бжд. Практикум Издательство Иркутского государственного технического университета 2015
 Скачать 2.74 Mb.
|
|
Аварии на АЭС и других ядерных энергетических установках К основным источникам загрязнения окружающей среды радиоак- тивными веществами (РВ) относятся производственные предприятия, до- бывающие и перерабатывающие сырье, содержащее РВ, атомные электро- станции (АЭС), радиохимические заводы, научно-исследовательские ин- ституты и др. объекты. АЭС являются составной частью довольно сложной совокупности ядерного производства, называемой ядерно-топливным комплексом или циклом (ЯТЦ). Он включает в себя: – добычу и переработку урановой руды с получением химических концентратов урана (рудодобывающие и рудоперерабатывающие заводы), – получение чистых соединений урана из концентратов (аффинаж- ные заводы), – производство гексафторида урана и разделение его изотопов (заво- ды по получению гексафторида и разделению его изотопов), – изготовление топлива для получения энергии на АЭС, – переработку отработавшего (облученного) на АЭС ядерного топ- лива (радиохимические заводы или заводы по регенерации топлива), 53 – отработку отходов, хранение или захоронение средне- и высоко- токсичных отходов и транспортировку ядерных продуктов между пред- приятиями ЯТЦ. К числу основных причин радиационного рискаобъектов ЯТЦ обыч- но относят: – неправильное хранение высокоактивных ядерных отходов; под ра- диоактивными отходами понимают непригодные к использованию в настоящее время и в обозримом будущем жидкие и твердые материалы и предметы, содержащие радионуклиды в концентрации, превышающей ПДК или ПДУ (предельно допустимые концентрации и уровни); – аварии ядерных реакторов и на предприятиях по переработке облу- ченного топлива; – низкоактивные радиоактивные выбросы при нормальной эксплуа- тации объектов ЯТЦ (главным образом, ядерных реакторов и радиохими- ческих предприятий); – нарушение технологической дисциплины. Классификация аварий на объектах ядерно-топливного цикла Аварии на радиационно-опасных объектах подразделяются на: – проектные – аварии, для которой определены исходные события аварийных процессов, характерные для того или иного объекта или радиа- ционного узла, конечные состояния (контролируемые состояния элементов и систем объекта после аварии), предусмотрены системы безопасности, обеспечивающие ограничение последствий аварий установленными преде- лами. – проектные с наибольшими последствиями (максимально проект- ные) – характеризуются наиболее тяжелыми исходными событиями, обу- славливающими возникновение аварийного процесса на данном объекте. Эти события приводят к максимально возможным рамкам установленных проектных пределов радиационным последствиям. – запроектные (гипотетические) – аварии, которые вызываются не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями и сопровож- дается дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности. Основными и наиболее опасными источниками ионизирующих из- лучений и радиоактивного заражения окружающей среды являются аварии на АЭС. Под радиационными авариями на АЭС понимают нарушение их без- опасной эксплуатации, при котором произошел выход радиоактивных про- дуктов и (или) ионизирующего излучения за предусмотренные проектом для нормальной эксплуатации границы в количествах, превышающих установленные значения. 54 Аварии на АЭС в зависимости от характера и масштабов послед- ствий подразделяют на четыре категории: Первая – локальная авария. Происходит выход радиоактивных про- дуктов за предусмотренные границы оборудования, технологических си- стем, зданий и сооружений. Количество выброшенных радиоактивных ве- ществ превышает установленные значения, но зона радиоактивного за- грязнения внешней среды не выходит за пределы промплощадки АЭС. Вторая – местная авария. Выход радиоактивных веществ происхо- дит за пределы промплощадки, но область радиоактивного загрязнения находится внутри санитарно-защитной зоны АЭС. В указанной зоне воз- можно облучение персонала в дозах, превышающих допустимые, а кон- центрация радиоактивных веществ в воздухе и уровень радиоактивных за- грязнений поверхностей в помещениях и на территориях АЭС, а также в санитарно-защитной зоне может быть выше допустимой. Третья – средняя авария. Область радиоактивного загрязнения выхо- дит за пределы санитарно-защитной зоны, но локализуется в пределах ближайшего города, района. Четвертая – крупная авария. Область радиоактивного загрязнения выходит за пределы 100 км и охватывает несколько областей, республик, государств или один или несколько городов с количеством населения бо- лее 1 млн человек. Международным агентством по атомной энергетике разработана шкала событий на АЭС. В соответствии с этой шкалой аварии на АЭС подразделяются также по характеру и масштабам последствий, а некото- рые – и по причинам, их вызвавшим. Радиоактивное заражение при аварии АЭС может происходить за счет выброса парогазовой фазы (авария без разрушения активной зоны). При этом высота выброса может составлять 150–200 м, время выброса – 20–30 мин. Более серьезной аварией является выброс продуктов деления из реактора (авария с разрушением активной зоны). При этом радиоактивные продукты выбрасываются на высоту 2–3 км, продолжительность выброса – несколько суток до окончания герметизации реактора. В процессе развития аварии, связанной с выбросом радиоактивных веществ, обычно выделяют три стадии: 1. Ранняя стадия– включает два периода: период до начала выброса, когда уже имеет место потенциальная возможность облучения за предела- ми радиационно-опасного объекта, и период, в течение которого происхо- дит большая часть выброса. Особенностью ранней фазы является то, что принимаемые решения по мерам защиты основываются на прогнозе и дан- ных объектовой системы контроля. По мере поступления информации о радиационной обстановке за пределами объекта принятые решения под- тверждаются или корректируются. 55 2. Промежуточная стадия– охватывает период, который начинает- ся с первых нескольких часов после начала выброса и длится в течение не- скольких дней и более. Основным источником данных для дозовых оценок в этой фазе являются измерения мощностей доз облучения от загрязненной поверхности земли, объектов и т. п. и концентрации радиоактивных ве- ществ в воздухе, воде и пищевых продуктах. 3. Поздняя стадия– иногда называемая восстановительная, характе- ризуется нормализацией обстановки. Она может продолжаться, в зависи- мости от величины и радионуклидного состава выброса, характера и раз- меров зоны загрязнения, от нескольких недель до нескольких лет. Характер радиоактивного заражения при авариях на АЭС имеют ряд особенностей: 1. Длительность радиоактивного заражения окружающей среды вследствие наличия в смеси изотопов веществ с большим периодом полу- распада (уран – 235, Т 1/2 = 700 млн лет; стронций – 90, Т 1/2 = 28,6 года; це- зий – 137, Т 1/2 = 30 лет и т. д.). 2. Сложность конфигурации границ зон заражения вследствие про- должительности выбросов и изменения за это время направления ветра (распространение РВ в одном направлении составляет 3–12 часов). 3. «Очаговое» заражение в дальней (более 1000 км) зоне. При авариях на АЭС с выбросом радиоактивных веществ возникают районы радиоактивного заражения (загрязнения) местности (РЗМ) в форме окружности (в районе аварии ) и вытянутого эллипса (по следу облака ) – правильной формы при нормальных топо- и метео- условиях и неправиль- ной – при ненормальных (сложных ) топо- и метеоусловиях ( пересеченная местность, изменение направления и скорости ветра и др. ). Воздействие радиоактивного заражения местности на людей осу- ществляется в виде облучения: – внутреннего – с воздухом, пищей, водой – внешнего – от проходящего облака и радиоактивных веществ, вы- павших на подстилающую поверхность – контактного – от радиоактивных веществ на кожных покровах, одежде. В разделе 2 приведены практические работы, позволяющие оценить аварийные риски. 56 2. Практические работы Практическая работа 1 Оценка риска при аварии со взрывами Цель работы: познакомиться с разными типами моделей оценки аварийных рисков для людей и материальных ресурсов и научиться оцени- вать обстановку при аварийных взрывах. Теоретические положения Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях проводятся для заблаговременного принятия мер по предупреждению ЧС, смягчению их последствий, ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий. В результате оценки определяют: Радиус зоны поражения; Степень ущерба материальным ресурсам; Степень травмирования людей; Вероятность причинения ущерба людям и материальным ресурсам. При прогнозировании последствий опасных явлений используют де- терминистскую и вероятностную модели. В детерминистской модели определенной величине негативного воздействия поражающего фактора соответствует вполне конкретная степень поражения людей и материаль- ных ресурсов (инженерно-технических сооружений). Например, при де- терминистском способе прогнозирования поражающий эффект ударной волны определяется избыточным давлением во фронте ударной волны ΔР ф (кПа), в зависимости от которого находится степень поражения людей и инженерно-технических сооружений. Этот подход отражают табл. 1.1 и 1.2. Таблица 1.1 Зависимость степени поражения человека от избыточного давления во фронте ударной волны (ΔР ф (кПа)) ΔР ф (кПа) <10 10–40 40–60 60–100 >100 Степень поражения человека Безопасный уровень Легкая (ушибы, повреждения слуха) Средняя (кро- вотечения, вы- вихи, сотрясе- ния мозга) Тяжелая (конту- зии, разрывы внутренних органов) Смертель- ное пораже- ние При использовании вероятностной модели подход иной: при воз- действии одной и той же дозы негативного воздействия предполагается, что поражающий эффект будет различен в зависимости от категории лю- дей и типа материальных ресурсов. Другими словами, негативное воздей- ствие поражающих факторов носит вероятностный характер. 57 Таблица 1.2 Зависимость степени разрушения зданий от избыточного давления во фронте ударной волны (ΔР ф (кПа)) Объект Разрушения * полное сильное среднее слабое Здания жилые: Кирпичные многоэтажные Кирпичные малоэтажные Деревянные 30–40 35–45 20-30 20–30 25–35 12–20 10–20 15–25 8–12 8–10 8–15 6–8 Примечание:* слабые разрушения – повреждения или разрушения крыш, окон, дверных проемов, ущерб 10–15 % стоимости здания; средние разрушения – разрушения крыш, окон, перегородок, чердачных перекрытий, верхних этажей, ущерб – 30–40 %; сильные разрушения – разрушение несущих конструкций и перекрытий, ущерб – 50 %, ремонт нецелесо- образен; полное разрушение – обрушение зданий. При использовании вероятностной модели подход иной: при воз- действии одной и той же дозы негативного воздействия предполагается, что поражающий эффект будет различен в зависимости от категории лю- дей и типа материальных ресурсов. Другими словами, негативное воздей- ствие поражающих факторов носит вероятностный характер. Величина ве- роятности поражения Р пор (эффект поражения) измеряется в долях единицы или % и определяется по функции Гаусса через пробит-функцию: Р пор = f[Pr(D)], где Pr – пробит-функция, которая в общем виде записывается как D b a ln Pr , где a и b – эмпирические коэффициенты, характеризующие степень опас- ности поражающего фактора; D – переменная, зависящая от уровня поражающего фактора. В табл. 1.3 представлен вид пробит-функции для разных степеней по- ражения человека и разрушений зданий. Таблица 1.3 Вид пробит-функции при поражающем действии ударной волны Степень поражения Пробит-функция (Pr) 1 2 Поражение человека 1. разрыв барабанных пе- репонок 2. контузия 3. летальный исход ф P ln 524 , 1 6 , 12 Pr 3 1 2 1 0 0 3 , 1 1 2 , 4 ln 74 , 5 5 Pr m P P P ф I P P ф ф 3 10 9 , 1 38 , 7 ln 44 , 2 5 Pr 58 Окончание табл. 1.3 1 2 Разрушение зданий 1. слабые разрушения 2. средние разрушения 3. сильные разрушения 5 9 , 3 11 , 0 6 , 4 ln 26 , 0 5 Pr I P ф 3 , 9 4 , 8 29 , 0 5 , 17 ln 26 , 0 5 Pr I P ф 3 , 11 4 , 7 46 , 0 40 ln 22 , 0 5 Pr I P ф В этой табл. m – масса человека, кг; P 0 – атмосферное давление, кПа; I + – импульс фазы сжатия, кПа∙с. Для определения вероятности поражения через пробит-функцию ис- пользуют табл. 1.4. Таблица 1.4 Соотношение между значениями пробит-функции и вероятностью поражения Р, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 – 2,67 2,95 3,12 3,25 3,36 3,45 3,52 3,59 3,66 10 3,72 3,77 3,82 3,90 3,92 3,96 4,01 4,05 4,08 4,12 20 4,16 4,19 4,23 4,26 4,29 4,33 4,36 4,39 4,42 4,45 30 4,48 4,50 4,53 4,56 4,59 4,61 4,64 4,67 4,69 4,72 40 4,75 4,77 4,80 4,82 4,85 4,87 4,90 4,92 4,95 4,97 50 5,00 5,03 5,05 5,08 5,10 5,13 5,15 5,18 5,20 5,23 60 5,25 5,28 5,31 5,33 5,36 5,39 5,41 5,44 5,47 5,50 70 5,52 5,55 5,58 5,61 5,64 5,67 5,71 5,74 5,77 5,81 80 5,84 5,88 5,92 5,95 5,99 6,04 6,08 6,13 6,18 6,23 90 6,28 6,34 6,41 6,48 6,56 6,64 6,75 6,88 7,05 7,19 99 7,33 7,37 7,41 7,46 7,51 7,58 7,65 7,75 7,88 8,09 Для определения зависимости избыточного давления во фронте ударной волны от расстояния до эпицентра взрыва конденсированного (твердого) взрывчатого вещества часто используют формулу Садовского: 3 2 3 2 3 1 1300 390 95 R G R G R G P тнт тнт тнт ф , (1.1) где R – расстояние до эпицентра взрыва; G тнт – тротиловый эквивалент взорвавшегося вещества, кг, определя- ется по формуле G Q Q G тнт вв тнт , (1.2) 59 где Q вв и Q тнт – энергия взрывов рассматриваемого взрывчатого вещества и тротила соответственно, кДж/кг; G – масса взорвавшегося конденсированного вещества, кг. Импульс фазы сжатия (кПа∙с) для конденсированного (твердого) взрывчатого вещества находится по формуле R G I тнт 3 2 4 , 0 (1.3) Для случая взрыва парогазовоздушного облака формула Садовского будет иметь вид: 3 2 3 2 3 1 505 303 81 R m R m R m P пр пр пр ф , (1.4) где m пр – приведенная масса пара или газа, участвующего во взрыве, кг, рассчитывается по формуле mZ Q Q m тнт вв пр , (1.5) где Q вв и Q тнт – энергия взрывов рассматриваемого взрывчатого вещества и тротила соответственно, кДж/кг; m – масса газообразного вещества, поступившего в окружающее про- странство, кг; Z – коэффициент участия горючих газов или паров в горении. Импульс фазы сжатия (кПа∙с) для взрыва парогазовоздушного облака находится по формуле R m I пр 3 2 123 , 0 (1.6) Остальные необходимые формулы для расчета параметров взрыва различных взрывчатых веществ см. учебное пособие С.С. Тимофеева, Т.И. Дроздова «Теория горения и взрыва» – Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2007 г и последующие издания этого учебного пособия. Пример задачи: на складе взрывчатых веществ хранится октоген массой G = 50 000 кг. На расстоянии 100 м от склада находится одноэтаж- ное здание механических мастерских, а на расстоянии 500 м – поселок с многоэтажными кирпичными зданиями. Энергия взрыва октогена 5860 кДж/кг, энергия взрыва тротила 4520 кДж/кг. Найти вероятность различ- ных разрушений зданий механических мастерских и зданий в поселке. Решение: найдем тротиловый эквивалент взорвавшегося октогена: кг G тнт 823 64 000 50 4520 5860 Избыточное давление во фронте ударной волны на уровне механиче- ских мастерских (100 м от эпицентра): 60 кПа P ф 36 , 185 100 823 64 1300 100 823 64 390 100 823 64 95 3 2 3 2 3 1 100 Полученная величина избыточного давления соответствует полному разрушению здания механических мастерских (табл. 1.2). Избыточное давление во фронте ударной волны на уровне поселка (500 м от эпицентра): кПа P ф 8 , 10 500 823 64 1300 500 823 64 390 500 823 64 95 3 2 3 2 3 1 500 Определим вероятность разрушений зданий в поселке по пробит- функции, предварительно рассчитав импульс фазы сжатия: с кПа I 29 500 823 64 4 , 0 3 2 Таким образом, определим вероятность слабых разрушений: 86 , 5 29 11 , 0 8 , 10 6 , 4 ln 26 , 0 5 Pr 5 9 , 3 По табл. 1.4 значению пробит-функции равной 5.86 соответствует вероятность слабых разрушений 81 %. Для средних разрушений: 95 , 3 29 29 , 0 8 , 10 5 , 17 ln 26 , 0 5 Pr 3 , 9 4 , 8 По табл. 1.4 значению пробит-функции равной 3.95 соответствует вероятность средних разрушений 14 %. Для сильных разрушений: 87 , 2 29 46 , 0 8 , 10 40 ln 22 , 0 5 Pr 3 , 11 4 , 7 По табл. 1.4 значению пробит-функции равной 2,87 соответствует вероятность сильных разрушений 2 %. |