически как одно целое.
Следовательно, необходимо проводить повторные серии зондирования облака при его смещении на величину, не превосходящую диаметр, так как в этом случае изменение вектора среднего ветра, переносящего облако как единое целое, будет достаточно малым, но параметры самого облака могут измениться достаточно сильно.
i
После проведения очередной серии зондирования облака необходимо осуществить аппроксимацию распределения эхо-сигнала вдоль линий ℓ:
(M)i
M
i
где J=J(t);
а
d
i
i
Затем, пользуясь нормировочными коэффициентами К и К и результатами аппроксимации эхо-сигнала вдоль линий ℓ, следует выполнить прогноз распределений уровней радиации вдоль линий g:
(M)i
a
(M)i
J
где P=K;
гр
Полученные данные позволяют при задании граничного значения безопасной мощности дозы гамма-излучения Р установить координаты границы опасной зоны радиоактивного загрязнения.
i
Для этого на каждой линии g на расстоянии
ц
i
ц
i
i
i
1
1
N
N
i
i+1
i
i+1
от проекции центра облака (х(t), y(t)) определяются точки A и B. Соединив полученные точки отрезками AB и АВ, а также AA и ВВ, где i≥1, получаем границу области ведения разведки.
Дополнительно необходимо определить, что понимать под актуальным диаметром облака выброса при проведении лидарного зондирования. Для этого вначале установим наибольшее возможное отличие уровней радиации в сечении радиоактивного следа облака выброса, а затем, исходя из полученного значения, оценим соответствующее соотношение концентраций примеси в центре облака и на его актуальной границе.
Согласно действующим нормативным документам в области радиационной безопасности максимально безопасная доза облучения в условиях ликвидации аварии считается равной 100 мЗв [11]. С другой стороны, уровни радиации на местности после аварии на ЧАЭС достигали 20 мР/ч и более [4], что соответствует дозам облучения за год более 2 Зв. Следовательно, при ведении разведки в районах заражения на следе радиоактивного облака необходимо рассматривать уровни радиации, отличающиеся в несколько десятков раз, то есть приблизительно на 2 порядка.
Мощность дозы гамма-излучения Р пропорциональна плотности загрязнения поверхности земли w. Величина плотности загрязнения w определяется, в свою очередь, интегральной концентрацией примеси в воздухе у поверхности земли [8]:
где Δt - интервал времени, в течение которого наблюдаются сколько-нибудь значимые концентрации примеси.
В рамках модели (1) временной интервал, по которому необходимо провести интегрирование, может быть определен следующим образом:
где k - коэффициент, обуславливающий минимально рассматриваемые концентрации примеси.
С учетом сделанных замечаний получаем уравнение для определения соотношения концентраций примеси в центре облака и на его актуальной границе:
g
При условии, что скорость гравитационного осаждения имеет малую величину (V≅0 м/с), приземная интегральная концентрация в направлении распространения облака будет иметь величину:
Подставляя полученное выражение в (16), получаем:
где Δs - ширина опасной области радиоактивного загрязнения.
Из (18) следует, что
Полученное условие позволяет установить в явном виде соотношение концентраций в центре и на границе облака:
В целом, из проведенного анализа видно, что для определения области радиоактивного загрязнения, на границе которой будут наблюдаться уровни радиации не выше максимально допустимой величины, требуется построить динамическую проекцию на местность актуальной границы облака выброса, на которой концентрация аэрозоля составляет 0,01 от концентрации в центре облака.
цi
цi
цi
i
(M)i
1
1
(M)1
1
Таким образом, с учетом вышеизложенных рассуждений предлагается способ выявления радиационной обстановки после выброса радиоактивных веществ в атмосферу, заключающийся в определении районов возможного радиоактивного загрязнения местности, проведении в этих районах инструментальной радиационной разведки местности, обобщении результатов разведки и определении зон различной степени опасности, отличающийся тем, что для определения района загрязнения с помощью одночастотного лидара зондируется радиоактивное облако, при этом проводится, пока позволяет дальность действия лидара, N серий зондирований, в ходе каждой из которых исследуется все облако, а в интервале между различными сериями облако не должно переместиться на величину более диаметра облака, актуальный диаметр облака определяется после каждой серии зондирования с учетом того, что величина эхо-сигнала на границе облака составляет 1% от величины эхо-сигнала для центра облака, по результатам зондирования определяются координаты центра облака (х, y, z), где l≤i≤N, устанавливаются распределения эхо-сигнала вдоль линий ℓ, проходящих через центр облака в направлениях, перпендикулярных текущему направлению движения облака, выявленные экспериментальные распределения аппроксимируются ненормированным нормальным законом и устанавливаются максимальные значения эхо-сигнала J и дисперсии эхо-сигнала
с помощью средств наземной радиационной разведки проводятся измерения уровней радиации вдоль линии g, являющейся ортогональной проекцией линии ℓ на поверхность земли при проведении первой серии зондирования облака, с использованием полученных данных ненормированным нормальным законом аппроксимируется распределение уровней радиации и устанавливаются максимальное значение мощности дозы гамма-излучения P и дисперсия поля мощностей доз
вдоль g, определяются коэффициенты
i
i
прогнозируются параметры распределений уровней радиации вдоль линий g, являющихся ортогональными проекциями линий ℓ на поверхность земли:
(M)i
а
(М)i
,
P=KJ;где i≥2,
i
на каждой линии g на расстоянии
гр
цi
цi
i
i
1
1
N
N
i
i+1
i
i+1
где Р - граничное значение безопасной мощности дозы гамма-излучения, от проекции центра облака (x, y) определяются точки A и B, граница района радиоактивного загрязнения определяется отрезками AB и АВ, а также AA и ВВ, где i≥1.
Список использованных источников
1. Седунов Ю.С., Борзилов В.А., Клепикова Н.В., Чернокожин Е.В., Троянова Н.И. Физико-математическое моделирование регионального переноса в атмосфере радиоактивных веществ в результате аварии на Чернобыльской АЭС // Метеорология и гидрология. - 1989. - №9. - С.5-10.
2. Защита от оружия массового поражения / Под ред. В.В.Мясников. - М.: Воениздат, 1989. - 398 с.
3. Садовников Р.Н. Оценка достоверности решений по защите населения после крупномасштабной радиационной аварии // Экологические приборы и системы. - 2004 г. - №4. - С.55-57.
4. Абагян А.А., Асмолов В.Г., Гуськова А.К. и др. Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ // Атомная энергия. - 1986. - Т.61. Вып.5. - С.301-320.
5. Сойфер В.Н., Горячев В.А., Гуренцов В.И., Макаров В.Г., Сергеев А.Ф. Численные расчеты переноса радионуклидов в атмосфере и морской среде и оценка последствий ядерной аварии в бухте Чажма Японского моря // Метеорология и гидрология. - 2001. - №4. - С.17-32.
6. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Теория турбулентности. Т.2. - СПб: Гидрометеоиздат, 1996. - 742 с.
7. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. - Новосибирск: Наук, 1982. - 242 с.
8. Метеорология и атомная энергия. Пер. с англ. / Ф.А.Гиффорд, Н.Ф.Ислицер, Г.А.Бриггс и др.; под ред. Д.Х.Слейда. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1971. - 648 с.
9. Полевой бета-гамма-спектрометр (ПБ-ГС) ГО.2.86.00. Руководство по эксплуатации. - 172 с.
10. Атмосфера. Справочник. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. - 510 с.
11. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). - 73 с.