Радиоактивной примеси в атмосфере

Известно, что степень влияния радиоактивных примесей при выбросах с АЭС определяется уровнем их приземных концентраций. Оценка последних может быть получена в рамках моделей, различающихся как способом опи­сания диффузионных процессов, так и описанием турбулентности в погра­ничном слое атмосферы. Эти различия могут играть значительную роль в формировании концентрации радиоактивной примеси как на различных рас­стояниях от источника, так и в различных метеорологических условиях, определяя, таким образом, характерную область применимости той или иной модели.

Основные требования к модели, предполагаемой к использо­ванию в системе радиационного мониторинга исходя из ее эксплуатацион­ных качеств, были приведены в П.1 настоящего приложения. Теперь рассмотрим краткую характе­ристику моделей, основанную на сравнении значений приземных концентра­ций трассера1 SO₂, полученных как расчетным путем [1-3], так и экспериментально [4]. Расчетные значения концентраций были получены на основе различных методик: модели Института экспериментальной мете­орологии (ИЭМ); модели МАГАТЭ [1]; модели, основанной на решении зам­кнутой системы уравнений пограничного слоя (ВНИИАЭС) [2]; лагранжево-эйлеровой модели (ЛЭ) и эйлеровой модели (Э)2 [3].

В модели МАГАТЭ распределение концентраций загрязняющих частиц в атмосфере при постоянной скорости ветра описывается из предположения двойного распределения в уравнении Гаусса. Концентрация примеси сог­ласно этой модели существенно зависит от двух параметров – горизон­тальной s_у и вертикальной s_z дисперсий координат частиц примеси. К основным недостаткам гауссовых моделей можно отнести слабую обоснован­ность использования закона распределения Гаусса примеси по вертикали, а также условность типизации (условное разделение состояния устойчи­вости атмосферы на шесть классов) метеорологических условий [5], хотя нельзя отрицать и определенных удобств при таком подходе. Разнооб­разие гауссовых моделей в значительной степени связано с различными методами оценок этих величин.

Наиболее широко используемыми методами являются: метод Пасквилла–Гиффорда, основанный на номограммах для шести классов устойчивости атмосферы: метод, основанный на учете вер­тикального градиента температуры; метод, основанный на учете флуктуации ветра; метод «разделенной сигмы» и т.д. Модель отличается значительной простотой в использовании, ее рекомендуют применять для расстояний не более 10 км (в направлении ветра) при высоте источников не выше 100 м.

В основе моделей эйлера и лагранжа лежит возможность матема­тического представления движения жидкости (воздушной среды) в перемен­ных Эйлера или Лагранжа. В первом случае аргументом является совокуп­ность координат точек пространства, а компоненты вектора скорости жид­кости в данной точке пространства являются функциями этих координат и времени. Во втором – рассматривают некоторую бесконечно малую частицу жидкости в фиксированный момент времени t₀ с координатами (x₀,y₀,z₀)и, перемещаясь вслед за ней, определяют ее координаты в последующие мо­менты как функции времени и ее начальных координат. Таким образом, во втором случае скорости частиц представляют собой производные от коор­динат по времени. Используя каждый подход в той или иной модели, соответственно, получают модели Эйлера или Лагранжа.

Эйлеров подход обладает рядом преимуществ по сравнению с гауссовыми моделями, поскольку позволяет учесть нестационарность источника выброса, влияние простран­ственных и временных вариаций метеорологических величин на распростра­нение примеси, использовать полуэмпирические

модели приземного слоя атмосферы для более реалистического описания турбулентности.

Эйлеровы модели также различаются между собой в зависимости от способа получе­ния метеорологических величин – скорости ветра и коэффициента турбулен­тной диффузии. К такого типа моделям относится и модель работы [2], в которой метеорологические параметры получают на основе решений замкну­той системы уравнений пограничного слоя атмосферы. Эти модели в отли­чие от гауссовых достаточно сложны, требуют значительного времени счета на ЭВМ, что до недавнего времени сдерживало их практическое ис­пользование. Однако широкое распространение персональных ЭВМ высокого уровня полностью решило эти проблемы, что и позволяет использовать эти модели в режиме реального времени (on line) при проведении диагности­ческих прогнозов по загрязнению внешней среды при авариях на АЭС.

При заданных метеорологических параметрах (продольной и попереч­ной скоростях ветра, коэффициенте турбулентной диффузии и поперечной (относительно направления распространения примеси) дисперсии) не суще­ствует принципиальных проблем расчета концентраций в любой точке прос­транства в направлении выброса примеси. Если и возникают определенные затруднения в оценке концентрации в поле пространственно-временных измерений скорости ветра, то они, в первую очередь, связаны с некорректным измерением этих метеовеличин. При сложной орографии поверхности обычно используют дополнительные данные [1], а при оценке концентрации на расстояниях свыше 50–100 км необходимо использовать данные метеорологичес­кой сети Роскомгидромета, но эти проблемы уже не относятся к компетен­ции атомных станций.

Определенное преимущество перед эйлеровыми имеют модели, основан­ные на лагранжевом подходе. В этих моделях непрерывная струя обычно представляется в виде последовательности дискретных выбросов – клубов. Для каждо­го клуба рассчитывается траектория его движения в меняющемся во време­ни и пространстве поле ветра и рассчитывается диффузионный перенос в направлениях перпендикулярных к траектории. Концентрацию примеси в лю­бой точке пространства представляют как сумму вкладов от каждого лагранжевого элемента.

В Лагранжево-Эйлеровой модели [4] переноса и рассеяния примеси горизонтальный перенос примеси описывается с помощью понятия лагранжевой траектории движения клуба примеси, а для описания атмосферной диф­фузии клуба в вертикальном направлении на каждом шаге вычисления гори­зонтальной траектории решают полуэмпирическое одномерное уравнение тур­булентной диффузии. В горизонтальном направлении, перпендикулярном тра­ектории клуба, концентрация примеси описывается гауссовой функцией с дисперсией, зависящей от продолжительности распространения клуба и ус­тойчивости атмосферы.

Модель достаточно сложна, и при ее использовании в целях прогнозирования загрязнения окружающей среды, кроме измерений скорости ветра, температуры, направления ветра на нескольких уровнях в приземном слое атмосферы, необходимых для расчета таких параметров как масштаб Монина–Обухова L и динамической скорости V_*, требует измерения вектора скорости ветра на эффективной высоте и величины геострофического ветра на высоте пограничного слоя атмосферы, что, в свою очередь, требует шаропилотного зондирования атмосферы. Лагранжево-Эйлерову мо­дель наиболее целесообразно использовать для оценки загрязнения воздуш­ного бассейна при трансграничном переносе радиоактивной примеси (свыше 1000 км и более).

Таким образом, из краткого анализа моделей следует, что каждая из рассмотренных имеет как преимущества, так и недостатки, поэтому резуль­таты сравнения расчетных и экспериментальных данных должны показать достоинство той или иной модели, используемой для оценки и прогнози­рования радиоактивного загрязнения окружающей среды при выбросах АЭС в регионе, определяемом размерами зоны наблюдения (R ~ 30 – 40км).

Список литературы к П.9. Приложения 14

1. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности (серия изданий по безопасности № 50-SG-S3). Вена: Международное агентство по атомной энергии, 1982.

2. Елохин А.П., Pay Д.Ф. Гибридный метод прогнозирования загрязнения окружающей среды радиоактивной примесью, поступающей в атмосферу при выбросах с АЭС. // Методы расчета распространения радиоак­тивных веществ в окружающей среде и доз облучения населения. М.: МХО ИНТЕРАТОМЭНЕРГО, 1992. С. 91, 283-303.

3. Шкулиц Ш., Дюрон Ю., Слабы Е., Гаргер Е., Беспалов М. Основные по­ложения математичес-

кой модели распространения радиоактивных приме­сей, разработанной в рамках НТД СЭВ (тема

II.05..50). // Сб. докла­дов семинара «Современные методы математического моделирования рас­пространения радиоактивных примесей в атмосфере при нарушении нор­мальных условий эксплуатации АЭС». М., 1989.

4. Гаргер Е.К., Буйков М.В., Талерко Н.Н. Сравнение различных методик распространения примеси с экспериментальными данными. // Международ­ный семинар по вопросу разработки методик расчета размеров зон пла­нирования и подготовки мероприятий по защите населения в случае запроектной аварии на АЭС и совещание по обсуждению содержания мето­дики оценки изотопного состава, величины активности и характера аварийного выброса в атмосферу в зависимости от времени, активности в топливе и состоянии барьеров и систем безопасности. Сборник док­ладов. Варна: 1990.

5. Глущенко А.И., Лайхтман Д.Л., Натанзон Г.А., Петров О.Г., Хамьянов Л.П. О выборе метода расчета рассеяния радиоактивных примесей, выбрасы­ваемых АЭС в атмосферу. // Атомные электрические станции: Сб. статей /Под общ. ред. Л.П. Воронина. М.: Энергоиздат, 1981. Вып. 4. С. 154-158.