Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Процесс распространения радионуклидов в атмосфере 14
1.1. Анализ основных факторов, определяющих распространение радионуклидов в атмосфере 14
1.2. Методы расчета воздействия ионизирующего излучения на человека ... 29
1.3. Обзор методов численного решения задач распространения радионуклидов в атмосфере 39
1.4. Выводы по главе 1 49
Глава 2. Математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере 50
2.1. Обзор и сравнительная оценка математических моделей процесса распространения радионуклидов в атмосфере 50
2.2. Обзор и сравнительная оценка моделей построения поля ветра 66
2.3. Математическая постановка задачи распространения радионуклидов в атмосфере 73
2.4. Численная реализация модели распространения радионуклидов в атмосфере 82
2.5. Верификация модели распространения радионуклидов в атмосфере 88
2.6. Выводы по главе 2 90
Глава 3. Разработка программного комплекса «Radexpert» 92
3.1. Требования к информационному обеспечению для поддержки принятия решений при аварийных выбросах радионуклидов в атмосферу 92
3.2. Обзор и сравнительная оценка прогностических систем для поддержки принятия решений при аварийных выбросах радионуклидов в атмосферу ... 96
3.3. Структура ГИЭМК «RADExpert» 99
3.4. Основные характеристики, функции и объектно-ориентированная реализация ГИЭМК «RADExpert» 111
3.5. Выводы по главе 3 123
Глава 4. Результаты вычислительных экспериментов 124
4.1. Радионуклидный состав аварийных выбросов ВоАЭС 124
4.2. Исследование распространения радионуклидов при ЗА-1 на ВоАЭС ... 126
4.3. Исследование распространения радионуклидов при ЗА-2 на ВоАЭС... 130
4.4. Выводы по главе 4 133
Заключение 135
Литература 138
Приложение
- Методы расчета воздействия ионизирующего излучения на человека
- Математическая постановка задачи распространения радионуклидов в атмосфере
- Обзор и сравнительная оценка прогностических систем для поддержки принятия решений при аварийных выбросах радионуклидов в атмосферу
- Исследование распространения радионуклидов при ЗА-1 на ВоАЭС
Введение к работе
Актуальность темы. Экологические проблемы загрязнения воздушной среды весьма актуальны для больших городов и крупных промышленных регионов. В настоящее время сильно возрос научно-практический интерес к математическому моделированию процессов загрязнения атмосферы радиоактивными элементами в районах атомных электростанций. Особенно это направление активизировалось после аварии на Чернобыльской АЭС.
Строительство и ввод в эксплуатацию Волгодонской атомной электростанции имеет важное народнохозяйственное значение. Строительство ВоАЭС началось в 1979 году, но в 1990 году было принято решение о его приостановке. Однако в 2000 году работы по строительству ВоАЭС возобновились, и 30 марта 2001 года был подключен к единой энергосистеме первый блок ВоАЭС, который произвел уже более 36 млрд. кВт-ч для потребителей Ростовской и Волгоградской областей, Краснодарского и Ставропольского краев. В настоящее время энергосистеме юга России этого объема энергии уже недостаточно, поэтому она вынуждена сегодня получать электроэнергию из других регионов страны. В связи с этим в июне 2006 года было принято решение о возобновлении строительства второго энергоблока. Ввод в 2009 году второго энергоблока мощностью 24 млн. кВт-ч в сутки позволит регионам юга России самим обеспечивать себя электроэнергией.
Однако запуск в эксплуатацию атомной станции, а также ввод новых мощностей влекут за собой новые проблемы, связанные с радиационной безопасностью вокруг АЭС и прилегающей к ней территории. В этой связи необходима возможность прогнозирования последствий выброса радионуклидов в атмосферу с целью обеспечения первоочередными мерами по защите персонала станции и населения, проживающего вблизи ВоАЭС.
С точки зрения экологической безопасности важны математические модели, адекватно отражающие процесс распространения основных газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосфере в районе ВоАЭС. Такие модели позволяют последовательно в динамике рассмотреть процессы радиоактивного
загрязнения и сделать важные прогнозы на ближнюю и дальнюю перспективы. Полученные в результате расчетов данные могут помочь анализировать экологическую безопасность штатного и нештатного режимов работы ВоАЭС.
Представленное в настоящей работе исследование, направленное на развитие методов оперативного прогнозирования последствий выбросов радионуклидов в атмосферу в районе расположения ВоАЭС с использованием технологии математического моделирования, является актуальным научным направлением, имеющим важное практическое значение.
Диссертационная работа проводилась в рамках НИР по гранту РФФИ совместно с Администрацией Ростовской области (проект № 04-01-96807) «Решение задач экологической безопасности в районе Ростовской АЭС методами математического моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем».
Цель работы. Разработка и численная реализация математической модели, описывающей процесс распространения радионуклидов в атмосфере, и создание программного комплекса для повышения оперативности и адекватности прогнозирования, оценки последствий и эффективности вырабатываемых решений при выбросах радионуклидов в атмосферу в районе ВоАЭС.
В соответствие с данной целью решаются следующие задачи:
Разработать математическую модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для района ВоАЭС, учитывающую меняющиеся во времени и пространстве метеорологические условия, свойства подстилающей поверхности, свойства радионуклидов и ряд других факторов.
Разработать программный комплекс, реализующий математическую модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на ВоАЭС.
Провести серию вычислительных экспериментов для различных типов возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС и анализ их результатов, которые могут быть использованы для выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу.
Методы исследования: методы теории операторно-разностных схем, математического моделирования и вычислительной математики. Научная новизна работы.
Разработана трехмерная нестационарная математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере и расчета доз облучения, позволяющая проводить прогнозные расчеты эволюции радиационной обстановки в районе ВоАЭС. Модель более полно, чем в рамках других полуэмпирических моделей, учитывает факторы, определяющие распространение радионуклидов в атмосфере и загрязнение подстилающей поверхности, а также формирование индивидуальных доз облучения.
Создан проблемно-ориентированный программный комплекс «RADExpert», который предназначен для проведения прогнозных расчетов распространения радионуклидов и индивидуальных доз облучения, оперативной оценки последствий внештатных ситуаций работы ВоАЭС с учетом характеристик местности, различных метеоусловий и радионуклидных составов выбросов, и отличается от известных программных комплексов данного типа тем, что состоит из геоинформационной, моделирующей и экспертно-аналитической систем.
Получены новые взаимозависимости, позволяющие учитывать влияние метеорологических условий на процесс распространения радионуклидов при запроектных авариях 1 и 2-го типов, которые создают экологически неблагоприятные последствия для городов Цимлянск и Волгодонск.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обусловлены корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании процесса радиационного загрязнения атмосферы, сопоставлением результатов расчетов с известными натурными данными и расчетами других авторов.
Практическая ценность. Разработанная математическая модель и программный комплекс «RADExpert» могут быть использованы для исследования радиационного загрязнения любой воздушной среды, не только в районе Во-
АЭС, но и в районах других радиационно-опасных объектов. Созданный программный комплекс «RADExpert может быть использован Гидрометеоцентром и МЧС для численного моделирования и прогноза изменений полей радионуклидов в атмосфере и позволяет пользователям с различным опытом работы с компьютером производить необходимые расчеты независимо от конфигурации рабочего места.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации реализованы:
при выполнении НИР по гранту РФФИ совместно с Администрацией Ростовской области (проект № 04-01-96807) «Решение задач экологической безопасности в районе Ростовской АЭС методами математического моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем»;
в учебном процессе факультета высоких технологий ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет»;
в ООО «Центр радиационной экологии и технологии» для оценки и выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу в районе ВоАЭС.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были доложены, обсуждены и одобрены на: II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2004 г.); XI Всероссийской школе-семинаре «Современные проблемы математического моделирования» (Абрау-Дюрсо, 2005 г.); III Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2006 г.); 13-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Таганрог, 2007 г.); Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2007 г.); Научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Но-
вочеркасск, 2008 г.); IV Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2008 г.); Научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-Дону, 2009 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре лаборатории вычислительного эксперимента ЮГИНФО ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» и на семинаре кафедры «Прикладная математика» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 в соавторстве. Из них 2 статьи в российских рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 6 статей в сборниках трудов и 4 тезисов докладов всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора состоял в анализе процессов, определяющих распространение радионуклидов в атмосфере и формирование индивидуальных доз облучения, в выборе и адаптации математической модели распространения радионуклидов в атмосфере; в разработке программного комплекса «RADExpert»; в проведении и анализе результатов вычислительных экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 166 наименований, и четырех приложений. Общий объем работы 179 страниц, содержит 78 рисунков и 24 таблиц.
Содержание работы
Во введении изложены цель и задачи диссертации, показаны их актуальность, научная и практическая значимость, дано краткое содержание работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Процесс распространения радионуклидов в атмосфере» рассмотрены основные закономерности распространения радионуклидов в ат-
мосфере и методы расчета воздействия ионизирующего излучения. Приводится описание основных форм существования радионуклидов в атмосфере и масштабы распространения. К основным процессам, определяющим рассеяние радионуклидов в атмосфере, относятся: ветровой перенос, турбулентная и молекулярная диффузия, гравитационное оседание, вымывание осадками, взаимодействие с подстилающей поверхностью и вторичное взвихривание. Определены факторы, влияющие на характер среднемасштабного рассеяния примесей: параметры источника, степень устойчивости атмосферы и свойства подстилающей поверхности. Описываются основные дозиметрические величины и методы расчета мощности эквивалентной дозы при внешнем и внутреннем облучении. Также даются определения основных понятий теории разностных схем, используемых в данной работе, описывается построение конечно-разностных аналогов краевых задач, и приводятся различные типы конечно-разностных схем для решения уравнения турбулентной диффузии.
Во второй главе «Математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере» приводится постановка задачи и численный алгоритм ее реализации. Делается сравнительный анализ математических моделей распространения газообразных и аэрозольных примесей в атмосфере и методов построения ветрового поля. Математическая модель процесса распространения газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосфере состоит из двух частей: первая описывает способ построения ветрового поля, а вторая - непосредственное распределение радионуклидов при уже определенном поле скоростей. При расчете мощности дозы учитываются внешнее и внутреннее воздействие, обусловленное р- и у-излучением облака радионуклидов, радионуклидов, расположенных на поверхности, а также в результате ингаляции радионуклидов. Для построения вычислительного алгоритма решения уравнения используется метод расщепления по физическим процессам, который обеспечивает экономичность вычислительных алгоритмов. Также приведены результаты верификации модели с помощью данных наблюдений радиационной обстановки в следе аварийного выброса 1993 г. на радиохимическом заводе Сибирского химиче-
ского комбината. Полученные в результате расчетов значения поверхностной активности с использованием предложенной математической модели достаточно хорошо совпадают с натурными данными (погрешность не превышает 30 %). В третьей главе «Разработка программного комплекса «RADExpert» описывается разработанный программный комплекс для оценки последствий выбросов радионуклидов в атмосферу для района расположения ВоАЭС. На основе анализа современных информационных технологий и программного обеспечения, использующегося для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на ядерно-опасных объектах, определены требования, которые предъявляются к информационному обеспечению для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на такого типа объектах. Приводится сравнительный анализ существующих прогностических систем для моделирования процессов распространения радионуклидов в атмосфере. Программный комплекс «RADExpert» включает следующие системы: геоинформационную, моделирующую и экспертно-аналитическую. Геоинформационная система состоит из цифровых моделей местности, объектов-реципиентов, потенциально-опасного объекта, радиационной обстановки, модуля общения и выполняет функции ввода, хранения и визуализации данных о районе расположения потенциально-опасного объекта (источника выброса). Моделирующая система содержит модули расчета распространения радионуклидов, модуль расчета до-зовых нагрузок, модуль управления расчетом и предназначена для расчета радиационной обстановки, которая может сложиться в результате выбросов радионуклидов в атмосферу. Экспертно-аналитическая система состоит из модуля идентификации параметров моделирования, модуля анализа радиационной обстановки, модуля общения, базы данных и выполняет функции анализа начальных данных, идентификации параметров расчетов, анализа радиационной обстановки и подготовки отчетов. Методика использования комплекса позволяет повысить оперативность и адекватность прогнозирования и оценки последствий при выбросах радионуклидов в атмосферу и включает следующие этапы:
предварительную подготовку информационных ресурсов, ввод и редактирование данных, моделирование и анализ радиационной обстановки.
Программный комплекс «RADExpert» представляет собой многопоточное проблемно-ориентированное программное обеспечение, предназначенное для работы на персональном компьютере под управлением операционных систем MS Windows или Linux. Соответствие функциональных возможностей комплекса задачам прогнозирования и оценки последствий выбросов возможно с помощью классов, разработанных в рамках объектно-ориентированного подхода на языке программирования Java с использованием среды программирования Eclipse Ganymede 3.4, библиотек классов платформы Java SE 6, библиотеки классов ОрепМар 4.6.4, библиотеки классов SwingX 0.9.3 и системы управления базами данных Java DB 10.3.1.4.
В четвертой главе «Результаты вычислительных экспериментов» приводятся основные результаты вычислительных экспериментов для различных типов возможных запроектных аварий на ВоАЭС. Из четырех возможных сценариев запроектных аварий на энергоблоках ВоАЭС лишь запроектная авария 1-го типа приводит к выбросу радионуклидов на высоту 100 м, а во всех остальных случаях (запроектные аварии 2-го типа, 3-го типа и 4-го типа) высота выброса составляет 30 м.
С помощью программного комплекса «RADExpert» моделировались запроектные аварии 1 и 2-го типов для восточного, северо-восточного и юго-восточного направлений ветра, так как восточное направление является преобладающим. Анализ результатов показал, что направлением ветра, создающим наиболее экологически неблагоприятные последствия для г. Цимлянск, является юго-восточное, а для г. Волгодонск - восточное. Попадание загрязнений на водную поверхность Цимлянского водохранилища в случае выброса из трубы АЭС возможно при действии ветров восточного и юго-восточного направлений.
В заключении приводятся основные выводы по выполненной работе.
В приложениях приведены значения коэффициентов, используемых для расчета дозовых нагрузок, пример отчета о радиационной обстановке, формируемого ГИЭМК «RADExpert», руководство пользователя и акты внедрения результатов диссертационной работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для района расположения Во АЭС.
Алгоритм численной реализации трехмерной нестационарной математической модели процесса распространения радионуклидов в атмосфере.
Программный комплекс «RADExpert» для оперативной оценки последствий возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС.
Результаты вычислительных экспериментов для различных типов возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС, которые могут быть использованы для выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу.
Методы расчета воздействия ионизирующего излучения на человека
Радиоактивные примеси являются источниками а-, Р- и у-излучений. а-излучение представляет собой поток ядер 2Не, р-излучение - электронов или позитронов, у-излучение - электромагнитные волны (с длиной волны менее 10" м). Все виды ядерных излучений при прохождении через вещество взаимодействуют с ним. При этом независимо от вида излучения энергия излучения передается атомам вещества и затрачивается на их возбуждение и ионизацию. Поэтому а-, Р" и у-излучения называют ионизирующими излучениями. Ионизация атомов живого вещества может вызывать разрушение молекул и оказывать влияние на биохимическое функционирование клетки и организма в целом. Воздействие ионизирующего излучения на живой организм может происходить по прямому и непрямому пути. Прямое воздействие может происходить посредством внешнего и внутреннего облучения. Внешнее воздействие прямым путем происходит вследствие присутствия в воздухе или на земной поверхности радионуклидов, являющихся источниками излучения. При внешнем облучении а-частицы проникают через кожу на очень малую глубину (порядка нескольких десятков микрометров) и не представляют серьезной опасности. Внешнее воздействие (3- и у-излучений приводит к поражению кроветворных и других внутренних органов. Внутреннее облучение прямым путем происходит при вдыхании радиоактивных частиц (ингаляционный путь). Облучение через дыхательные пути зависит от размеров частиц. Частицы размером менее 0,1 мкм не задерживаются в организме и удаляются при выдохе вместе с воздухом [1]. При размерах от 0,1 до 5 мкм частицы могут задерживаться и оседать в легких. Частицы, обладающие размером более 5 мкм, задерживаются в носовой полости. К непрямому пути воздействия относится внутреннее облучение радиоактивными частицами, попавшими в организм с зараженной пищей и водой (пероральный путь) и через открытые раны.
Количественной характеристикой радиоактивного источника является его активность. Активностью AJ j-то радионуклида в образце называется отношение числа dNJ спонтанных ядерных переходов из одного определенного ядерного состояния радионуклида в другое к интервалу времени dt [1, 32, 51, 68, 119]: или, согласно закону радиоактивного распада:
Единицей измерения активности в международной системе единиц (СИ) является беккерель (Бк). В радиоактивном источнике с активностью 1 Бк происходит 1 акт распада за 1 секунду. В качестве внесистемной единицы измерения активности также используется кюри (Ки), равная активности 1 г радия (1 Ки=3,7-1010Бк).
Полная активность А образца равна сумме парциальных активностей AJ всех входящих в него радионуклидов:
Для количественной оценки воздействия ионизирующего излучения на вещество в практических задачах используют понятия поглощенной, эквивалентной и экспозиционной доз [1, 24, 30, 32, 43, 62]. Поглощенной дозой излучения DJ, создаваемой у -ым радионуклидом, называется величина, равная отношению средней энергии у-го радионуклида dEJ, переданной в результате ионизации веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
Единицей поглощенной дозы в СИ является грей (Гр), соответствующий поглощению 1 Дж энергии в 1 кг облученного вещества. Существует также, внесистемная единица поглощенной дозы - рад. Один рад соответствует поглощению 100 эрг энергии в 1 г облученного вещества (1 рад=100 эрг/г.). Единицы измерения поглощенной дозы связаны соотношением - 1 Гр=100 рад.
Для фотонов от поглощенной дозы в воздухе Deo3d к поглощенной дозе в биологической ткани DmK можно перейти с помощью выражения [1, 32, 81]: где ju, /лт - массовые коэффициенты поглощения энергии для ткани и воз-духа соответственно (м /кг).
Для количественной оценки эффекта воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань используется эквивалентная доза. Эквивалентная доза Hj, обусловленная воздействием излученияу -го радионуклида на весь организм, пропорциональна поглощенной дозе [24, 32, 70]
Математическая постановка задачи распространения радионуклидов в атмосфере
Математическая модель распространения радионуклидов в атмосфере состоит из двух частей, одна из которых описывает динамику атмосферы, а вторая - распределение пассивных примесей при уже определенном поле скоростей. Для построения поля скорости ветра используется полуэмпирическая модель, разработанная в Институте математического моделирования РАН [7], в которую внесены необходимые модификации в соответствие с рассмотренной задачей. Основная идея данной модели — многоступенчатая процедура, состоящая из построения начального приближения и последующих его корректировок. Эта модель используется для вычисления поля скорости ветра над местностью со слабохолмистым рельефом. При этом в виду малости вертикальных-движений в атмосфере над горизонтальной однородной подстилающей поверхностью [11] вертикальная компонента скорости ветра полагается равной нулю. Полагается, что при наличии небольших возвышений рельефа данное условие выполняется. Поскольку показания с метеостанций снимаются через определенные промежутки времени (метеоэпизоды), в рассматриваемой модели скорость и направление ветра полагаются постоянными в течение каждого метеоэпизода.
На первом шаге строится начальное приближение для ветрового поля на высоте анемометра. Предполагается, что изначально величина и направление ветра на высоте анемометра известны только в точках расположения метеостанций. В качестве начального приближения в какой-либо иной точке можно использовать значение, измеренное на ближайшей метеостанции.
На втором шаге рассчитывается вертикальный профиль ветра: выполняется построение начального приближения ветрового поля во всей рассматриваемой трехмерной области. Вычисление производится с помощью степенных эмпирических формул следующего вида где w0, v0 - горизонтальные компоненты скорости ветра V - V(u,v,w) на высоте анемометра, м/с; ha — высота анемометра, м; т - показатель степени, зависящий от класса устойчивости атмосферы, значения которого даны в табл. 2.1. Высота анемометра ha равна 10 м. В работе учтена возможность выполнения первого и второго этапов построения ветрового поля в обратной последовательности: сначала определяется вертикальный профиль ветра над метеостанциями, а затем для каждого атмосферного слоя строиться начальное приближение.
На третьем этапе построенное начальное приближение для поля ветра модифицируется таким образом, чтобы выполнялось уравнение неразрывности, т. е. чтобы его дивергенция была равна нулю. Процедура зануления дивергенции описана в [90].
На четвертом этапе с помощью эмпирической формулы вводится поправка на ветровое поле, обусловленная влиянием гладких возвышенностей. Здесь / - вертикальный температурный градиент; /z, - высота возвышения в данной точке; Тт - средняя температура окружающей среды; /г, максимальная высота возвышения в окрестности определенного размера данной точки.
На пятом этапе рассчитывается поворот ветра из-за наличия препятствий: где Frc/. - некоторое его критическое значение.
На шестом этапе производится итерационное сглаживание ветрового поля на разностной сетке [135] согласно формуле: где k — номер итерации, г = 0,..., N , j = 0,..., N y - номера узла.
На седьмом этапе вновь происходит зануление дивергенции ветрового поля. Математическая модель переноса пассивных радиоактивных примесей (радионуклидов) в атмосфере [11, 13, 65] основывается на нестационарном трехмерном уравнении турбулентной диффузии для средних значений объемных активностей z -ой компоненты примесей Av в прямоугольных декартовых координатах. Так как число Маха М «1, то полагается, что плотность воздуха постоянна (р = const) и среда несжимаема (divK = 0). Подстилающая поверхность считается плоской, так как в рассматриваемом регионе отсутствуют сколько-нибудь значимые орографические неоднородности. Высота верхней границы расчетной области отсчитывается от подстилающей поверхности. Исходными данными для математического моделирования являются данные, получаемые с метеостанций, расположенных внутри расчетной области. Метеостанции могут определять скорость и направление анемометрического ветра, класс устойчивости атмосферы, интенсивность и тип осадков и другие физические величины, которые могут изменяться в пространстве и во времени. При этом их значения предполагаются известными только в точках расположения метеостанций в начальные моменты метеоэпизодов. Для экстраполяции физических величин на всю рассматриваемую область используется способ, предложенный в работе [90] и описанный выше в данной главе. Исходная задача рассматривается в области где ось х направлена на юг, ось у — на восток, а ось z — вертикально вверх.
Обзор и сравнительная оценка прогностических систем для поддержки принятия решений при аварийных выбросах радионуклидов в атмосферу
В настоящее время существуют информационные системы, предназначенные для решения различных задач, связанных с прогнозированием распространения примесей в атмосфере. Например, экологический программный комплекс «Zone» [120], позволяющий рассчитывать рассеяние примеси в результате мгновенного и продолжительного выбросов, предназначен для оценки предельно допустимых концентраций. В рамках комплекса реализована модель рассеяния лагранжевых частиц [159]. Расчет доз отсутствует. Комплекс работает на персональном компьютере в операционной среде MS-DOS.
Программный комплекс «Чистый воздух - расчет рассеяния», разработанный ООО «Экологическая фирма «Лазурит», предназначен для проведения работ по экологической сертификации, паспортизации и аудиту [87]. Расчет рассеяния загрязняющих веществ проводится в соответствии с ОНД-86 [63].
Программный комплекс «Гарант-Универсал», разработанный НПО фирмой «Гарант» [88], предназначен для расчета рассеяния вредных веществ в соответствии с ОНД-86, формирования проекта предельно допустимых выбросов, экологического паспорта предприятия и таблиц «Инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу» в соответствии со стандартными формами. В составе комплекса имеется программа «НУКЛИД», которая используется для расчетов полей среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в приземном слое атмосферы, годовых выпадений на почву, а также доз облучения от среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в атмосферном воздухе и от выпадений их на почву.
Система Recass - это система информационной поддержки решения задач чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийным загрязнением окружающей среды. Основными задачами системы Recass [89] являются сбор, обработка, систематизация и хранение данных мониторинга, представление результатов анализа состояния загрязнения на контролируемой территории, моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере, расчет индивидуальных и коллективных доз. В системе используются возможности геоинформационных систем, реализованы модели, основанные на разных методиках и, как следствие, имеющих разную оперативность. Система Recass предназначена для работы в операционной среде UNIX.
Программный комплекс «Призма» [115], разработанный в НИИ «ЛОГУС», предназначен для автоматизированной поддержки принятия решений по формированию комплекса воздухоохранных мероприятий для предприятия на основе рассчитанных полей приземных концентраций. Предусмотрена возможность работы программного комплекса с геоинформационными системами ArcView/ArcInfo и САПР AutoCAD.
Система «Нострадамус» [4], разработанная в ИБРАЭ РАН, предназначена для расчета развития обстановки в результате аварий на ядерно-опасных объектах в реальном режиме времени. Расчет динамики концентраций происходит на основе лагранжевой стохастической модели рассеяния примесей. Поля концентраций используются для расчета доз. Система реализована для работы на персональном компьютере в операционных средах MS-DOS и MS Windows.
Прикладная геоинформационная система PRANA [121], предназначена для поддержки принятия решений по реабилитации радиоактивно загрязненных территорий. Система представляет собой совокупность отдельных специализированных геоинформационных систем, применяемых для исследований моделей расчета доз, рисков и оптимизации структуры контрмер.
Программный комплекс «АРИА» [34, 37] представляет собой проблемно-ориентированное программное обеспечение, предназначенное для поддержки принятия решений по минимизации последствий аварийного выброса радиоактивных веществ в атмосферу. Программный комплекс «АРИА» представляет собой многопоточное, многооконное приложение, предназначенное для работы на персональном компьютере в операционной системе MS Windows (98-ХР). Многопоточность приложения позволяет выполнять расчеты параллельно с управлением и визуализацией результатов. При создании приложения использованы методы объектно-ориентированного программирования. Использование методов OLE-технологий позволяет подготовить отчет, содержащий текстовую, табличную и графическую информацию, в виде документа Microsoft Word. Программный комплекс «АРИА» обладает следующими достоинствами: а) организация геоинформационной системы в виде совокупности ЦМ объектов и местности позволяет добавлять и удалять объекты, эффективно управлять режимами визуализации информации (изменять масштабы отображения, скрывать/отображать отдельные объекты, изменять способ отображения объекта, получать доступ к атрибутивным данным объекта), отслеживать изменение радиационной обстановки; б) организация моделирующей системы в виде расчетных модулей позволяет изменять используемые модели расчета распространения примесей в приземном слое атмосферы и оценки их воздействия, а также расширять класс решаемых задач путем внесения дополнительных модулей; в) наличие в экспертно-аналитической системе аналитических модулей и баз данных позволяет проводить прогнозные расчеты при различных параметрах аварийной ситуации и метеоусловиях, анализировать радиационную обстановку объектов геоинформационной системы, вырабатывать рекомендации в соответствии с нормами радиационной безопасности и с учетом местных условий.
Таким образом, в настоящее время программные комплексы разрабатываются на основе геоинформационных или экспертных систем, в структуре которых присутствуют моделирующие блоки. С помощью программных комплексов решаются задачи нормирования выбросов предприятий, определения среднегодовых концентраций и значений доз, расчета приземных концентраций примесей и дозовых нагрузок населения в результате аварийных выбросов в атмосферу и анализа рисков населения. Расчеты проводятся с использованием моделей различной сложности, масштабности и оперативности. Однако программных комплексов, интегрирующих возможности геоинформационных, моделирующих и экспертных систем для оперативной подготовки решений при аварийном выбросе радиоактивных веществ в атмосферу, используемых службами гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций, аварийно-техническими центрами, существует явно недостаточно.
Исследование распространения радионуклидов при ЗА-1 на ВоАЭС
С помощью программного комплекса «RADExpert», реализующего описанную в главе 2 математическую модель, проводились вычислительные, эксперименты для моделирования последствий ЗА-1 при различных метеорологических условиях. Причина выбора данного типа аварии заключается в том, что из четырех возможных сценариев запроектных аварий на энергоблоках Волгодонской АЭС лишь ЗА-1 приводит к выбросу радионуклидов на высоту 100 м, а во всех остальных (ЗА-2 — ЗА-4) высота выброса составляет 30 м. Изучение временной динамики аварийного выброса при аварии ЗА-1, продолжающейся 10 суток, с аналогичными расчетами для 5 и 6-го энергоблоков Балаковской АЭС с реакторными установками ВВЭР-1000 [58] показало, что, как правило, основная часть активности выбрасывается в течение первых 24 ч после аварии. На такой период времени допустимо принять предположение о неизменности погодных условий в районе размещения станции, но используемая в программном комплексе «RADExpert» математическая модель позволяет уменьшить этот период до продолжительности одного метеоэпизода (3 или 6 ч). В качестве области моделирования был выбран прямоугольный параллелепипед размером 200x200x1 км, так как математическая модель, использованная в программном комплексе «RADExpert», является мезо- р -масштабной (горизонтальные размеры моделируемой области 20-200 км). Шаг по времени вычисляется автоматически из условия устойчивости явной схемы Ван Лира. Горизонтальные шаги, регулярной сетки hx=hy-2 км, по вертикали h, =20 м. Размер сетки 101x101x51.
Рассматривался точечный источник загрязнения, находящийся в центре области моделирования, высота которого равна 100 м. Источник действует в течение 10 суток. Класс атмосферной стабильности - D (нейтральная стратификация). В качестве радиоактивных загрязняющих веществ рассматривались газообразные и аэрозольные радионуклиды, перечень которых приведен в табл. 4.1. Для газообразных радионуклидов скорость гравитационного оседания wg равна нулю.
Вертикальная компонента скорости ветра равна нулю. Анализ розы ветров для района расположения ВоАЭС указывает на преобладание ветров восточного направления. Поэтому моделировались ситуации для восточного, северовосточного и юго-восточного направлений ветра со скоростью 5 м/с. Также восточное направление скорости ветра является важным по причине расположения к западу от ВоАЭС крупных населенных пунктов (города Цимлянск и Волгодонск). На рис. 4.1-4.6 представлены выпадения Cs и суммарные выпадения всех аэрозольные радионуклидов на поверхностный слой почвы, соответствующие различным направлениям ветра через 1 и 2 ч после начала аварии.
Предположения, что направление и скорость ветра, а также класс устойчивости атмосферы в течение метеоэпизода не претерпевают существенных изменений, приводят к относительной локализации выбрасываемой в окружающую среду активности и, соответственно, к определенному консерватизму в прогнозных оценках радиационных последствий данной аварии для населения. Сравнение результатов вычислительных экспериментов с результатами, полученными для ЗА-1 в [82], показывает достаточно хорошее согласование между собой.
