Способ контроля фонового уровня радиации вокруг АЭС
METHOD OF MONITORING BACKGROUND RADIATION LEVEL AROUND NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для дистанционного измерения и анализа динамики радиационного загрязнения вокруг АЭС.
Аварии с повреждением ядерного реактора в США (Три-Майл Айленд, 1979 г.), в СССР (Чернобыль, 1986 г.), Японии (Фукусима, 2011 г.) поставили вопрос о необходимости оперативного, объективного и независимого контроля радиационного загрязнения с возможностью достоверного прогнозирования событий.
До настоящего времени радиационный контроль осуществляется штатными средствами посредством радиометров либо дозиметров. Известно «Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения», [Патент RU №2264674, H.01.J, G.01.T, 1/185, 2003 г.] - аналог.
3
Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40…50 атм и соответственно с плотностью 0,3…0,6 г/см с добавлением водорода в количестве 0,2…0,3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень изоэффективности σ~(3…5)%.
Недостатком перечисленных аналогов является локальность измерений наземными средствами в отдельных точках, не дающая объективной картины интегрального пространственного радиоактивного загрязнения территории или объема аварийного выброса.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является
«Способ определения загрязнения окружающей среды при аварийных выбросах на АЭС», Патент Ru №2.497.151, G.01.T, G.01.V, 2013 г.
Способ ближайшего аналога включает дистанционное получение изображений, в виде функции яркости I (x, y), подстилающей поверхности, содержащей контрольные площадки с известным уровнем радиации на них, радиометром, установленным на космическом носителе в длинноволновой части инфракрасного диапазона (8…12 мкм), выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости изображения I (x, y) градиентного контура тепловых аномалий, относительно яркости фонового уровня, отождествление выделенного контура с зоной загрязнения, расчет площади зоны по количеству пикселей в контуре и пространственному разрешению одного пикселя радиометра, построение гистограммы яркости пикселей внутри выделенного контура, калибровку гистограммы в значениях радиационного уровня контрольных площадок в обратно пропорциональной, по яркости, зависимости из соотношения:
;
площади
где: Р [Зв] - уровень радиации контрольной площадки;
точки
Р - определяемый уровень загрязнения в точке;
площадки
I - яркость пикселей изображения над контрольной площадкой;
точки
I - яркость пикселей изображения над определяемой точкой.
К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:
- невозможность непосредственного использования из-за различия состава средств и технологии обработки сигнала;
- тепловое ИК-изображение подстилающей поверхности аналога содержит информацию о состоявшейся аварии, но не содержит диагностических признаков увеличения гамма-нейтронного потока.
Задача, решаемая заявленным способом, состоит в объективной, достоверно-документальной дистанционной количественной оценке фонового уровня радиации вокруг АЭС.
i
i
экв
i
i
i
i
i
Поставленная задача решается тем, что способ контроля фонового уровня радиации вокруг АЭС включает зондирование территорий их расположения, содержащих эталонные контрольные площади с известным уровнем радиации на них, космическими средствами, на теневом участке орбиты в ультрафиолетовом (50…300) нм и ближнем инфракрасном диапазоне (670-1200) нм, с получением изображений в каждом диапазоне, формирование синтезированной матрицы из попиксельных отношений ультрафиолетового к ИК-изображению, программное выделение контуров на синтезированном изображении, расчет площади S контуров и фрактальной размерности изображения Ω внутри выделенных контуров, определение эквивалентной площади радиационного загрязнения вокруг АЭС как суммы S=ΣS⋅σ площадей контуров S, домноженных на коэффициенты σ фрактальной напряженности фонового уравнения радиации внутри выделяемых контуров, оценку динамики изменения радиационного фона в процентах через отношение:  разности между эквивалентными площадями текущего и эталонного измерений, отнесенной к эквивалентной площади эталонного участка, где .
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - полосы переизлучения молекул воздуха при радиоактивном облучении;
фиг. 2 - выделенные контуры фоновых уровней радиации вокруг АЭС на синтезированном изображении;
фиг. 3 - фрактальная размерность изображений (а, б, в) внутри выделенных контуров;
фиг. 4 - коэффициент фрактальной напряженности σ-радиационного поля в зависимости от мощности гамма-нейтронного потока;
фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.
Техническая сущность изобретения состоит в следующем.
Известно «Явление свечения атмосферы над зоной подготавливаемого землетрясения», научное открытие №407, 2010 г. [см., например, В.В. Потоцкий, «Научные открытия и гипотезы», Информационно-аналитический обзор, Из-во Международная академия научных открытий и изобретений, 2012 г.].
Вследствие гамма-нейтронного потока от радиоактивного распада радона, выделяемого из земной коры в областях сейсмических напряжений, наблюдается свечение атмосферных газов в серии полос переизлучения: Лаймана (100…300 нм), Бальмера (400…650 нм), Пашена (670…1200 нм). Полосы переизлучения атмосферных газов при их радиоактивном облучении иллюстрируются фиг. 1. Мощность сигналов-откликов в полосах переизлучений пропорциональна мощности гамма-нейтронного потока [см., например, Патент RU №2.395.103, G.01.T, 1/20 «Измеритель спектров сигналов-откликов атомных элементов на проникающее облучение», 2010 г.].
Поскольку фоновый уровень радиации вокруг АЭС, при их штатной эксплуатации, незначителен, то возникающее слабое переизлученное свечение полностью маскируется мощным дневным солнечным потоком.
Исходя из этого светосбор следует осуществлять только в ночное время, т.е. на теневом участке орбиты и с большой площади. Поле зрения космических средств зондирования должно быть широким.
Сам факт регистрации ультрафиолетового и инфракрасного (Бик) излучения на теневом участке орбиты свидетельствует о наличие источника гамма-нейтронного потока на подстилающей поверхности.
Поскольку энергия квантов ультрафиолетового диапазона существенно больше энергии квантов инфракрасного, то для подчеркивания контраста синтезированную матрицу формируют из попиксельных отношений ультрафиолетового изображения к красному (большего к меньшему).
Данная операция входит в комплект специализированного программного обеспечения [см. MATH CAD 7.0 PLUS, издание 3-е, стереотипное, М., Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998 г., Векторизация элементов матрицы, стр.211].
Психологически, восприятие образа объекта человеком-оператором происходит на уровне контуров. Последнее достигается путем выделения контуров (контурного рисунка) на изображениях, осуществляемого методами пространственного дифференцирования [см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перевод с англ., изд. Мир, М., 1976 г. «Пространственное дифференцирование», стр. 287-288]. Существует несколько стандартных операторов (Робертса, Лапласа, Собела), позволяющих вычислить контуры на двумерных изображениях. В частности, например, перекрестный оператор Робертса рассчитывают в окне (маске) 2×2 элемента для каждой дискретной точки изображения I (x, y) из соотношения:
;
Вычисленное значение оператора сравнивают с установленным порогом R(i, j)>Π, выводят на экран точки, для которых R(i, j) превышает порог. Выделение контуров на изображении с использованием масок различных операторов представляется стандартной математической операцией [см., например, П.А. Минько, «Обработка графики Photoshop CS2», изд-во Эксмо, 2007 г., стр. 47-56, Глава 3. Методы выделения областей].
Результат выделения областей на синтезированном изображении иллюстрируется фиг. 2.
Одновременно установлено, что наибольший объем информации об объекте содержит его форма. Элементом формы объекта по Мандельброту является его фрактал [см., например, Mandelbrot В. Fractals, Forms, Chance and Dimensions, Freeman, San Francisco, 1977].
Фрактальная размерность является числовым параметром, характеризующим структуру природных образований, в частности, для изображения, этот параметр заключается в интервале [2…3]. Для вычисления фрактальной размерности используют метод осцилляций.
1
1
2
2
Пусть (x, y) и (x, y) - двумерные координаты точек, а третья координата, яркость, задана в виде функции координат I (x, y).
Тогда ε - осцилляцией значений (I) будет разность наибольшего и наименьшего значения (I) в (ε) окрестности (x, y).
;
После этого ε - вариацию значения I вычисляют как:
;
где a, b - пределы, в которых изменяется переменная x;
с, d - пределы, в которых изменяется переменная y.
Фрактальная размерность матрицы вычисляется как размерность Хаусдорфа:
;
Вычисление фрактальной размерности изображений объектов осуществляют по специализированной программе.
Текст программы вычисления фрактальной размерности изображений.
Расчетные значения фрактальной размерности изображений внутри выделенных контуров иллюстрируются графиком фиг. 3, а, б, в. Чем больше мощность гамма-нейтронного потока, тем больше интервал разброса яркости пикселей синтезированного изображения, а фрактальная размерность изображения меньше. Причем интервал изменения фрактальной размерности 2…3. Для увеличения чувствительности заявленного способа введен показатель фрактальной напряженности радиационного фона (σ), рассчитываемый по обратно пропорциональной зависимости как:
;
График зависимости фрактальной напряженности σ от мощности гамма-нейтронного потока иллюстрируется фиг. 4. Поскольку существенное влияние на переизлученную светимость атмосферных газов, регистрируемую космическими средства, оказывают климатические условия, в заявленном способе, при оценке динамики изменения фонового уровня, используют относительный показатель:
•
Пример реализации способа.
Рассмотренный способ может быть реализован по схеме фиг. 5. Функциональная схема устройства фиг. 5 содержит космический носитель 1 типа «Ресурс» с установленными на его борту цифровой ультрафиолетовой видеокамерой 2 (типа «Фиалка МВ-Космос») и микроволновым радиометром 3 (типа «МСУ-СК»), осуществляющими съемку подстилающей поверхности в полосе сканирования 4 путем включения над заданным районом по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления 5, посредством командной радиолинии 6 из центра управления КА 7.
Последовательность отснятых кадров изображений подстилающей поверхности (вокруг АЭС и контрольных участков) записывают в бортовое запоминающее устройство (БЗУ) 8 и в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов сбрасывают по каналу передачи данных 9 на пункты приема информации 10.
После предварительной обработки информации по служебным признакам (номер витка, время сеанса связи) информацию помещают на сайт 11, откуда по запросу потребителей перегоняют в Центр тематической обработки 12. Программную обработку изображений осуществляют на персональной ЭВМ 13 в стандартном наборе элементов: устройство ввода 14, процессор 15, оперативное ЗУ 16, винчестер 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. Обработанную информацию состояния фонового уровня радиации вокруг АЭС помещают на сайт сети «Internet» 21 для передачи по паролю доступа заинтересованным организациям.
Процедуру реализации заявленной последовательности операций способа осуществляют в следующей последовательности.
Предварительно в оперативное запоминающее устройство 16 записывают программу специализированного программного обеспечения MATH CAD. Затем формируют кадры синтезированных матриц из попиксельных отношений ультрафиолетового изображения (большей яркости пикселей) к ИК-изображению (меньшей яркости пикселей). После этого осуществляют нормирование функции сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования.
За счет контрастирования достигается подчеркивание краев, что обеспечивает достоверное выделение контуров на синтезированном изображении программным способом.
Текст программы выделения контуров на изображении.
Результат работы программы иллюстрируются фиг. 2.
1
2
3
4
2
2
2
2
Исходя из масштаба изображения определяют разрешение одного пикселя, подсчитывают количество пикселей внутри каждого контура и определяют площади. В частности, для изображения фиг. 2 площади контуров составили S=540 км, S=300 км, S=150 км, S=26 км.
Затем программным методом рассчитывают фрактальную размерность изображений внутри контуров. В частности, расчетные значения ее для графиков фиг. 3, а, б, в составили: 2,86; 2,7; 2,34.
i
Коэффициенты σ фрактальной напряженности радиационного поля внутри контуров, рассчитываемые по обратно пропорциональной зависимости:
;
1
2
3
4
экв
i
i
2
соответственно составили σ=1,12; σ=1,43; σ=2,94; σ=5. Эквивалентная площадь радиационного загрязнения текущего измерения вокруг АЭС S=ΣSσ=1585 км.
2
Эквивалентная площадь загрязнения вокруг эталонной площадки [см., например, сайт www.ros'energoatom.ru, Ленинградская АЭС]. Зона наблюдения, радиус 17 км, площадь 900 км.
Динамика изменения радиоактивного фона вокруг оцениваемой АЭС составила Δ1582-900=682; ;
Заявленный способ может быть реализован на существующей технической базе. Осуществляя ежедневное обновление информации со спутников и ее автоматизированную обработку, по операциям заявленного способа представляется возможным оперативно, достоверно, документально с точной координатной привязкой отслеживать состояние радиационного заражения в обширной зоне, прилегающей к АЭС.