СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСАХ НА АЭС

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для дистанционного измерения и анализа уровня радиационного загрязнения вокруг АЭС при аварийных выбросах.

Аварии с повреждением атомного реактора в США (Три-Майл Айленд, 1979 г.), в СССР (Чернобыль, 1986 г.), Япония (Фукусима, 2011 г.) поставили вопрос о возможности и необходимости объективного и независимого контроля радиационного загрязнения вследствие выброса радиоактивных веществ в окружающее пространство. При неблагоприятном развитии событий последствия аварий могут носить глобальный характер.

До настоящего времени радиационный контроль осуществляется штатными средствами посредством радиометров либо дозиметров. Известно «Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения» [Патент RU №2264674, Н01J, G01Т 1/185, 2003 г.] - аналог.

Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40…50 атм и соответственно с плотностью 0,3…0,6 г/см³ с добавлением водорода в количестве 0,2…0,3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая сечка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности σ~(3…5)%.

Известна промышленная разработка сцинтилляционного счетчика ГНЦ ИФВЭ г.Протвино [см., например, Интернет: http://theorv.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/RCRC/2008_StPetersberg/RCRC2008/proc/EAS/EAS_20.pdf] - аналог. Счетчик представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин с общей площадью 1 м². Каждый слой собран из пластин 20×20×0,5 см³. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон-файберов. В каждой пластине имеются 4 канавки с шагом 3,6 см глубиной 2,2 мм на расстоянии 4,6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду фазоэлектронного умножителя, с выхода которого сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя квантуется в стандартной шкале отсчетов 0…255 уровней.

Недостатком перечисленных аналогов является локальность измерений наземными средствами в отдельных точках, не дающая объективной картины интегрального пространственного радиоактивного загрязнения территории или объема аварийного выброса. Кроме того, уровень радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, что при высоте орбит космических аппаратов 250-400 км не позволяет измерить его непосредственно, ввиду недостаточной чувствительности известных измерителей.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений», Патент RU №2423729, G01V 9/00, 2011 г. В способе ближайшего аналога размещают измеритель на космическом носителе, осуществляют измерения интенсивности свечения в спектральных полосах атмосферных газов по трассе полета носителя над зоной подготавливаемого землетрясения, прогнозируют параметры ожидаемого сейсмического удара по динамике функций получаемых регистрограмм, дополнительно свечение атмосферных газов измеряют в ультрафиолетовой полосе 100…300 нм, измерителем с регулируемым интервалом длительности и скважности дискретных отсчетов вдоль трассы полета носителя, численным интегрированием функций получаемых регистрограмм рассчитывают их длину L, координаты гипоцентра очага отождествляют с максимумом регистрограмм, рассчитывают постоянную времени сейсмического процесса (Т) из соотношения:

T=Δt/ln((L₀-L₁)/(L₀-L₂)),

прогнозируют время удара t_y=4,7T и магнитуду (М) как

lgt_y[сут]=0,77M-4,4,

где L₀ - предельная длина дуги функции регистрограммы, равная L₀=L₂ ²-L₁ ^.L₃/2L₂-L₁-L₃;

L₁, L₂, L₃ - длины дуг функций регистрограмм в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени космического носителя, на которых проводят измерения.

Недостатком ближайшего аналога являются:

- невозможность непосредственного использования в силу разнородности измеряемых величин;

- различные спектральные диапазоны средств измерений косвенных признаков прорекающих физических процессов.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в объективной достоверно-документальной дистанционной количественной оценке зоны радиационного заражения вокруг ЛЭС.

Поставленная задача решается тем, что способ определения загрязнения окружающей среды при аварийных выбросах на АЭС включает дистанционное получение изображения в виде функции яркости I(х,у), подстилающей поверхности, содержащей контрольные площадки с известным уровнем радиации на них, радиометром, установленным на космическом носителе в длинноволновой части инфракрасного диапазона (8-12 мкм), выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости изображения I(х,у) градиентного контура тепловых аномалий относительно яркости фонового уровня и отождествление выделенного контура с зоной загрязнения, расчет площади зоны по количеству пикселей в контуре и пространственному разрешению одного пикселя радиометра, построение гистограммы яркости пикселей внутри выделенного контура, калибровку гистограммы в значениях радиационного уровня контрольных площадок в обратно пропорциональной по яркости зависимости из соотношения:

где: Р_{площадки}[Зв] - уровень радиации контрольной площадки;

Р_точки - определяемый уровень загрязнения в точке;

I_{площадки} - яркость пикселей изображения над контрольной площадкой;

I_точки - яркость пикселей изображения над определяемой точкой.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - изображение тепловых аномалий вокруг АЭС при аварийных выбросах: 1) Три-Майл Айленд, США, 2) Чернобыль, СССР, 3) Фукусима, Япония;

фиг.2 - градиентные контуры на изображении, выделенные программной обработкой;

фиг.3 - гистограммы яркости пикселей изображения внутри выделенных контуров;

фиг.4 - динамика изменения среднесуточного уровня радиации над ЛЭС Фукусима-1;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность способа основана на вновь установленном физическом явлении. При аварийных выбросах на АЭС взаимодействие радиоактивных изотопов цезия 137 и йода, а также продуктов их вторичного распада с пограничным слоем атмосферы в результате ударной ионизации приводит к образованию большого числа первичных ионов. Энергия электронов, испускаемых Cs, - 170,8 кэВ, энергия электронов, испускаемых I, - 970 кэВ. По определению, экспозиционная доза в один рентген соответствует образованию 2,083·10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха или 1,61·10¹² пар в одном грамме воздуха (1 р≈2,57976 кл/кг) [см., например, Советский энциклопедический словарь под редакцией Л.М.Прохорова, 1979 г., стр.1130, рентген]. Первичные ионы вступают в химические реакции и одновременно подвергаются гидратации (присоединению молекул водяного пара). Этот процесс называется процессом «старения» ионов. В случае резкого увеличения скорости ионизации, как это бывает при авариях реакторов на атомных электростанциях, гидратация ионов приобретает взрывной характер (в литературе этот процесс называют ион-стимулированной нуклеацией) и образуются крупные ионные кластеры размером в несколько микрон. Процесс гидратации ионов и последующей коагуляции наночастиц сопровождается выделением тепловой энергии (скрытой теплоты испарения), поскольку присоединение молекул воды к ионам по энергетической эффективности эквивалентно конденсации. Как показали теоретические оценки и данные экспериментальных измерений, уровень потока тепла, выделяемого в результате ионизации пограничного слоя атмосферы при существенном радиоактивном загрязнении, достаточен для регистрации аномальных потоков тепла средствами дистанционного зондирования (инфракрасными радиометрами), устанавливаемыми на искусственных спутниках Земли. Таким образом, обширные области тепловых аномалий могут служить устойчивым косвенным признаком радиационного заражения окружающей среды вокруг ЛЭС. Примеры регистрации тепловых аномалий после аварий на станциях Три-Майл Айленд (США), Чернобыльской станции, а также тепловой аномалии над атомной электростанцией Фукусима-1 (Япония) в результате аварий, ставших результатом катастрофического землетрясения вблизи города Сендай 11 марта 2011 г., иллюстрируются фиг.1. Максимум мощности теплового излучения нагретых тел приходится на длину волны, определяемую по закону Вина:

В соответствии с законом Стефана-Больцмана, интегральная светимость (Q) тел пропорциональна четвертой степени температуры Т (К) и зависит от их излучательной способности ξ(Т) [см., например, Левитин И.Б. Инфракрасная техника. Энергия, Ленинградское отделение, 1973 г., стр.15]

Q(T)=ξ(T)·σ₀·T⁴ [Вт/м²]

где σ₀ - постоянная, равная 5,67·10^-8 Вт/м²·К⁴ _.

Излучательная способность воды (увлажненных участков) существенно ниже других объектов [см., например, учебник «Теоретические основы радиолокации» под редакцией В.Е.Дулевича, Сов. Радио, М., 1964 г., гл.13: Пассивная радиолокация, стр.680, Температурный контраст объектов] Поскольку кажущаяся температура воды ниже других объектов при одной и той же температуре окружающей среды, то на снимках из космоса области радиационного заражения (из-за насыщения атмосферы кластерами конденсации влаги) отображаются более темным тоном. Следовательно, между яркостью пикселей изображения и уровнем радиоактивного заражения существует обратно пропорциональная зависимость. Зону радиоактивного заражения на тепловых снимках выделяют программной обработкой изображения. Контурный рисунок получают путем вычисления градиента скалярной функции яркости I(х,у) в каждой точке изображения как:

[см., например, «Производная по направлению» в учебнике: Н.С.Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, 5-е изд., т.1. М.: Наука, 1964 г., стр.264-268]. Производные по направлению функции яркости задают векторное поле градиентов. Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна |2×2| элемента; см. табл.1.

Элементы окна связаны по диагоналям (двум взаимно ортогональным направлениям) операцией вычитания. Вычисляют оператор Робертса в каждой точке:

R(i,j)=|I(i,j)-I(i+1,j+1)|-|I(i+1,j)-I(i,j+1)|,

выводят на экран точки, для которых R(i,j)≥ порог [см., например, Дуда P.O., Харт П.E. Распознавание образов и анализ сцен. Перев. с англ., М.: Мир, 1976 г., § 7-3 «Пространственное дифференцирование», стр.287-288, рис.7.3].

Программа выделения контуров на изображении приведена в примере реализации. Величину порога в каждом конкретном случае выбирают исходя из интервала значений функции яркости изображения. Выделенные контуры на изображении иллюстрируются фиг.2. Исходя из масштаба изображения определяют разрешение одного пикселя. Количество пикселей внутри выделенного контура на фоне подстилающей поверхности определяет площадь (S) зоны радиоактивного заражения и мощность источника выбросов.

Для количественной оценки уровня радиационного заражения строят гистограмму яркости пикселей внутри выделенных контуров.

Построенная гистограмма яркости пикселей иллюстрируется фиг.3. Абсолютную величину радиационного заражения в каждой точке зоны исчисляют из соотношения:

где: Р_{площадки}, I_{плошадки} - уровень радиационного заражения контрольной площадки и яркость пикселя ее изображения;

I_точки - яркость пикселя изображения в данной точке зоны.

Осуществляя съемку на последовательных витках пролета космического аппарата над зоной аварийного выброса и обработку снимков, по совокупности операций заявленного способа отслеживают динамику процесса. Динамика изменения среднесуточного уровня радиационного загрязнения над станцией Фукусима-1 по данным спутника NOAA-15/AVHRR иллюстрируется графиком на фиг.4.

Программа реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме на фиг.5. Функциональная схема устройства, фиг.5, содержит систему орбитальных спутников наблюдения 1 типа МОЛА (США) с установленными на них сканирующими радиометрами 2 типа AVHRR. Радиометры осуществляют прием восходящего ИК-излучения подстилающей поверхности в полосе сканирования 3. Зарегистрированный радиометром сигнал с сопутствующей информацией (время приема, номер витка) в режиме открытого доступа принимается наземными пунктами приема 4, расположенными в г. Красноярске, г. Москве (ИКИ), где записывается на средства оперативного ЗУ 5. Из принятых изображений подстилающей поверхности в пункте приема 4 на основе сопутствующей информации формируется база данных изображений объектов подстилающей поверхности, которые в виде файлов помещаются на сервер 6 сети Интернет (см., например, сервер www:http\\,smis.IkI.RSSI.RV.). По запросу потребителей информация в виде кадров изображений перекачивается из Интернета в индивидуальную систему накопления, хранения и ввода информации 7. Обработка массивов данных ИК-изображений осуществляется на ПЭВМ 8 (типа mSi, модель Л 6205) в комплекте: процессора-вычислителя 9, винчестера 10, оперативного ЗУ 11, клавиатуры 12, дисплея 13, принтера 14, графопостроителя 15. Результаты обработки помещают на сайт сети Интернет 16. Радиометр AVHRR имеет два канала приема в длинноволновой части ИК-диапазона 10,3…11,3 мкм и 11,4…12,4 мкм с пространственным разрешением 1,1×1,1 км и радиометрическим разрешением ~0,1°С.

На изображениях объектов, полученных из Интернета, с известным временем и координатами съемки определяют координаты контрольных площадок датчиковой сети наземных измерений уровня радиации и значения яркости пикселей радиометрического сигнала. Предварительно специализированный комплекс программ записывают на винчестер 10 для программного выделения контуров на изображениях и расчета числовых характеристик.

Программа выделения контуров на изображении

program pr01;

var f1, f2:text;

xmax, xmin, x:integer;

begin

xmin:=130 {Световой порог};

xmax.=255;

assign(f1,'A1.txt'),

reset(f1);

assign(f2;'B1.txt');

rewrite(f2);

while not eof(f1) do

begin

while not eoln(fl) do

begin read(f1,x);

if(x>=xmin) and (x<=xmax) then x:=255;

write(f2,x,");

end;

readln(f1);

writeln(f2)

end;

close(f1);

close(f2)

end.

Результат работы программы иллюстрируется фиг.2. Яркость пикселей сигнала изображения составила: I_min~19, I_max~224, I_cp~74 в шкале квантования 0…255 уровней. Количество пикселей в контуре 4620. С учетом разрешения одного пикселя 1,1×1,1 км площадь радиационного заражения составила S=5400 км². Гистограмма яркости пикселей внутри выделенного контура зоны радиационного заражения иллюстрируется фиг.3. Калибровку гистограммы в значениях уровня радиации осуществляют по яркости пикселей контрольных площадок. В частности, на графике фиг.3 значению яркости I≈200 соответствует уровень радиации 0,08 Зв. Пересчет по обратно пропорциональной зависимости уровня радиации от яркости пикселей дает результат максимального значения радиационного уровня в зоне . Осуществляя ежедневное обновление информации со спутников и ее автоматизированную обработку с распечаткой на графопостроителе 15, представляется возможность оперативно, достоверно, с точной координатной привязкой отслеживать состояние радиационного заражения в обширной зоне, прилегающей к АЭС. Динамика изменения среднего уровня радиационного заражения непосредственно над АЭС Фукусима-1, по данным обработки изображений спутника NOAA-15/AVHRR, иллюстрируется графиком на фиг.4.

Эффективность способа характеризуется такими параметрами, как оперативность, объективность, достоверность и документальность результатов проведенных измерений.