Гринда
Форум        |       Ссылки
 

 

Оценка радиоэкологической опасности затонувших объектов на примере АПЛ "Комсомолец
И.В.Лисовский
Санкт-Петербургский государственный технический университет
Ю.А.Убранцев
1 Центральный научно-исследовательский институт МО РФ (кораблестроения ВМФ)

В задачи исследования входила разработка методов оценки пространственного распределения радионуклидов в воде и на дне океана и прогноза изменения этого распределения во времени с учетом данных экспедиций экспедиционных исследований и разработка алгоритма прогноза возможных последствий поступления радионуклидов в морскую среду для критических групп населения и критических звеньев биоты с учетом трофических цепей. Решение указанных задач было необходимо для достижения основной цели - оценки возможных радиоэкологических последствий выхода радионуклидов из затонувшей апл "Комсомолец".
Для решения поставленных задач разработана обобщенная модель оценки радиоэкологических последствий выхода радионуклидов в морскую среду. Целью моделирования являлось последовательно и взаимосвязанно описать процесс миграции радионуклидов от источника по возможным трофическим цепям до человека с учетом условий состояния морской среды в районе действия источника, видового состава сообществ гидробионтов, их миграции в течение года, особенностей и характера добычи морепродуктов и их потребление критическими группами населения.
Затонувшее судно с ядерным реактором на борту рано или поздно должно стать источником поступления в окружающую среду радионуклидов, накопленных в активной зоне реактора при его работе. Время появления этого источника, его мощность и изменение этой мощности во времени зависят от большого числа факторов, многие из которых носят случайный характер. Это, например, место, масштаб и характер повреждения I контура, разрушение корпуса и переборок реакторного отсека, состояние активной зоны перед аварией, гидрологические условия в районе затопления и др. Случайный характер указанных факторов, а также отсутствие точных данных о возможных скоростях коррозии материалов в конкретных условиях, делают любую прогнозируемую модель выхода радионуклидов приближенной. В рассматриваемом случае наиболее простой может быть модель коррозионного разрушения и выщелачивания радионуклидов непосредственно из топливной композиции. Для придания этой модели свойств более близких к реальным следует дополнительно учесть наличие и развитие сквозных повреждений в оболочке тепловыделяющих элементов, а также накопление и конвективный перенос нуклидов из объема I контура в объем отсека и далее в окружающую среду. Так как процессы коррозии и конвективного массопереноса зависят от температурных полей, то модель должна также учитывать тепловыделение в активной зоне и перенос тепла в окружающую среду.
Результаты, описываемые ниже, получены на упрощенной модели коррозионного разрушения активной зоны с учетом тепло- и массопереноса:
* принята линейная зависимость скорости коррозии от температуры, скорость коррозии выбрана на основании соответствующих требований по коррозионной стойкости, применяемых материалов;
* модель массо- и теплопереноса в окружающую среду основана на обычных дифференциальных уравнениях. Введены уравнения только для пяти укрупненных элементов: активная зона реактора; I контур; металлоконструкции I контура; вода в реакторном отсеке; металлоконструкции реакторного отсека;
* зависимость остаточного тепловыделения от времени принята по эмпирической формуле.
Из числа радионуклидов, образующихся в активной зоне при работе, в настоящее время интерес представляют только три - цезий-137, стронций-90 и плутоний-239. Расчеты выполнялись только для цезия, т.к. стронций образует в морской воде нерастворимые соединения , выпадающие в осадок очевидно еще в пределах I контура. Содержание плутония в активной зоне данного типа реактора крайне мало. В расчетах принималось, что реакторный отсек и I контур были повреждены в момент удара корабля о грунт. Принято - площадь раскрытия I контура 5 см2, площадь отверстий в ограждении реакторного отсека - 2 м2, суммарная площадь сквозных деффектов в оболочках тепловыделяющих элементов в момент аварии - 80 см2. Естественно, что результаты, полученные на основе модели с перечисленными условностями и допущениями, не могут претендовать на точность. Однако, усложнение модели при полностью отсутствующих данных о масштабе и характере повреждений также не может повысить точность результатов.
При принятой гипотезе разгерметизации I контура и ограждений реакторного отсека, за счет остаточных тепловыделений температура I контура возрастала кратковременно, первые несколько суток. Через 5 суток после аварии она могла достигать 110 С. Затем температура монотонно падала. Удельная активность воды I контура сначала (за счет конвективного обмена с забортной водой) монотонно падала. {После снижения тепловыделений} Спустя 250 суток она стала возрастать снова, достигнув второго максимума примерно через два года после аварии. В настоящее время удельная активность в I контуре монотонно снижается за счет естественного распада в условиях дальнейшего уменьшения конвективного обмена. После первого максимума, имеющего место после раскрытия контура, выброс снижался в течение около 200 суток, а затем возрастал и достиг второго максимума примерно через 3 года после гибели апл, т.е. весной 1992 г. Этот максимум имел величину около 100 МБк/сутки. Таким образом, прогнозируемый максимум годового выхода цезия в окружающую среду составляет 5.0Е(10) Бк/год. Полученная оценка хорошо совпадает с оценкой сделанной по результатам морских экспедиций в район гибели пл "Комсомолец" 1992-1994 гг. (3.7Е(9)-3.7Е(11) Бк/год).
При наличии на затонувшей апл ядерных боезапасов, основным источником радиоэкологической опасности является оружейный плутоний-239. В боезапасе затонувшей апл "Комсомолец" содержится около 1.5Е(13) Бк оружейного плутония-239. При затоплении этот материал оказывается в прямом контакте с морской водой, в результате чего может начаться его коррозионное разрушение и вынос в окружающую среду. При расчетах использовались два варианта модели выхода плутония:
* предполагается, что скорость выхода подчиняется экспоненциальному закону с периодом "полувыхода" 24 часа. Этот вариант соответствует гипотезе о том, что вся масса плутония прокорродировала внутри спе-циальной оболочки и при разрушении этой оболочки за довольно короткий промежуток времени весь плутоний поступил в окружающую среду ("залповый" выброс);
* предполагается, что скорость выхода {также} подчиняется экспоненциальному закону с периодом "полувыхода" 10.000 часов. Этот вариант соответствует случаю практически постоянного поступления плутония в окружающую среду, скорость поступления определяется скоростью коррозионного разрушения.
Расчет распространения радионуклидов в воде и на поверхности дна производился путем численного интегрирования соответствующей системы дифференциальных уравнений. При этом учитывались приливно-отливные и постоянные течения, турбулентная диффузия и процессы осаждения взвесей, а также биологический перенос.
Расчеты проводились для дна и придонного слоя толщиной 50 м, концентрация в котором считалась постоянной по глубине. Коэффициент накопления плутония-239 во взвесях и донных отложениях Кd принят равным 1.0Е(4). Результаты расчетов представлены в таблицах 1 и 2. Из таблиц следует , что долговременные последствия для дна мало зависят от скорости и характера выхода плутония.
В экспедиции 1994 г. показано, что отдельные виды зооценоза в районе гибели пл "Комсомолец" могут служить переносчиками радионуклидов из глубинных слоев океана в поверхностные и служить пищей планктоноядных рыб. В этом смысле наибольшее значение имеют веслоногий рачек Calanus hyperboreus и бокоплав Themisto olyssorum. Для оценки возможных последствий выхода плутония из затонувшей апл проведен анализ динамики, масштаба и интенсивности миграции радионуклида по цепочке: водная среда-зоопланктон-планктоноядные рыбы-человек.
Для первого постулируемого варианта выхода плутония-239 в окружающую среду (период "полувыхода" - 24 ч) максимальная концентрация данного радионуклида в воде составит 0.27-2.7 Бк/л. Пятно загрязнения воды придонного слоя с таким уровнем будет существовать менее 500 часов, затем концентрация спадет на один порядок. При втором варианте выхода плутония (период "полувыхода" - 10.000 ч) загрязнение воды в начальный период достигает только 0.027 Бк/л, но пятно с такой концентрацией будет существовать значительно дольше - до 5000 часов.
В настоящее время отсутствуют данные о динамике накопления плутония веслоногими рачками и бокоплавом. Поэтому консервативно принято, что за 100-500 часов содержание плутония в организме особей данного вида гидробионтов достигает стационарного уровня, т.е. уровень загрязнения гидробионтов достигает максимального значения при данном уровне загрязнения среды обитания. Наиболее неблагоприятной ситуацией будет та, когда выход плутония из затонувшей пл произойдет незадолго до начала сезонного подъема данного вида зоопланктона в верхние слои океана. В этом случае количество активности, поступающей в организм пищевым путем будет максимальным.
Принимая коэффициент накопления для планктона равным 2600, в случае "быстрого" выброса плутония максимально возможное содержание данного радионуклида в планктоне, выплывающем в верхние слои, составит 700-7000 Бк/кг. Если пренебречь горизонтальным рассеянием поднимающегося в верхние слои планктона, то можно считать, что площадь зоны загрязнения кормовой базы рыбы с уровнем 700-7000 Бк/кг составит не более 660 км2.
В рационе промысловой рыбы мигрирующие из придонных слоев виды зоопланктона составляют 2-17%, т.е. удельное содержание плутония-239 в биомассе, являющейся кормом для промысловых видов рыбы, будет составлять от 14 до 1200 Бк/кг. Такое пятно загрязнения кормовой базы будет существовать некоторое время (не более 1-3 месяцев). При этом постоянно будет происходить его "размытие" и снижение удельной концентрации плутония. Согласно модели накопления радионуклидов гидробионтами для пищевого пути поступления максимально возможное содержание плутония может достигнуть 80 Бк/кг для съедобных частей и 400 Бк/кг для всего тела. Особи с таким уровнем загрязнения могут появиться лишь при условии их нахождения в центре пятна (в радиусе 2 км от центра) не менее 1 месяца. С учетом допущения об отсутствии горизонтального рассеяния планктона при его всплытии и появление рыбы с уровнем загрязнения плутонием от 1 до 60 Бк/кг (съедобные части тела) будет происходить в зоне площадью около 600 км2, а с уровнем от 60 до 80 Бк/кг - в зоне площадью около 20 км2. При покидании особей пятна загрязнения в результате естественной миграции содержание плутония в рыбе будет снижаться по линейному или экспоненциальному закону. Так через 25-30 суток после прекращения поступления
 
Таблица 1

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПЛУТОНИЯ-239
В МОРСКОЙ СРЕДЕ, км2 (период "полувыхода" - 24 часа)
 
Вода
Уровень загрязнения Бк\л  T = 100 часов T = 500 часов T = 1000 часов T = 5000 часовT = 10.000 часов T = 50.000 часов
 2.7
2.7E(-1)
2.7E(-2)
2.7E(-3)
2.7E(-4)

 21
660
9720 4.4E(4) 1.0E(5)

 

0
0
3600
9.5E(4)
3.0E(5)
 0
0
0
9.9E(3)
( 3.4E(5)
0
0
0
0
7.6E(4)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Дно Бк\дм2
2.7E(-2)
2.7E(-3)
 59
1000
 130
4600
 130
9900
 120
14000
 120
14000
 120
14000
 
Таблица 2

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПЛУТОНИЯ-239
В МОРСКОЙ СРЕДЕ, км2 (период "полувыхода" - 10.000 часов)

 Вода
Уровень загрязнения Бк\л
 T = 100 часовT = 500 часов
T = 1000 часовT = 5000 часов
T = 10.000 часо  T = 50.000 часов
2.7E(-1)
2.7E(-2)
2.7E(-3)
2.7E(-4)
 2
51
460 5.4E(3)

 0
48
1200
3.0E(4)
 0
80
3000
4.0E(4)
 0
9
1400
7.0E(4)
 0
0
200
4.0E(4)
0
0
0
0
Дно Бк\дм2
2.7E(-2)
2.7E(-3)
0
0
0
80
5
100
5
1500
5
5800
5
9900

загрязненного корма максимально возможный уровень загрязнения съдобных частей тела рыб составит всего 1 Бк/кг. Предельно годовое поступление плутония-239 для населения определено на уровне 20 000 Бк/год из расчета непревышения дозы облучения 1 мЗв. Для достижения такого уровня поступления индивидууму придется употребить в пищу более 250 кг рыбы выловленной в центре пятна загрязнения (в радиусе 2 км от центра). Такой уровень потребления рыбы не зафиксирован даже в странах, население которых преимущественно использует в пищу морепродукты (максимальное значение потребления, учитываемое МАГАТЭ, составляет 100 кг/год). Исходя из стандартного максимального значения потребления морепродуктов, гипотетическая доза облучения отдельных лиц населения может составить не более 0.3 мЗв/год.
Уместно перечислить те консервативные допущения и условия, при которых может быть сформирована гипотетическая максимальная доза облучения индивидуума:
* принятый к рассмотрению вариант выхода плутония происходит незадолго до начала сезонной миграции зоопланктона в верхние слои океана;
* все особи зоопланктона, мигрирующие от придонных слоев до поверхности, достигают слоев обитания промысловой рыбы;
* отсутствует горизонтальное рассеяние зоопланктона-переносчика в период всплытия в верхние слои;
* принята верхняя оценка доли зоопланктона-переносчика в кормовой базе промысловой рыбы - 17%;
* пятно загрязнения кормовой базы с максимальным уровнем загрязнения существует не менее 1 месяца;
* особи промысловых видов рыбы постоянно находятся в радиусе 2 км от центра пятна загрязнения, т.е. не учитывается естественная миграция рыбы;
* суточный рацион рыбы принят равным 1/3 массы особи, что является консервативной оценкой с десятикратным запасом;
* рыба выловлена из зоны с радиусом 2 км от центра пятна загрязнения кормовой базы не ранее 3 недель с момента начала потребления рыбой загрязненного корма;
* в годовом рационе индивидуума присутствовала только рыба с максимально возможным уровнем загрязнения;
* годовое потребление рыбы принято равным 80 кг;
* не учитывалось выведение плутония из мяса рыбы при кулинарной обработке.
Приведенные выше допущения свидетельствуют, что формирование даже незначительных доз облучения за счет потребления рыбы, выловленной в районе гибели апл "Комсомолец", является крайне маловероятным событием в связи с очевидностью данного результата вероятностные аспекты модели не использовались. На основе имеемых данных о накоплении плутония-239 в различных гидробионтах оценены возможные уровни облучения.
Для зоопланктона, обитающего в придонном слое (от 0 до 50 м от дна) вблизи источника загрязнения морской среды плутонием, мощность дозы может составлять:
* на жабры .................................0.003 - 0.02 Гр/ч;
* на кишечник ........................... 0.005 - 0.015 Гр/ч.
Указанные значения достигаются при длительном нахождении организмов (50-100 суток) в зоне с максимальной концентрацией плутония в воде, площадь которой в начальный период выхода плутония составляет не более 20 км2. Для рыбы, употребляющей в пищу зоопланктон только с максимально возможным уровнем загрязнения плутонием-239, мощность дозы на кишечник может достигать 5Е(-6) Гр/ч. Указанные уровни радиационного воздействия на гидробионты являются максимально возможными и облучение будет происходить лишь в течение одного-двух месяцев. Для мигрирующих видов гидробионтов реальные уровни радиационного воздействия будут значительно (на один-два порядка) ниже.

Заключение.

Накопленный практический опыт радиоэкологического мониторинга и разработанные теоретические модели прогноза экологического ущерба целесообразно использовать для оценки ситуации в районах нахождения других радиационно-опасных объектов, затопленных или затонувших в глубинах Мирового океана. Что касается собственно апл "Комсомолец", то совокупность полученных результатов позволяет оценить возможные последствия выхода радионуклидов из этой погибшей атомной подводной лодки с ядерным оружием на борту как экологически незначимые. 

 
24 июля 2017

понедельник


Новости
16 марта 2007
cостоялся постоянно действующий научно-технический семинар "Системы обработки информации и управления".

Подробнее...
 





аренда аттракциона виртуальной реальности

Copyright © 1998-2017 Входит в Центральный Военно-Морской Портал. Использование материалов портала разрешено только при условии указания источника: при публикации в Интернете необходимо размещение прямой гипертекстовой ссылки, не запрещенной к индексированию для хотя бы одной из поисковых систем: Google, Yandex; при публикации вне Интернета - указание адреса сайта. Вопросы и предложения. Создание сайта - компания ProLabs.
Рейтинг@Mail.ru