П.6. ПС «НОСТРАДАМУС» ИБРАЭ

Одно из немногих аттестованных ПС «НОСТРАДАМУС» предназначено для оперативного (автономного) прогнозирования радиационной обстановки при выбросах радиоактивных материалов во время аварий на АС и других ядерных объектах. Система может быть использована для поддержки принятия решений в реальном времени на начальной (острой фазе) радиационной аварии [1,2]. Организацией-разработчиком ПС «НОСТРАДАМУС» является ИБРАЭ РАН. Математическая модель, используемая в указанном ПС, относится к Лагранжево - стохастической модели распространения радионуклидов в атмосфере, которая рассмотрена в Приложении № 18. Эта модель требует существенно больше вычислительных ресурсов и времени для расчета, чем Гауссовы модели, но возможности современной компьютерной техники позволяют проводить расчеты в рамках этой модели в режиме реального времени.

ПС позволяет рассчитывать следующие данные:

- мгновенные значения приземных концентраций для каждого радионуклида;

- временные интегралы концентраций;

- мощности дозы и дозы от каждого радионуклида (или суммарные от всех нуклидов) на разные органы, с учетом возрастных групп и по разным путям облучения:

- внешнее облучение от радиоактивного облака,

- внешнее облучение от загрязненной поверхности,

- внутреннее облучение от ингаляционного поступления радионуклидов.

«НОСТРАДАМУС» содержит две дозиметрических модели для вычисления дозы внешнего облучения от загрязненного воздуха. По первой модели определяется доза от однородного облака бесконечной протяженности с заданной плотностью активности. Эта простая модель используется, когда размеры радиоактивного облака достаточно велики. Однако она становится некорректна, когда характерный масштаб изменения плотности активности сопоставим или меньше характерной длины пробега фотонов в воздухе. В этих случаях применяется другая дозиметрическая модель, позволяющая корректно рассчитывать дозу облучения от облака произвольной формы и размеров.

В этой модели мощность дозы рассчитывается как сумма мощностей от всех пробных точек, составляющих облако. Каждая точка рассматривается как точечный источник с известными активностью и нуклидным составом. Для того, чтобы избежать при расчете прогноза громоздких вычислений с суммированием по энергетическому спектру излучения каждого нуклида, зависимости мощности дозы от точечного источника, как функции от расстояния до точки измерения, для всех нуклидов рассчитаны заранее и введены в базу данных. Поэтому для вычисления мощности дозы от любой пробной точки необходимо лишь произвести интерполяцию между табличными значениями.

Метеорологические условия и параметры источника могут меняться со временем.

Возможное использование программы: подготовка прогнозной информации при аварийном реагировании; тренинг, обучение, подготовка и проведение деловых игр; расчеты последствий при различных сценариях развития аварийных ситуаций для обоснования безопасности объектов использования атомной энергии.

Тип объекта использования атомной энергии - любые объекты, на которых возможны аварийные выбросы радиоактивных веществ в атмосферу.

Моделируемые режимы – любые режимы, связанные с аварийными выбросами активности в атмосферу.

Расчет атмосферного переноса в простых метеорологических условиях.Программа не может использоваться для моделирования переноса в особых метеорологических условиях – в атмосферных фронтах, при бризовой циркуляции, при горно-долинной циркуляции.

Допустимые значения параметров:

- скорость ветра 0,5 - 15м/с

- высота источника 0 - 150 м

- размер области моделирования 50 м - 60 км от источника

- выброс – мгновенный, кратковременный или продолжительный (до нескольких суток).

Точность расчета определяется точностью используемых входных данных, таких, как интенсивность источника, данные о ветре, классе устойчивости атмосферы.

При наличии достоверной информации об источнике и о параметрах атмосферной дисперсии модель дает несмещенную оценку, т.е. отклонения в обе стороны практически равновероятны, и распределение имеет максимум, приходящийся на измеренное значение.

Отклонение величины приземной концентрации на расстояниях до 60 км с вероятностью 90% укладывается в один порядок величины. Отклонение максимума концентрации на оси следа на заданном расстоянии с вероятностью 90% не превышает 3. Не наблюдается зависимости точности прогноза от расстояния (при криволинейной форме следа вместо расстояния от источника следует использовать путь, пройденный вдоль следа). Оценка точности остается в силе и в том случае, когда приземная концентрация в заданной точке формируется при наложении нескольких траекторий.

Результаты расчета имеют некоторый случайный разброс вокруг среднего значения в силу стохастического характера модели, в которой распространение выброса представляется движением большого количества пробных точек (метод Монте-Карло). При числе пробных точек N=2000 дисперсия результатов расчета составляет 30%. Эта величина может быть уменьшена путем увеличения количества точек, причем уменьшение будет пропорционально , но при этом увеличится время расчета.

Для расчета концентрации радиоактивной примеси в атмосфере используется полуэмпирическое нестационарное уравнение адвекции-диффузии с учетом неоднородных полей ветра и коэффициента диффузии. Метод решения – метод статистических испытаний (модифицированный метод Монте-Карло).

Исходные данные для расчета:

1) Метеорологические данные:

- скорость и направление ветра на высоте 10 м (эта величина соответствует стандартному объему данных на приземном уровне, передаваемых метеостанциями и метеопостами Российской гидрометеослужбы (высотный профиль скорости ветра восстанавливается с помощью включенной в код модели пограничного слоя атмосферы);

- класс устойчивости атмосферы (если нет информации по классу устойчивости, вводятся синоптические данные для его оценки: время года, суток; облачность, видимость;наличие снежного покрова);

- интенсивность осадков.

2) Источник:

- высота выброса;

- длительность выброса;

- полная активность в выбросе;

- нуклидный состав выброса;

- скорость гравитационного осаждения аэрозольных частиц;

- скорость сухого осаждения;

- коэффициент вымывания осадками.

3) Данные о местности:

- Шероховатость;

- рельеф (если нет данных, рельеф считается плоским).

Система может быть использована для моделирования распространения выброса любого материала, в том числе токсичных веществ в газовой и/или аэрозольной форме с последующим выпадением на почву, но имеет углубленную ориентацию на объекты атомной энергетики и выбросы радиоактивных веществ в атмосферу. Она содержит базу данных по свойствам радионуклидов (коэффициенты дозового преобразования, периоды полураспада).

Выходными данными системы являются приземные объемные активности нуклидов, плотности радиоактивных выпадений, а также прогнозируемые дозы и мощности дозы от разных нуклидов и по разным путям облучения.

Результаты моделирования в процессе расчетов отображаются на карты местности в виде контурных линий уровня или закрашенных областей. По окончании расчета варианта можно просмотреть графические временные зависимости выбранных функций в ряде точек или их зависимости от расстояния и угла. Также предусмотрены различные типы выходных текстовых файлов – документов для самостоятельной обработки с помощью других стандартных программных продуктов.

Система позволяет анализировать различные по масштабам аварии – от локальной (длительностью несколько часов) до достаточно серьезной (несколько суток по времени выброса или распространения и с зоной охвата от 50 м до 60 км). Описание модели, программного средства, части верификационных экспериментов опубликовано в [2-7].

Из сравнения с экспериментальными данными показано [2], что результаты более сложных моделей, внедренных в систему, по крайней мере, не хуже используемых нормативных методик [8-10] в их областях применимости, а при расширении этих областей адекватно описывают влияние более сложных исходных данных, заложенных в моделях.

Список литературы к П.6. Приложения № 14

1. НОСТРАДАМУС. Компьютерная система прогнозирования и анализа радиационной обстановки на ранней стадии аварии на АЭС. Инструкция пользователя. ИБРАЭ РАН, инв.№ 3429, М., 2001.

2. Верификация компьютерной системы “НОСТРАДАМУС” для прогнозирования радиационной обстановки на ранней стадии аварии на АЭС. Верификационный отчет. ИБРАЭ РАН, инв.№ 3431, М., 2001.

3. Arutunjan R.V., Bolshov L.D., Belikova G.V., Sorokovikova O.S. et al. Models of Radionuklides Transport in Atmosphere from Integrated Software Package NOSTRADAMUS. Preprint NSI-31-94, 1994.

4. Арутюнян Р.В., Беликов В.В., Беликова Г.В., Сороковикова О.С. и др. Ком-пьютерная система НОСТРАДАМУС для поддержки принятия решений при аварийных выбросах на радиационно опасных объектах. Известия академии наук, серия Энергетика, № 4, 1995.

5. Арутюнян Р.В., Беликов В.В., Беликова Г.В., Сороковикова О.С. и др. Новые эффективные численные методики моделирования процесса распространения радионуклидов в атмосфере и их практическое использование. Известия академии наук, серия Энергетика, № 4, 1995.

6. Беликов В.В., Беликова Г.В., Фокин А.Л., Сороковикова О.С. и др. Анализ сравнения нормативных моделей переноса радионуклидов в атмосфере с лагранжевой моделью, используемой в интегрированном пакете “NOSTRADAMUS”. Препринт ИБРАЭ РАН, 1996.

7. Grisenko A.I., Belov N.S., Semenov V.N., Sorokovikova O.S. The Unique Experiments on the Assessment of Accident Consequences at the Gas Transport Systems. Society for Risk Analysis-EUROPE, Stockholm, 1997, p.724-729.

8. Сборник правил и норм по радиационной безопасности в атомной энергетике, т.3. МЗ СССР, М., 1989.

9. Steven R.Hanna, Gary A.Briggs, Rayford P.Hosker Handbook on atmospheric diffusion. Technical Information Center U.S. Department of Energy, 1982, p.91.

10. User’s Guide for CAP88-PC. U.S. Environmental Protection Agency. Las Vegas, 1992.