Ретроспективное восстановление на основе физико-математического моделирования дозы внешнего ?-облучения, полученной участником ликвидации последствий аварии на ЧАЭС Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 614.8:621.039

Ретроспективное восстановление на основе физико-математического моделирования дозы внешнего у-облучения, полученной участником ликвидации последствий аварии на ЧАЭС

© Технологии гражданской безопасности, 2009

Н.Н. Хомяков

Аннотация

В статье приведен строгий физико-математический расчет дозы внешнего у-облучения полученной участником ЛПА на ЧАЭС 1986 г основанный на реально выполняемых работах в ходе ведения воздушной радиационной разведки при ликвидации аварии.

Ключевые слова: доза, у-облучение, авария, активная зона реактора, воздушная радиационная разведка.

Retrospective restoration on the basis of physico-mathematical estimation of a dose of the external y-irradiation received by the participant of liquidation of consequences of failure on Chernobyl power station

© Civil Security Technology, 2009

N. Homiakov Abstract

Article gives physico-mathematical estimation of y-irradiation got by the liquidators of Chernobyl power station accident consequences in 1986 based on real examples.

Key words: dosage, y-irradiation, accident, active reactor zone, air nuclear investigation.

Почти с первых дней после катастрофы на Чернобыльской АЭС начала проводиться систематическая воздушная и наземная радиационная разведка местности как в 30-км зоне отчуждения, так и непосредственно в районе 4-го разрушенного блока.

Согласно командировочному предписанию автор статьи прибыл в г. Чернобыль 14 июня, а убыл 17 июля 1986 г. Был назначен на должность: старшего офицера по воздушной радиационной разведке Оперативной группы Управления начальника химвойск МО СССР, который одновременно являлся оператором-дозиметристом экспериментального вертолета радиационной разведки МИ-24РР. Проживал в зоне отчуждения, ограниченной изолинией с мощностью экспозиционной дозы (МЭД) у-излучения 20 мР/ч ([1] и карта МЭД у-излучения с изолиниями 3, 5, 20 мР/ч, используемая для характеристики соответствующих зон радиоактивного загрязнения в 30-км зоне ЧАЭС).

Воздушная радиационная разведка воздуха и местности в зоне отчуждения осуществлялась силами Оперативной группы Управления начальника химвойск МО СССР и велись в течение светового дня (что реально составляло не менее 8 часов в сутки) и заключались в измерении при помощи приборов и оборудования вертолета радиационной разведки МИ-24РР (скорость полета 300 км/ч) МЭД у-излучения [2]:

1. Над «кратером» 4-го блока (2 раза в сутки: в начале и окончании полетов) для построения графика динамики изменения МЭД у-излучения над кратером реактора и для обеспечения радиационной безопасности полетов других «бортов», а также для визуального наблюдения за перемещением конструкций в «кратере». Высота полета над кратером реактора 100 м. МЭД у-излучения на уровне развала реактора достигала 50000 Р/ч [1, 5].

2. Над 3-м, 4-м блоками с целью уточнения точки «зависания» вертолета с минимально возможной МЭД у-излучения для установки робота на крышу 3-го блока и «Иглы» в кратер 4-го блока. (Высота полетов 3, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150 м)

3. Над крышей машинного зала и диаэраторной этажерки (МЭД у-излучения 600-950 Р/ч [1]) 3-го, 4-го блоков с целью установления возможности выхода людей для ведения работ по дезактивации (высота полета 3 м).

4. Полеты в «факеле» выброса из кратера 4-го блока и прокачки воздуха через фильтр «Пятрянова» с целью определения суммарной активности выброса радиоактивных изотопов из аварийного реактора и характеристик радиоактивного загрязнения местности. Полеты велись на высотах от 5000 м до 50 м с подветренной стороны от 4-го блока на удалении от кратера реактора до 30 км.

5. Доставка проб воды, растительности, грунта в «пассажирской кабине» вертолета с различных участков 30-км зоны.

6. По заданию Правительственной комиссии отбирались воздушные пробы по интересующим направ-

лениям, по которым РИАН им. Хлопина определялся радиоизотопный состав воздуха. На базе этих данных и данных п. 5 (см. выше) руководителем Правительственной комиссии была подготовлена справка в ЦК КПСС на основонии которой решался вопрос о возможности реэвакуации 30-км зоны [5].

Экспозиционная доза у-облучения полученная за период проживания в г. Чернобыль с 14.06.1986 по 17.07.1986 г. (33 суток) составила:

[3],

где Д — экспозиционная доза внешнего у-облучения, полученная человеком за время нахождения в радиоактивно загрязненном районе, Р;

Р — МЭД у-излучения в загрязненном районе, Р/ч;

1 — время нахождения в районе, ч;

Косл. — коэффициент ослабления МЭД у-излучения за счет нахождения в здании, технике.

Время нахождения в районе складывается из времени работ, времени нахождения на открытом пространстве (воздухе) и времени нахождения в здании (отдых, прием пищи, уточнение задач и т.д.).

Время работ (борт вертолета):

1верт. 8 ч, Косл. 2. [3]

Время нахождения на воздухе:

1 = 4 ч

^возд. ^

Время нахождения в здании: 1зд= 12 ч, КосЛ.= 6. [3]

=0.04Р

Суммарная экспозиционная доза у-облучения полученная за сутки при нахождении в здании и на воздухе:

Суммарная экспозиционная доза у-облучения полученная за время командировки (33 суток) при нахождении в здании и на воздухе:

Экспозиционная доза у-облучения полученная при выполнения работ.

Экспозиционная доза у-облучения Дкрат, полученная за счет замеров кратера 4-го блока.

В результате аварии на 4-ом блоке ЧАЭС возник мощный объемный самопоглощающий источник у-излучения [4] представляющий собой, т.н. «аварийный развал» (рис.1).

Для определения исходных параметров данного источника у-излучения, необходимых для расчета МЭД у-излучения на высоте полета вертолета рассмотрим

Рис. 1. Внешний вид 4-го блока ЧАЭС после разрушения (июнь 1986 г.)

конструкцию реактора до аварии, характер разрушений его в результате аварии и распределение у-излучающих продуктов наработки в нем.

Рассмотрим особенности конструкции реактора РБМК-1000 (рис.2, 3) (первоначальная загрузка топлива 190,2 т) [5].

Графитовая кладка (диаметр 13,8 м, высота 8 м) активной зоны (диаметр 11,8 м, высота 7м) и часть верхней биологической защиты располагаются в герметичной полости, образованной верхней и нижней металлоконструкциями и цилиндрическим кожухом в радиальном направлении. За кожухом реактора размещается бак водяной защиты (внешний диаметр 19 м, толщина 1,2 м). Далее за внешним монтажным пространством расположена боковая бетонная биологическая защита (толщина 2 м). Между баком водяной защиты и боковой бетонной биологической защитой монтажное пространство (толщиной 1,3 м) засыпано обычным песком. Сверху шахта реактора накрыта верхней плитой (отметка Е — «Елена») в виде металлоконструкции коробчатого типа (диаметр 17 м, толщина 3 м), заполненной серпентинитом. Над верхней плитой располагается разводка трубопроводов теплоносителя, над которой размещено верхнее защитное перекрытие (толщина 1м). Снизу активная зона «лежит» на нижней опорной плите (диаметр 14,5 м, толщина 2 м), конструктивно выполненной аналогично верхней плите, которая опирается на крестообразную металлоконструкцию с ребрами жесткости (высота 5,3 м).

Вся рассмотренная выше конструкция реактора находится в реакторной цилиндрической шахте (высота 23 м, диаметр 23,6 м). Размер реакторного (центрального) зала 40 м на 40 м.

После аварии (рис. 2, 4) в результате визуального наблюдения и диагностических исследований [1] установлено, что машзал реакторного отделения разрушен до отметки 30 метров, с полным разрушением пола реакторного зала до верхней плиты «Елены», которая вместе с трубами пароводяных коммуникаций, остатками

технологических каналов, обломками железобетонных конструкций поднята взрывом и стоит на ребре под углом 15 градусов к вертикали (при этом, ее геометрический центр поднят примерно на 5 м по сравнению с проектным положением). Сброшенные с вертолетов материалы покрыли машинный зал слоем до 15 м. Обращенные к центральному залу стены барабан-сепараторов разрушены ударной волной взрыва, увеличив размер «аварийного развала» до 60 м на 80 м (реальная площадь 4200 м2). Основание реактора после взрыва опустилось примерно на 4 м вниз от своего штатного положения. Само реакторное пространство было заполнено поглотителем у-излучения и фрагментами кладки реактора. Как показали тепловые и радиационные измерения, значительное количество топлива в виде застывшей «лавы» (»слоновая нога») сбросилось в подреакторное помещение (75 ± 25 тонн) и бассейн-барботер (12 тонн) на отметки 9 м и 0 м. Кроме того, основная часть ядерного топлива [1] находилась в шахте реактора, в разрушенном центральном зале и на пром площадке вокруг 4-го блока.

Исходя из приведенного выше анализа можно сделать вывод, что источник у-излучения 4-го блока в основном состоит из 3-х объемных источников:

первый — оставшееся топливо активной зоны в шахте реактора и подреакторном пространстве высотой около 14 м и диаметром около 21,6 м;

второй — топливо, расположенное в разрушенном центральном зале, высотой около 19 м и размером 60 м на 80 м (площадью 4200 м2) (рис.5);

третий — конвекционный у-излучающий «шлейф» мелкодисперсных частиц [5].

При этом, первые два источника разделены между собой у-поглощающей смесью (топливо, воздух, бор, доломит, глина, песок, бетон, графит) [1, 6] высотой около 12 м и диаметром 21,6 м.

Таким образом, в формировании МЭД у-излучения на высоте полета вертолета участвует в основном второй источник у-излучения с максимальной энергией у-квантов Еу . . 2Мэв [8, 9, 11] и МЭД у-излучения на поверхности до 50000 Р/ч [1].

С физической точки зрения данный источник представляет собой объемный самопоглощающий источник в виде параллепипеда (длина 60 м, ширина 80 м, высота 19 м). Для облегчения расчетов перейдем от данного ре-ального источника у-излучения к эквивалентному по величине создаваемой мощности дозы источнику в виде толстого диска (радиус 39 м, высота 19 м) [10]. Тогда МЭД у-излучения на высоте полета вертолета от данного источника (без учета самопоглощения у-излучения в источнике), граница которого видена с этой высоты под углом ф, определяется выражением [12, 13, 14]:

Рн=Р1м{Ф(йвН) — совфФ^есф)}, где Рн — МЭД у-излучения на высоте полета вертолета, Р/ч;

Р1м — МЭД у-излучения на высоте 1м от излучающей поверхности, Р/ч (50000 Р/ч [1]);

iiilililaliliiB

¡=M»i»»ese*5sas

23000 28000

13000

72000

4-000

Рис. 2. Поперечный разрез главного корпуса АЭС с реактором РБМК-ЮОО: 1 — помещение бассейна-барботера; 2 —клапаны аварийной защиты; 3—помещения нижних водяных коммуникаций; 4 — главный циркуляционный насос; 5 — мостовой кран грузоподъем-ностью 50/1 От; 6 — реактор; 7 — мостовой кран грузоподъемностью 125/20т; 8 — реакторный зал; 9 — барабаны-сепараторы; 10 — разгрузочно-загрузочная машина; 11 — мостовой кран н^ с дистанционным управлением грузоподъемностью 50/1 От; 12 — помещение редукционной установки собственных нужд; 13 — блочный щит управления; 14 — помещение деаэраторов 15 ^ — сепаратор-пароперегреватель; 16 - конденсатор; 17 — подогреватель низкого давления; 18 — палуба машзала; 19 — паровая турбина ^

Рис. 3. Реактор 4-го блока ЧАЭС до аварии

Рис. 4. Реактор 4-го блока ЧАЭС после аварии

Рис. 5. План реакторного отделения АЭС с реактором РБМК-1000. Обозначения см. рис. 2

Н — высота полета вертолета (Н=100 м), м;

ф — угол между перпендикуляром в центре диска (источника) и линией, под которой видна граница диска с высоты полета вертолета (ф=210 при Н=100 м);

цв — линейный коэффициент ослабления у-излучения воздухом (при Еу=2Мэв цв=0,00574 м-1[7, 15]);

Ф(х) — функция Кинга, табулированная [14].

Тогда, Рн=50000{Ф(0,00574 • 100) — соз210Ф(0,00574 • 100 • 8ес21°)} = 2025,0 Р/ч.

Эффективный размер источника, определяющий время полета вертолета в у-поле от него, влияющем на экспозиционную дозу экипажа:

1=200 м=0,2 км

Скорость вертолета: У= 300 км/ч.

Тогда, время нахождения над кратером 4-го блока во время замера:

Таким образом, экспозиционная доза внешнего у-облучения за один замер:

2025,0-0,00067

Косл 2

Всего сделано замеров за 30 суток:

N = 2x30 = 60

Тогда, суммарная экспозиционная доза у-облучения, полученная за счет замеров кратера 4-го блока:

Дкрат= 60x0,678 ~ 40,68 Р

Экспозиционная доза внешнего у-облучения Дроб полученная за счет определения «точки зависания» вертолета для установки робота на крышу 3-го блока.

В данном случае реальный источник у-излучения представляет собой прямоугольник размером 72 м на 60 м [16], который можно заменить эквивалентным поверхностным источником в виде вытянутого эллипса [13] с осями 100 м и 14 м с максимальной МЭД у-излучения на поверхности Р=5000 Р/ч [1, 19].

Тогда,

[13],

где Р1м — МЭД у-излучения на высоте 1м от излучающей поверхности , Р/ч (5000 Р/ч [1]); Н — высота полета вертолета, м; цв—линейный коэффициент ослабления у-излучения воздухом (при Еу=2Мэв цв=0,00574 м-1[15]);

F(x) — интегрально-показательная функция табулированная [13].

Измерение проводилось на высоте 3м при У=300

км/ч;

Эффективный размер источника (машинный зал 3—4 блоков) L « 510 м = 0,51 км. Тогда время измерения:

¿ 0,51 ~ V ~ 300

таким образом: " 775 00574• 3)«122,56Р/ч ^ = «0,104?

= 0,0017ч« б,1с

" 2л/тгЗ

Эффективный размер источника, определяющий время полета вертолета в у-поле от него, влияющем на экспозиционную дозу экипажа: 1=100 м=0,1 км

Скорость вертолета: У= 300 км/ч. Тогда, время нахождения над крышей 3-го блока во время замера:

г = - = — * 0,0003ч = 1,08с V 300

Измерения проводились на высотах Н=3м, Н=10м, ^=^(0,00574.10)»Ш,11ШЧ Д„-"8°'0003 ,0,06Ц>

2у]к\0 2

^ = ^т00574.20)»264,298Р/Ч Д20 - ^,298-0,0003 ^ ^

2л]к20 2

РЯм = -5222= /•(о,00574• 30)«204,211Р/ч Д„ ^04,211.0,0003 ^^ 2\/тс 30 2

Рщш = ^т00574.40)й167,263Р/Ч Дт = '67'263'°'0003 . 0,0257-2л/тг 40 2

МЭД у-излучения на высоте 50 м складывается из МЭД у-излучения от источника крыши 3-го блока и МЭД у-излучения от источника 4-го блока, который в точке измерения виден под углом ф=570 (см. п.2.1). Тогда,

^сы=50000{Ф(0,0057450) — со8570Ф(0,00574508ес570)} 2982,870 Р/ч

4Бл_ 2982,870-0,00067

ДзОм ~

= 0,999Р

Суммарно: Д50 = Дъ*лм+ Д4^=0,020+0,999 = 1,019 Р

Таким образом, суммарная экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет определения «точки зависания» вертолета:

Дроб = Д3 + Д10 + Д20 + Д30 + Д40 + Д50= 0,119+0,061+ 0,040+0,031+0,025+1,019=1,295 Р

Экспозиционная доза внешнего у-облучения Дкр, полученная за счет определения МЭД у-излучения крыши машинного зала 3—4 блоков и диаэраторной этажерки (Р = 600-950 Р/ч [1]).

Размеры реального источника 400 м на 70 м [16], тогда эквивалентный поверхностный источник в виде вытянутого эллипса с осями 509 м и 70 м со средней МЭД у-излучения на поверхности Р=775 Р/ч.

Экспозиционная доза у-облучения Дигл , полученная за счет определения точки «зависа» вертолета для установки «иглы» в кратер 4-го блока:

Измерения проводились на высотах Н=50м (ф= 380), Н=100м (ф=210) и Н=150м (ф=150).

Тогда, суммарная экспозиционная доза -облучения полученная за счет определения точки «зависа» вертолета:

Дигл= ДН50 + ДЯш + ДЯ15о= 2,484+ 0,678+ 0,242 = 3,404Р

Экспозиционная доза у-облучения Д., полученная за счет облучения от турбин двигателей вертолета МИ-24РР. Согласно произведенным замерам при помощи прибора ДП-5В:

МЭД у-излучения в верхней части салона вертолета составляла

Рс« 0,25 Р/ч

тогда, Дс = Рсх 1 ,

где: 1 — время работы на борту вертолета, ч.

(1 = ^1верх, где N— количество дней работы на борту вертолета (30 суток), 1верт — время работы на борту вертолета за сутки, ч (8ч)).

Дс.= Рсх N х 1верт. = 0,25x30x8 = 60 Р

Экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет перевозки проб грунта, воды, растительности, а также за счет полетов в «факеле» выброса из кратера 4-го блока не рассчитывались из-за относительной малости их значений в общем вкладе в суммарную экспозиционную дозу внешнего у-облучения [17, 18]. Их необходимо учитывать при расчете внутреннего облучения в связи с высоким риском проникновения радиоактивных изотопов высокой концентрации в организм [20].

Согласно произведенным расчетам суммарная экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет проживания в г. Чернобыль и работ, связанных с воздушной

радиационной разведкой 3—4 блоков и 30-километровой зоне вокруг него:

Д = Дком.+Дкрат.+ Дроб. +Дкр.+Дигл.+Дс. , P где, Дком. — экспозиционная доза внешнего у-облучения, полученная за счет проживания в г. Чернобыль за время командировки, Р;

Дкрат. — экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет замеров кратера 4-го блока, P;

Дроб. — экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет определения точки «зависа» вертолета для установки «робота», P;

Дкр. — экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет определения МЭД у-излучения крыши машинного зала и диаэраторной этажерки, P;

Дигл. — экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет определения точки «зависа» вертолета для установки «иглы», P;

Дс. — экспозиционная доза внешнего у-облучения полученная за счет облучения от турбин двигателей вертолета, P;

Д=3,960+40,680+1,295 + 0,104 + 3,404+60,000 = 109,443 P

Таким образом, поглощенная доза внешнего у-излучения Дпогл. [7, 15, 17, 20]: Дпогл.= Д х 0,93 х 10-2 = 109,443 х 0,93 х 10-2 « 1,018 Гр

Литература

1. Чернобыль — пять трудных лет. Сборник материалов о работах

по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в 1986-1990 г.г., — М.: Издат,1992.

2. Хомяков Н.Н. Диссертация, — М.: ВНИИ ГОЧС, 1993.

3. Дуриков А. П. Оценка радиационной обстановки на объекте на-

родного хозяйства. — М.: МО СССР, 1975.

4. Руководство по радиационной защите для инженеров. Т.2. Перев.

С англ. под. ред. Д. Л. Бродера, — М.: Атомиздат, 1973.

5. Авария на Чернобыльской АЭС и ее последствия.Часть II (прило-

жения). Информация подготовленная для совещания экспертов МАГАТЭ, ГКИ АЭ СССР, 1986.

6. Радиационная защита на атомных станциях. Под. ред. А.П. Суворова. — М.: Атомиздат, 1978.

7. Гусев Н.Г. Защита от гамма-излучения продуктов деления. Справочник. — М.: Атомиздат, 1968.

8. Петров П.А. Ядерные энергетические установки. — М.: Государственное энергетическое издательство, 1958.

9. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излуче-

ний. Справочник. Изд. 2. — М.: Атомиздат, 1972.

10. Биологическая защита транспортных реакторных установок. Под. ред. Д.Л. Бродера. — М.: Атомиздат, 1969.

11. Романов В.П. Дозиметрист АЭС. — М.: Энерго-атомиздат, 1986.

12. Горшков Г.В. Гамма-излучение радиоактивных тел и элементы расчета защиты от излучения. — М.: Издательство академии наук СССР, 1959.

13. Разведочная ядерная геофизика. Справочник. Под. ред. О.Л. Кузнецова. — М.: Недра, 1986.

14. Пруткин М.И. Справочник по радиометрической разведке и радиометрическому анализу. — М.: Атомиздат, 1975.

15. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1982.

16. Дубровский В.Б. Строительство атомных электростанций. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

17. Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

18. Ровинский Ф.Я. Методы анализа загрязнений окружающей среды. — М.: Энергоатомиздат, 1978.

19. Чернобыль: Катастрофа. Подвиг. Уроки и выводы. — М.: Наука, 1998.

20. Москалев Ю.И. Отдаленные последствия воздействия ионизирующих излучений. — М.: Медицина, 1991.

Сведения об авторе

Хомяков Николай Николаевич: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), НИЦ «Защита населения», заместитель начальника центра, к.т.н., с.н.с., член-корр. МАНЭБ; участник ликвидации аварии на ЧАЭС; согласно командировочному предписанию прибыл в г. Чернобыль 14 июня 1986 г; был назначен на должность старшего офицера по воздушной радиационной разведке Оперативной группы Управления начальника химвойск МО СССР; проживал в зоне отчуждения ограниченной изолинией с мощностью экспозиционной дозы (МЭД) у-излучения 20 мР/ч (карта МЭД у-излучения с изолиниями 3, 5, 20 мР/ч, используемая для характеристики соответствующих зон радиоактивного загрязнения). Тел.: 8-903-775-20-74, e-mail: nn20072@ yandex.ru.