Способ уточнения прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ Российский патент 2024 года по МПК G01T1/169 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области организации и проведения выявления радиационной обстановки после аварийного выброса в атмосферу радиоактивных веществ, в частности к методологии прогнозирования конфигурации участков радиоактивного загрязнения местности. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ.

2. Уровень техники

В качестве аналога изобретения рассмотрено известное из области техники техническое решение, имеющее назначение, совпадающее с назначением настоящего изобретения - уточнение прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ.

Из области техники известен способ определения параметров радиоактивного загрязнения местности с использованием прогноза и дальнейшим его уточнением 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, характеризующие скорость (мощность) выброса, его высоту и длительность, радионуклидный и дисперсный состав аэрозоля [1], [2]. Высокая точность определения распределения уровней радиации на местности обеспечивается проведением инструментальной радиационной разведки местности с использованием подвижных технических средств [3], [4]. Однако ее выполнение требует значительного времени и больших материальных ресурсов, так как исследованию подвергается вся территория вокруг аварийного объекта [5].

Известен способ уточнения конфигурации радиоактивного загрязнения местности, основанный на использовании данных лидарного зондирования облака и результатов измерений мощности дозы гамма-излучения [6]. При этом зондирование облака осуществляется на всем временном отрезке его существования, а измерение мощности дозы осуществляется только один раз на начальном участке радиоактивно загрязненной местности.

С помощью одночастотного лидара зондируется радиоактивное облако, при этом проводится N серий зондирований, в ходе каждой из которых исследуется весь объем облака. По результатам зондирования определяются координаты центра облака где 1<i<N, и устанавливаются распределения интенсивности эхосигнала вдоль линий l_i, проходящих через центр облака в направлениях, перпендикулярных текущему направлению движения облака. Выявленные экспериментальные распределения аппроксимируются ненормированным нормальным законом и устанавливаются максимальные значения эхосигнала J_(M)i и дисперсии эхосигнала . После окончания выпадения радиоактивного аэрозоля на начальном участке следа облака выброса проводятся измерения мощности дозы гамма-измерения вдоль линии g1, являющейся ортогональной проекцией линии l₁ на поверхность земли при проведении первой серии зондирования облака. Полученные данные аппроксимируются ненормированным нормальным законом и устанавливаются максимальное значение мощности дозы гамма-излучения P_(M)1 и дисперсия поля мощностей доз вдоль линии g₁. На следующем этапе вычисляются нормировочные коэффициенты, определяющие соотношение между данными зондирования облака и уровнями радиации на поверхности

Результаты зондирования облака в последующих сериях позволяют прогнозировать параметры распределения уровней радиации вдоль каждой линии g_,i:

где i=2,3,…,N.

На следующем этапе определяют ширину опасной зоны на различном расстоянии до точки выброса

где P_гр - значение мощности дозы гамма-излучения на границе опасной зоны.

Точки A_i и B_i на границе опасной зоны определяют на расстоянии ΔS от точки (х_(ц)i у_(ц)i) вдоль линии gi Соединение одной линией точек A_i, а. затем другой линией - точек B_i позволяет установить границы опасной зоны радиоактивного загрязнения.

Практическая реализация изложенного способа имеет ряд трудностей. В частности, если выброс мощный и кратковременный, то для его регистрации лидарная система должна находиться в непрерывном режиме работы. С учетом малой вероятности аварийных ситуаций и трудностью обеспечения непрерывной работы в течение длительного времени мощной лидарной системы практическое использование описанного способа затруднительно.

С другой стороны, выброс может быть непрерывным в течение достаточно длительного времени и представлять собой струю аэрозоля, результаты зондирования которой не позволят получить требуемые для обработки исходные данные. Выброс может содержать мелкий аэрозоль и иметь малую концентрацию. При этом для достаточно длительного выброса загрязнение поверхности земли может быть очень существенным. В то же время такой выброс может характеризоваться низким уровнем эхо-сигнала и вообще не регистрироваться приемной системой лидара даже на небольшом расстоянии. Поэтому недостатком указанного способа является невозможность его применения при зондировании длительного по времени аварийного выброса.

Таким образом, существенным недостатком рассмотренного способа является низкий уровень достоверности прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ.

Указанный аналог выбран в качестве прототипа, так как обладает наибольшим сходством с предлагаемым техническим решением, поскольку ему присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков настоящего изобретения.

Техническая проблема состоит в необходимости обеспечения достоверного прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ.

Техническая проблема решена разработкой способа уточнения положения и размеров зоны радиоактивного загрязнения местности на основе результатов измерений мощности дозы гамма-излучения, определения положения реперных точек, подбора исходных параметров выброса и метеорологических данных и корректирования результатов прогноза.

3. Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что способ уточнения прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ включает прогноз опасной зоны радиоактивного загрязнения местности и уточнение ее положения и размера на основе результатов измерений мощности дозы гамма-излучения, при этом выполняют прогноз поля мощностей доз гамма-излучения и осуществляют определение границы опасной зоны путем построения изолинии, вдоль которой наблюдается минимально опасное значение мощности дозы гамма-излучения; определяют положение двух реперных точек, реально расположенных на границе опасной зоны, на основе измерений мощности дозы при перемещении по маршруту, перпендикулярному оси прогнозируемой опасной зоны радиоактивного загрязнения; осуществляют начальное уточнение прогноза изменением прогнозируемого положения опасной зоны путем поворота вокруг точки аварийного выброса так, чтобы центральная линия опасной зоны проходила через точку аварийного выброса и середину отрезка, соединяющего две реперные точки; проводят измерения мощности доз при перемещении по маршруту, направленному вдоль уточненной центральной линии опасной зоны и определяют положение третьей реперной точки; уточняют ширину и протяженность опасной зоны на основе подбора исходных параметров выброса и метеорологических данных так, чтобы ее граница проходила через все три реперные точки.

Предлагаемое техническое решение уточнения прогнозируемой конфигурации радиоактивного загрязнения местности на следе выброса промежуточной или большой длительности основывается на использования только результатов измерений мощности дозы гамма-излучения на поверхности земли.

Распределение мощности дозы гамма-излучения на радиоактивно загрязненной местности после прохождения облака описывается нормальным законом. В случае если выброс произошел в точке с координатами (0,0), а направление и скорость среднего ветра при формировании загрязнения не изменялись, то распределение имеет вид [2]

где Р₀ (х) - максимальная мощность дозы гамма-излучения, обусловленная прохождением дискретного облака (клуба) на расстоянии х от точки выброса;

- дисперсия распределения мощности дозы в сечении следа на расстоянии х от точки выброса.

В том случае если минимально опасный уровень радиации равен Р_гр, то преобразование (4) позволяет задать изолинию, ограничивающую опасную зону радиоактивного загрязнения

Задаваемые с использованием выражения (5) изолинии имеют эллиптическую форму. При этом размер эллипса увеличивается с уменьшением значения Р_гр. Вариант изолиний мощности дозы гамма-излучения на местности после прохождения облака радиоактивного аэрозоля от мгновенного выброса представлен на фиг. 1 [2].

Непрерывный выброс можно представить как сумму отдельных (дискретных) облаков (клубов), в каждом из которых примесь распределена по нормальному закону [7]. Следовательно, после длительного выброса распределение уровней радиации в некотором рассматриваемом сечении следа может быть представлено следующим образом

где t_н, t_к - моменты начала и окончания прохождения выброса промежуточной (большой) длительности над рассматриваемым сечением следа;

P_o(t) - максимальная мощность дозы гамма-излучения, обусловленная прохождением дискретного облака (клуба) в момент времени t;

y_о (t) - центр нормального распределения, обусловленного загрязнением после прохождения дискретного облака (клуба) в момент времени t;

- дисперсия нормального распределения, обусловленного загрязнением после прохождения дискретного облака (клуба) в момент времени t.

Известно [8], что если функция ƒ(x) непрерывна на отрезке [a,b], то в интервале (а,b) существует такое число X, что

Следовательно, выражение (4) можно преобразовать следующим образом

где t_h<t_s<t_k.

Введя обозначение

получаем нормальный закон распределения уровней радиации в рассматриваемом сечении следа после выброса промежуточной или большой длительности

В работе [2] проведены расчеты по определению конфигурации области радиоактивного загрязнения поверхности для выброса протяженностью 1 год. В качестве исходных данных были взяты частоты повторений скорости и направления ветра, расположенных по 16 секторам, для различных классов стабильности атмосферы по данным Ханфордской метеорологической башни. Из полученных данных, представленных на фиг. 2 видно, что изолинии мощности дозы гамма-излучения от выпавшего аэрозоля, содержащего радионуклид Cs-137, имеют форму, достаточно близкую к форме изолиний для мгновенного выброса.

Из проведенного анализа следует, что изолинии, ограничивающие опасную зону радиоактивного загрязнения местности, в случае произвольных параметров выброса будут иметь форму, близкую к эллиптической. Трудность определения правильных размеров и положения эллипса, ограничивающего опасную зону, обуславливаются тем, что невозможно точно определить мощность (скорость) выброса радиоактивных веществ. Кроме того, невозможно точно определить параметры среднего ветра при формировании загрязнения.

Предлагаемое техническое решение, позволяющее преодолеть указанные трудности, заключается в уточнении положения, ширины и протяженности опасной зоны радиоактивного загрязнения на основе использования минимально возможного количества измерений мощности дозы гамма-излучения.

Вначале необходимо выполнить прогноз распределения поля мощностей доз Р(х,у) на следе облака радиоактивного выброса, используя имеющиеся данные о параметрах выброса, величине и направлении среднего ветра при формировании загрязнения поверхности земли. Задав граничную (максимально допустимую) величину мощности дозы Р_гр,, возможно определить границу области с опасным уровнем радиоактивного загрязнения на основе использования выражения вида (5).

Последующие действия направлены на уточнение положения установленной границы опасной области. Для этого проводят измерения мощности дозы гамма-излучения, двигаясь по маршруту, пересекающему прогнозируемый след перпендикулярно заданному направлению среднего ветра. В процессе измерений необходимо определить положение двух точек А и В, в которых будет наблюдаться мощность дозы, равная Р_гр.

В идеальном случае точка С, лежащая на середине отрезка [АВ], будет находится на центральной линии действительного реального следа. На практике ее положение будет находиться на некотором удалении от центральной линии, что вполне допустима, так как решается вопрос об уточнении прогноза, обладающего существенно большой погрешностью.

Уточненное положение центральной линии радиоактивного следа определяется точкой выброса и точкой С. Данная линия служит следующим маршрутом, при движении по которому проводят измерения мощности дозы гамма-излучения. Движение осуществляется в направлении от точки выброса, а конечной целью является определение положения точки D, в которой наблюдается величина мощности дозы, равная Р_гр.

Следующая операция заключается в таком подборе параметров, описывающих мощность выброса, скорость и направление ветра, чтобы вновь определенная граница области опасного радиоактивного загрязнения прошла через все три установленные точки с мощностью дозы Р_гр. Практическое выполнение данной операции может быть осуществлено различными способами, начиная от графического построения с помощью лекал на топографической карте, и заканчивая разработкой программы для решения системы соответствующих уравнений относительно рассматриваемых параметров и построения границы зоны на экране монитора.

Таким образом, совокупность существенных признаков является необходимой и достаточной для достижения технического результата - повышение достоверности прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ.

4. Краткое описание графических материалов

Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображены варианты осуществления изобретения.

На фиг. 1 изображена изолинии мощности дозы гамма-излучения от радиоактивного загрязнения местности после прохождения облака мгновенного выброса аэрозоля с радионуклидом Cs¹³⁷ активностью 10⁶ Кюри из трубы высотой 70 м при сравнительно стабильных метеорологических условиях и скорости ветра 5 м/с.

На фиг. 2 изображены изолинии мощности дозы гамма-излучения от радиоактивного загрязнения местности через 1 год после начала выброса аэрозоля с радионуклидом Cs¹³⁷ со скоростью 1 Кюри/с из трубы высотой 70 м.

На фиг. 3 представлен прогноз конфигурации и положения изолинии мощности дозы гамма-излучения 1 мрад/ч для модели радиоактивного загрязнения местности на следе мгновенного выброса и заданное положение точек А, В и D, в которых наблюдается мощность дозы 1 мрад/ч.

На фиг. 4 представлен результат уточнения прогноза конфигурации и положения изолинии мощности дозы гамма-излучения 1 мрад/ч для модели радиоактивного загрязнения местности на следе мгновенного выброса.

На фигурах использованы следующие обозначения:

А, В - реперные точки, в которых наблюдается граничная (максимально допустимая) величина мощности дозы Р_гр;

С - середина отрезка, соединяющего две реперные точки А, В;

D - реперная точка, расположенная на линии между точкой выброса и точкой С, в которой наблюдается граничная (максимально допустимая) величина мощности дозы Р_гр.

5. Осуществление изобретения

Способ уточнения прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ, заключается в прогнозе опасной зоны радиоактивного загрязнения местности и уточнении ее положения и размера на основе результатов измерений мощности дозы гамма-излучения, отличается тем, что выполняют прогноз поля мощностей доз гамма-излучения и осуществляют определение границы опасной зоны путем построения изолинии, вдоль которой наблюдается минимально опасное значение мощности дозы гамма-излучения; определяют положение двух реперных точек, реально расположенных на границе опасной зоны, на основе измерений мощности дозы при перемещении по маршруту, перпендикулярному оси прогнозируемой опасной зоны радиоактивного загрязнения; осуществляют начальное уточнение прогноза изменением прогнозируемого положения опасной зоны путем поворота вокруг точки аварийного выброса так, чтобы центральная линия опасной зоны проходила через точку аварийного выброса и середину отрезка, соединяющего две реперные точки; проводят измерения мощности доз при перемещении по маршруту, направленному вдоль уточненной центральной линии опасной зоны и определяют положение третьей реперной точки; уточняют ширину и протяженность опасной зоны на основе подбора исходных параметров выброса и метеорологических данных так, чтобы ее граница проходила через все три реперные точки.

Для пояснения порядка осуществления предлагаемого способа представлен модельный пример.

Источник выброса располагается в точке с координатами (0,0). Первоначально полагается, что средний ветер направлен вдоль оси ОХ. Прогнозируемое поле мощностей доз гамма-излучения имеет общий вид (4), а его распределение вдоль оси следа характеризуется логарифмически-нормальным законом распределения

где Р_mах=10 рад/ч - максимальная величина мощности дозы гамма-излучения на оси следа;

х₀=15 км - координата точки с максимальным значением мощности дозы гамма-излучения на оси ОХ;

s=15 - относительная дисперсия распределения значений мощности дозы вдоль оси ОХ.

Выбранный вид распределения аппроксимирует модельные распределения, используемые в работе [2].

Распределение уровней радиации в сечении следа характеризуется средне-квадратическим отклонением, обусловленным близким к неустойчивому состоянию атмосферы при формировании загрязнения местности [2]

Изолиния прогнозируемого поля Р(х,у), вдоль которой наблюдается мощность дозы Р_гр=1 мрад/ч, изображена на фиг. 3. Первый маршрут, вдоль которого проводят измерения, задается значением х=25. В результате проведенных измерений установлено, что точки, в которых наблюдается уровень радиации 1 мрад/ч, имеют координаты

В этой связи установлены координаты точки С (25,14.5).

Точка выброса с координатами (0,0) и точка С определили второй маршрут, измерения вдоль которого позволили определить, что точка D, в которой также наблюдается 1 мрад/ч, имеет координаты (46,27).

Проведенные расчеты показали, что принадлежность точек А, В и D границе изолинии обеспечивается следующим изменением параметров:

- направление ветра должно составлять 30 градусов относительно оси ОХ выбранной системы координат;

- максимальная мощность дозы на оси следа должна быть увеличена до 50 рад/ч;

- распределение уровней радиации в сечении следа характеризуется сред-неквадратическим отклонением, обусловленным близким к устойчивому состоянию атмосферы при формировании загрязнения местности [2]

На фиг. 4 показаны результаты уточнения прогноза расположения изолинии с граничным уровнем радиации 1 мрад/ч.

Список литературы

1 Седунов Ю.С., Борзилов В.А., Клепикова Н.В., Чернокожий 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 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.

3 Защита от оружия массового поражения / Под ред. В.В. Мясников. - М.: Воениздат, 1989. - 398 с.

4 Садовников Р.Н. Оценка достоверности решений по защите населения после крупномасштабной радиационной аварии // Экологические приборы и системы. - 2004 г. - № 4. - С. 55-57.

5 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.

6 Пат. 2478988 Российская Федерация, МПК G01T 1/169. Способ выявления радиационной обстановки после выброса радиоактивных веществ в атмосферу [Текст] / Садовников Р.Н., Бойко А.Ю., Кухоткин С.В., Федосеев В.М., Шлыгин П.Е; заявитель и патентообладатель ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России. - №2011144489; заявл. 02.11.2011; опубл. 10.04.2013.

7 Садовников Р.Н., Бойко А.Ю. Особенности прогнозирования распространения облака выброса при крупномасштабной аварии // Необратимые процессы в природе и технике: Труды VI Всероссийской конференции 26-28 января 2011 г. Ч. I. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 364 с. Стр. 27-28.

8 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. Под общ. ред. И.Г. Арамановича. Изд. 4-е. - М.: Наука, 1977.-832 с.

Изобретение относится к физическим измерениям в области радиационных излучений, в частности к методам определения области загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ. Техническая проблема решается путем уточнения прогноза конфигурации участков радиоактивного загрязнения местности на основе результатов измерений мощности дозы гамма-излучения, определения положения реперных точек, подбора исходных параметров выброса и метеорологических данных и корректирования результатов прогноза. 4 ил.

Способ уточнения прогноза конфигурации загрязнения местности после аварийного выброса радиоактивных веществ, заключающийся в прогнозе опасной зоны радиоактивного загрязнения местности и уточнении ее положения и размера на основе результатов измерений мощности дозы гамма-излучения, отличающийся тем, что выполняют прогноз поля мощностей доз гамма-излучения и осуществляют определение границы опасной зоны путем построения изолинии, вдоль которой наблюдается минимально опасное значение мощности дозы гамма-излучения; определяют положение двух реперных точек, реально расположенных на границе опасной зоны, на основе измерений мощности дозы при перемещении по маршруту, перпендикулярному оси прогнозируемой опасной зоны радиоактивного загрязнения; осуществляют начальное уточнение прогноза изменением прогнозируемого положения опасной зоны путем поворота вокруг точки аварийного выброса так, чтобы центральная линия опасной зоны проходила через точку аварийного выброса и середину отрезка, соединяющего две реперные точки; проводят измерения мощности доз при перемещении по маршруту, направленному вдоль уточненной центральной линии опасной зоны, и определяют положение третьей реперной точки; уточняют ширину и протяженность опасной зоны на основе подбора исходных параметров выброса и метеорологических данных так, чтобы ее граница проходила через все три реперные точки.