№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.039.586
ПРОТОТИП ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АВАРИЙНОГО РАДИОАКТИВНОГО ВЫБРОСА АЭС ПО ДАННЫМ С ПОСТОВ КОНТРОЛЯ МОЩНОСТИ ДОЗЫ
© 2014 г. КРАСНОПЕРОВ С.Н., МЕРКУШОВ Д.В., УШМАЕВ О.С.
Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН (ИБРАЭ РАН),
г. Москва e-mail: rnk@ibrae.ac.ru
В статье представлены результаты разработки прототипа программного средства, позволяющего оперативно восстанавливать характеристики радиоактивного выброса в атмосферу по данным с постов контроля мощности дозы после прохождения радиоактивного облака. Предложен и реализован алгоритм восстановления в условиях неопределенности исходных данных по метеорологической обстановке.
Ключевые слова: аварийное реагирование, радиоактивный выброс, источник, восстановление, математическая модель переноса, алгоритм, прототип программного средства.
THE SOFTWARE PROTOTYPE FOR NPP RADIOACTIVE ATMOSPHERIC RELEASE RESTORATION BASED ON DATA OF RADIATION MONITORING
Krasnoperov S.N., Merkushov D.V., Ushmaev O.S.
Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAN), Moscow e-mail: rnk@ibrae.ac.ru
The article covers the development of the software prototype for radioactive release express restoration. A recovery process is based on data retrieved from points of radiation monitoring after a radioactive cloud passed. The restoration algorithm to handle undetermined initial weather conditions is described and implemented within the prototype.
Key words: emergency response, radioactive release, source, restoration, transport model, algorithm, software prototype, user interface.
Введение. Опыт реагирования на тяжелые радиационные аварии (авария на ЧАЭС в 1986 г., авария на АЭС "Фукусима-1" в 2011 г.) показывает, что задача восстановления параметров радиоактивного выброса в атмосферу является важнейшей задачей всей системы аварийной готовности и реагирования при ЧС с радиационным фактором.
Этап ранней фазы аварии характеризуется дефицитом данных о характере выброса при известных результатах первичных измерений параметров радиационной обстановки в окружающей среде. Использование прототипа программного средства (ПС) целесообразно именно в этот период.
Рис. 1. Блок-схема разработанного алгоритма восстановления
В результате работы прототипа можно получить максимально правдоподобные (согласно используемой математической модели) значения параметров выброса, таких как его суммарная активность и метеоусловия, при которых происходило распространение выброса. По восстановленным параметрам выброса выполняется прогноз переноса примеси в окружающей среде и оценка радиационных последствий аварийной ситуации с помощью программных средств оценки последствий радиационных аварий.
МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Для решения задачи восстановления характеристик выброса применяется специально разработанная методика, основанная на использовании показаний мощности дозы в заданных точках пространства после прохождения радиоактивного облака. Для ее построения применены результаты математической статистики и теории объединения свидетельств. Показание мощности дозы на одном посту может соответствовать целой области решений в пространстве восстанавливаемых параметров (линии в случае двухпараметрической модели переноса). При увеличении числа постов, соответственно, имеем целое семейство таких областей. Эти области попарно пересекаются, и чем точнее выбранная модель переноса описывает реальные процессы, тем ближе находятся области пересечений в пространстве параметров. В идеальном случае абсолютно точной модели область взаимных пересечений вырождается в точку, в которой измерения всех постов наиболее согласованы, она может рассматриваться как решение задачи восстановления.
Однако на практике мы имеем дело с достаточно зашумленными измерениями, и результаты измерений характеризуются вероятностными распределениями. Поэтому в качестве критерия оценки восстанавливаемых параметров предлагается использовать критерий максимального правдоподобия.
Таким образом, можно предложить следующий алгоритм определения характеристик выброса.
1) Для каждого восстанавливаемого параметра (активность, метеорологические характеристики, другие возможные параметры) выбирается расчетный шаг. Строится расчетная сетка пространства параметров, причем каждому узлу сетки соответствует свой сценарий выброса.
2) Для каждого полученного сценария осуществляется моделирование с использованием выбранной модели переноса, рассчитываются модельные показания мощности дозы для каждого поста контроля.
3) Оценивается значение правдоподобия сценария, т.е. математическая согласованность модельных показаний мощности дозы сданными измерений на постах контроля.
4) Для решения задачи восстановления выбирается сценарий с наибольшим значением согласованности.
Схематично методика восстановления представлена на рис. 1.
Двухпараметрическая модель переноса
Используя предложенный алгоритм можно сформировать целый класс моделей восстановления, которые отличаются между собой сложностью используемых моделей переноса веществ в атмосфере. В частности, в прототипе ПС реализована полуэмпирическая модель переноса, основанная на двухпараметрическом представлении функционала выпадений. После прохождения радиоактивного облака плотность осаждения на поверхности описывается следующим выражением:
2
5 (х, у) = Aae1 e ^ jZ = * SÍn ф- У C0S ф (1)
V2nв z W =-х cos ф- х sin ф,
где S — плотность выпадений (Бк/м2) в точке с координатами (x, y); A — активность источника (Бк); ф — направление ветра (от северного); а, в — параметры модели.
При анализе модели (1) на основе ПС, реализующего лагранжеву стохастическую модель переноса [1, 2], были найдены следующие корреляционные зависимости между параметрами рассматриваемой упрощенной модели, скоростью ветра и устойчивостью погоды:
la = 10-3 • 0,155ln(v) + 0,355
1р = 0,19e ~°'25s,
где v — скорость ветра, м/c; s — класс устойчивости атмосферы [3].
Одним из достоинств полуэмпирического подхода является его быстродействие за счет рассмотрения ограниченного числа параметров. Очевидно, что столь простая модель является грубым приближением для надежной оценки параметров выброса. Несмотря на простоту, она позволяет с хорошим приближением описывать картину выпадений после прохождения облака и имеет хорошую согласованность с более сложными (например, [4, 5]) моделями переноса радиоактивных веществ в атмосфере.
ПРОТОТИП ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА
Разработанный прототип ПС демонстрирует основные возможности предложенного алгоритма восстановления параметров выброса с использованием специально созданного интерфейса и эффективной реализации описанной модели восстановления. Прототип обеспечивает пользователя следующим функционалом:
— возможность выбора области проведения расчетов;
— возможность использования географических данных о расположении постов контроля радиационной обстановки и проведенных измерениях;
— возможность самостоятельно размещать на карте посты измерений мощности дозы и сохранять полученные наборы постов;
— наглядное представление результатов восстановления параметров источника радиоактивного выброса и метеоусловий;
— моделирование выброса при оптимальных восстановленных параметрах для визуализации радиационных последствий (построение линий уровня мощности дозы на карте).
Используемая модель восстановления характеристик радиоактивного выброса имеет следующие необходимые входные параметры:
— положение (географические координаты) источника выброса;
— положение (географические координаты или метрические координаты относительно источника) постов контроля радиационной обстановки;
— показания мощности дозы с постов контроля после прохождения облака.
Дополнительными входными параметрами, уточняющими результаты восстановления, могут быть:
— скорость ветра на высоте флюгера (10 м);
— преимущественное направление ветра;
— информация о классе устойчивости атмосферы.
При разработке прототипа программного средства были учтены следующие основные требования.
— Эффективная реализация. С учетом возможных ресурсоемких сценариев расчета реализация используемого алгоритма должна быть эффективной с точки зрения использования ресурсов персонального компьютера — процессора и памяти. При этом эффективность работы алгоритма не должна сильно сказываться на точности результатов.
— Удобный интерфейс. Принимая во внимание возможность работы с данным программным средством пользователей разного уровня подготовки, необходимо обеспечить достаточную оснащенность интерфейса при его минимальной сложности.
Работа с ПС начинается с выбора сценария моделируемого события, который включает карту и ее масштаб. Взаимодействие пользователя с необходимыми входными параметрами осуществляется с помощью интерфейса непосредственно на карте области и панели дополнительных входных параметров. Помимо возможности создания постов контроля вручную (с необходимостью указания для каждого поста показания мощности дозы от следа прошедшего облака) предусмотрен вариант использования готовых файлов с данными о постах контроля радиационной обстановки, в которых указаны географические координаты каждого поста и его показания. Реализована также возможность редактирования внутренних параметров модели восстановления (в частности шагов расчетных сеток алгоритма), в случае если точность или скорость работы алгоритма при номинальных значениях являются недостаточными.
Визуализация результатов расчета
Продолжительность работы алгоритма восстановления характеристик радиоактивного выброса связана с характеристиками локального компьютера и с параметрами самого сценария. По окончании процесса в прототипе создается вкладка результатов, на которой представлена вся необходимая информация для анализа восстановленных данных.
Основным средством анализа результатов восстановления служит ветровая диаграмма результатов. Она представляет собой круг, разделенный на секторы в радиальном и угловом направлениях. Каждый сектор соответствует работе алгоритма при фиксированн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.