МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Азаров Сергій Іванович

УДК 621.311.25:614.876

МЕТОДОЛОГІЯ АНАЛІЗУ ТЕХНОГЕННО НЕБЕЗПЕЧНИХ ОБ'ЄКТІВ І ТЕРИТОРІЙ ДЛЯ УПРАВЛІННЯ ЇХ ЕКОЛОГІЧНОЮ БЕЗПЕКОЮ

Спеціальність – 21.06.01 – Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень Національної Академії Наук України.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор

Токаревський Володимир Васильович, ДСП "Техноцентр", Київська філія, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Тарапон Олександр Григорович,

Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, завідувач відділу моделювання задач екології

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Єремеєв Ігор Семенович,

Державна академія житлово-комунального господарства, завідувач кафедри екології і комунального господарства

доктор технічних наук, професор

Применко Валентин Іванович,

Національний авіаційний університет МОН України,

професор кафедри безпеки життєдіяльності

Провідна установа: Національний технічний університет України "КПІ",

кафедра екології та технології рослинних полімерів

Захист відбудеться “17” травня 2005 року о 14 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д26.062.09 у Національному авіаційному університеті МОН України за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НАУ за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “14” квитня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої Ради

кандидат хімічних наук, доцент Г.В. Сокольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В нашій країні нараховується більше восьми тисяч об’єктів та територій підвищеної екологічної небезпеки, на яких можуть створюватись надзвичайні ситуації техногенного та природного характеру. Внаслідок розвитку аварії на них в навколишнє середовище може бути викинута велика кількість токсичних та радіоактивних речовин, що суттєво вплине на здоров’я та життя працюючих і рятувальників. З іншого боку, у разі випаду забруднення шкідливими продуктами від аварії на даних об’єктах, під їх дію можуть потраплять 18 областей України, загальною площею сотні тис. га, на яких проживає десятки мільйонів людей. Зростання кількості тяжких аварій та обсягів спричинених ними загальнолюдських та матеріальних збитків показує, що існуючі наукові дослідження небезпечних аварійних процесів та їх екологічних наслідків не принесли помітних успіхів щодо їх попередження і запобігання. Разом з цим, незважаючи на прорахунки та відсутність помітних результатів по зменшенню кількості техногенних аварій і пов‘язаних з ними надзвичайних ситуацій, аналіз, ідентифікація, контроль і прогнозування джерел, умов, обставин і причин, що сприяють виникненню аварій з метою запобігання їх негативних наслідків є однією із найбільш актуальних проблем. Для успішного вирішення цієї проблеми необхідно шукати нові теоретичні та методологічні підходи. Тому дослідження, пов‘язані з розробкою обґрунтованої методології комплексного аналізу прикмет аварійних ситуацій і різноманітних процесів їх виникнення, розвитку та впливу на довкілля, а також створення ефективних засобів та систем захисту техногенно небезпечних об‘єктів і територій від аварій є важливою загальнодержавною проблемою. Реалізація цієї методології дозволить створити надійну розрахункову базу в системі управління екологічною безпекою на державному, регіональному і локальному рівнях.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені у дисертації результати були отримані завдяки виконанню таких науково-дослідницьких робіт (НДР):

- Тема НДР: “Дослідження виходу радіоактивних газів, аерозолів та пилу з об’єкта “Укриття” в навколишнє середовище і розробка рекомендацій з підвищення радіаційної безпеки об’єкту” – Розпорядження Президії АН України від 16.05.1991 р., № 482, наук. керівник проф. В.В. Токаревський, відповідальний виконавець розділу з пожежної безпеки об’єкта – С.І. Азаров, (1991-1993).

- Тема НДР: “Визначення статусу об’єкту “Укриття” з пожежної безпеки і застосування діючих НТД у галузі пожежної безпеки до умов об’єкта”, № ДР 0195U030500, наук. керівник С.І. Азаров, (1994-1996).

- Тема НДР: “Розробити автоматичну систему екологічно-радіаційного моніторингу та пожежного попередження” № ДР 0197U014614, Програма ДНТП-97 “Охорона навколишнього середовища “ВАРТА”, № 01.03/03690, відповідальний виконавець розділу з пожежної безпеки Зони відчуження – С.І. Азаров, (1997-1999).

- Тема НДР: “Розробка основ створення композиційних матеріалів для захисту від одночасного впливу небезпечних факторів пожежі і радіації”, № ДР 0100U005123, наук. керівник С.І. Азаров, (2000-2001).

- Тема НДР: “Науково-технічні аспекти забезпечення загальної технічної безпеки дослідницького ядерного реактора”, № ДР 0101U000423, наук. керівник С.І. Азаров, (2001-2002).

- Грант: “Concept of fire hazard for Chernobyl Sarcophagus”, ISBN-96.014, Germanisher Lloyd, відповідальний виконавець з Української сторони – С.І. Азаров, (1996-1998).

- Грант: “Bisherige Ergebnisse der waldbrand simulation in der region Tschernobyl”, SR-2075-1/LV8, Koln, відповідальний виконавець з Української сторони – С.І. Азаров, (1998-1999).

- Грант: “Industrial and fire safety access and infrastructure control”, (NPP Chernobyl Unit 4 – SIP EBP, Package B “Operation and Monitoring” Task 16), Technicatom, CEN de Saclay, France, відповідальний виконавець з Української сторони – С.І. Азаров, (1999-2000).

Метою даної роботи є теоретичне обґрунтування і розробка методології комплексного аналізу стану безпеки техногенно небезпечних об‘єктів і територій шляхом виявлення на ранніх етапах прикмет аварійних ситуацій і різноманітних процесів їх виникнення, розвитку та впливу на довкілля, а також створення нових ефективних методів, засобів і систем захисту, що забезпечують мінімізацію екологічних наслідків аварій.

Для досягнення вказаної мети необхідно було розв’язати такі завдання:

1. Проаналізувати існуючі методи і засоби досліджень техногенних аварій і природних катастроф, виявити критичні і екстремальні ситуації та на їх основі розробити нові наукові методики і заходи системного аналізу аварійних процесів та їх екологічних наслідків.

2. Розробити методику виявлення факторів та джерел аварій, визначення ступеня їх техногенної дії на довкілля для моделювання аварійних процесів і сценарій впливу шкідливих забруднювачів на довкілля.

3. Теоретично обґрунтувати техногенні ризики ураження людини і навколишнього середовища при виникненні аварії на об‘єктах і територіях підвищеної екологічної небезпеки.

4. Провести комплексні дослідження різноманітних матеріалів з метою вибору методів реєстрування та створення нових конструкцій датчиків для контролю параметрів виникнення техногенних аварій, уражаючих факторів та спостереження за технічним станом об‘єктів і територій, оцінки зміни стану їх безпеки і прогнозу впливу радіації на довкілля..

5. Розробити та створити спеціальний композиційний матеріал для виробництва аварійного костюму рятівника, що захищає від впливу підвищених температур і дії іонізуючого випромінювання.

6. Науково обґрунтувати і розробити концепцію створення нових систем спостереження за безпечним станом об‘єктів і територій підвищеної екологічної небезпеки, визначення факторів аварійних ситуацій і ступеня їх техногенної дії на довкілля для прийняття управлінських рішень.

Об’єкти дослідження – аварійні процеси в вугільних шахтах, на атомних електричних станціях (АЕС), в об’єкті “Укриття”, на забруднених радіоактивними речовинами територіях.

Предмети дослідження – методологічні основи і методи фізичного моделювання аварійних процесів, механізм утворення небезпечних та шкідливих факторів аварії, шляхи їх впливу на людину і довкілля, способи моніторингу параметрів уражаючих факторів аварії та засоби захисту від їх дії..

Методи досліджень – інструментальні методи вимірювання присутності і визначення фізико-хімічних форм небезпечних та шкідливих факторів аварії в навколишньому середовищі. Математичні та комп’ютерні методи моделювання процесів виникнення і розвитку аварії та їх екологічних наслідків, а також інтерпретація отриманих даних за результатами моделювання. Статистичні методи обробки даних та узагальнення отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів. Новизна роботи полягає в тому що на основі розробленої методології:

1. Проведено аналіз причин техногенних аварій і пов‘язаних з ними екологічних наслідків з виявом нових джерел і умов їх виникнення для відзначення предаварійних процесів і надзвичайних ситуацій.

2. Запропоновано системний підхід сукупністю існуючих методів вивчення процесу розвитку та поширення техногенної аварії, що дало можливість вперше дослідити механізм утворення небезпечних, шкідливих і уражаючих факторів аварії різної природи походження.

3. Визначено основні закономірності процесів взаємодії і трансформації хімічних сполук, природних та штучних радіоактивних частинок в продуктах згорання, що дозволило вивчення нетрадиційних шляхів їх надходження в організм людини з оцінкою ізольованої і комбінованої дії та ризику ураження.

4. Розроблено оригінальні алгоритми і програми моделювання проходження аварійних процесів в об‘єкті "Укриття" і Чорнобильській території для оцінки та прогнозування радіоекологічного стану в зоні впливу радіаційної аварії.

5. Запропоновано нові фізичні принципи реєстрації чинників техногенних аварій з використанням сучасних високочутливих та радіаційно і термонадійних датчиків для їх впровадження.

6. Створено нетрадиційний полімерний композиційний матеріал з поліпшеними експлуатаційними властивостями для захисту людини в умовах дії агресивних середовищ.

7. Запропоновано концепцію розробки нових систем безпеки з використанням створених датчиків нового покоління і програмного забезпечення для ідентифікації, вірогідного аналізу та прогнозування предаварійних процесів, що дає можливість локалізувати і ліквідувати осередки аварії на ранніх стадіях їх виникнення з метою запобігання і мінімізації екологічних наслідків.

Практичне значення отриманих результатів.

1. На основі запропонованої концепції модернізації систем безпеки реакторної установки розроблено ескізний проект “Системи пожежної безпеки реактора ВВЕР-1000” (г/д 5/92-А, г/д 2/93; Замовник КБ ХАРТРОН-ЕНКОС, м. Харків; Вик. ІЯД НАН України, 1994-1996 роки).

2. У рамках виконання договору з Підприємством об’єкт “Укриття” за темою “Розробка системи контролю і діагностики вибухо- пожежнонебезпечних ситуацій” (г/д 40/91, г/д 42/91-49 1991-1993 роки) розроблено проект і створено макет системи та дослідна партія пожежних сповіщувачів для захисту від аварій в доступних приміщеннях об’єкту “Укриття”.

3. На основі Наказу адміністрації Зони відчуження № 45 від 24.05.1996 пункт 8: “Впровадити систему на базі НВЧ-пеленгатора для раннього виявлення пожеж на території Зони відчуження” розроблені концепція, ескізний проект і макетний зразок НВЧ-радіометра, який разом з технічною документацією було передано в організацію ДП “Чорнобильліс” для подальшого використання за призначенням.

4. Створені лабораторні установки дозволили визначити показники токсичності та шкідливості горючих матеріалів при високотемпературній возгонці, провести аналіз продуктів термічної деструкції та піролізу і визначити пожежотехнічні показники (температура самозаймання, горіння та тління, кисневий індекс, коефіцієнт димоутворення та ін.) різноманітних полімерних композиційних матеріалів.

5. Використання керуючим персоналом результатів моделювання і прогнозування надзвичайних ситуацій дозволило їм адекватно оцінювати навколишню обстановку і ефективність застосованих методів і засобів захисту працюючих, рятувальників і населення, та на їх основі зацікавленим відомствам приймати оптимальні рішення і заходи, які спрямовані на зниження ризику шкоди здоров’ю людини і появи віддалених наслідків.

Особистий внесок автора полягає в обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи, розробці фізико-хімічних та математичних моделей, алгоритмів і програм, установленні теоретичних залежностей, створенні методик експериментальних досліджень та лабораторних стендів для проведення термо- і радіаційних випробувань різних матеріалів, участі у постановці і проведенні випробувань у лабораторних та натурних умовах, в аналізі, обробці і інтерпретації отриманих результатів, а також у формулюванні новизни, практичного застосування та участі у впровадженні розроблених виробів, в обґрунтуванні основних висновків за результатами роботи, оцінці та узагальненні отриманих у статтях та дисертації наукових даних.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались на Українських, Всесоюзних (колишніх СРСР) і Міжнародних з’їздах, конференціях, симпозіумах і опубліковані в відповідних тезах (40 конференцій з яких 8 – Міжнародні), серед них:

Всесоюзный семинар “Проблемы надежности расчетных данных по безопасности реакторных установок (модели аварийных процессов, константы, программы)”, Минск, ноябрь 1991; Семинар МХО ИНТЕРАТОМЭНЕРГО по обмену опытом в области пожарной безопасности АЭС, Ленинград, 20-23 марта 1990; “Стойкость волоконно-оптических линий связи к ионизирующему излучению”, Научно-технический семинар, Москва, 10-14 сентября 1990; “Оптические методы измерений и способы обработки данных теплофизических и нейтронно-физических процессов в элементах энерготехники”, Всесоюзная конференция, Севастополь, 10-12 июня 1990; III Всесоюзное совещание “Метрология ионизирующих излучений”, Ленинград, 21-23 января 1990; I Всесоюзное совещание “Диэлектрические материалы в экстремальных условиях”, Суздаль, 22-26 января 1990; I Всесоюзная научно-практическая конференция “Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов”, Томск, октябрь 1991; “Оптические методы диагностирования двухфазных потоков в элементах АЭУ, Всесоюзная конференция, Севастополь, 20-21 октября 1991; Всесоюзная научная конференция “Вопросы обеспечения стойкости радиоэлектронных средств к воздействию электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения”, Харьков, 14-16 мая 1991; “Интеграция АСУ ТП и Тренажерных устройств”, Всесоюзная научно-практическая конференция, г. Украинка, сентябрь 1991; Всесоюзное совещание “Методика и техника реакторных и послереакторных экспериментов в радиационном материаловедении”, Димитровград, 30 сентября-1 октября 1991; IX Совещание по дозиметрии интенсивных потоков ионизирующих излучений, Обнинск, октябрь 1992; Научный семинар “Экология АЭС”, Одесса, 4-8 октября 1993; VIII семинар по проблемам физики реакторов “Расчетно-экспериментальное обеспечение исследований по безопасной ядерной энергетике и ее топливному циклу”, Москва, 5-9 сентября 1993; Міжнародний симпозіум “Безпека “Укриття-94”, Зелений Мис, Чорнобиль, 14-18 березня 1994; Конференція “Чорнобильська аварія, її наслідки та проблеми їх подолання”, Київ, 20-21 квітня 1994; Наукова конференція “Дев’ять років після Чорнобильської аварії”, Київ, 20-21 квітня 1995; XIII Всероссийская научно-практическая конференция “Пожарная безопасность-95”, Москва, 1-2 ноября 1995; ІІ З’їзд радіобіологів України, Дніпропетровськ, 22-24 вересня 1995; Науково-практична конференція “Проблеми пожежної безпеки”, Київ, 14-16 червня 1995; ІХ семинар по проблемам физики реакторов “Проблемы безопасности ядерно-энергетических установок”, Москва, 4-8 сентября 1995; V Міжнародна науково-технічна конференція “Чорнобиль-96. Підсумки десяти років робіт з ліквідації аварії на ЧАЕС”, Зелений Мис, 12-15 березня 1996; ІІ Обнинский симпозиум по радиоэкологии, Обнинск, 27-31 мая 1996; Науково-практична конференція “Пожежна безпека-97”, Київ, вересень 1997; II Международная конференция “Научные и технические аспекты международного сотрудничества в Чернобыле”, Славутич, сентябрь 1998; III Всеукраїнська науково-практична конференція “Здобутки, проблеми та перспектива аварійно-рятувальних служб”, Київ, 25-26 листопада 1999; Науково-практична конференція “Наука. Чорнобиль-98”, Київ, 1-2 квітня 1999; Конференція “Вчені та інженери за безпечну атомну енергетику”, Славутич, 14-16 жовтня 1999; ІІІ Научно-практическая конференция “Радиационные поражения и перспективы развития средств индивидуальной защиты от ионизирующих излучений”, Москва, 25-26 мая 1999; XV Научно-практическая конференция “Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков”, Москва, ноябрь 1999; Науково-практична конференція “Пожежна безпека”, Черкаси, листопад 1999; IV Конференція “Наукові, технічні та соціальні аспекти закриття Чорнобильської АЕС”, Славутич, 26-29 вересні 2000; Міжнародна конференція “П’ятнадцять років Чорнобильської катастрофи. Досвід подолання”, Київ, 18-20 квітня 2001; П’ята щорічна конференція “В ХХІ століття з безпечними ядерними технологіями”, Славутич, 12-14 вересня 2001; XVI Научно-практическая конференция “Крупные пожары: Предупреждение и тушение”, Москва, 30-31 октября 2001; V Науково-практична конференція “Пожежна безпека-2001”, Львів, 20-22 листопада 2001; IV Міжнародна науково-практична конференція “Об’єкт “Укриття” 15 років. Минуле, сучасне, майбутнє”, Славутич, 27-30 листопада 2001.

Публікації результатів досліджень. Результати дисертації опубліковані в 42 друкованих наукових роботах, у тому числі в 25 статтях в наукових фахових виданнях України, з них 14 – одноосібні, 9 авторських свідоцтв з яких 6 без співавторів, 1 патент України та публікації в періодичних наукових виданнях, збірниках і працях, конференціях і семінарах.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновку, додатків і містить 348 сторінок тексту, 22 малюнка, 121 таблицю і список літератури з 290 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі зроблено критичний аналіз відомих моделей і методів аналізу аварій, аварійних процесів та їх наслідків. Визначено, що існуючі дослідження в цій галузі можуть розв‘язувати тільки певне коло задач: аналізувати більш прості аварії і кінетику розповсюдження забруднюючих речовин в повітрі, прогнозувати масштаби аварії на короткому інтервалі часу. Ці розробки використовувались як основа для оперативного контролю розвитку аварії, або як програмна база для вирішення деяких задач у складі систем управління. Проте, якщо ставити задачу вивчення умов виникнення тяжких аварії і їх екологічних наслідків розглянуті методи можуть використовуватися тільки у сукупності з іншими методами, як окремі елементи в складних системах моніторингу і прогнозування. Для розв‘язання більш складних задач моделювання процесів виникнення, розвитку і поширення аварійного викиду в повітря та прогнозу його екологічного впливу на довкілля необхідно застосувати комплексні підходи і можливість сучасних комп‘ютерних і інформаційних технологій.

Системний підхід аналізу тяжких аварій та їх екологічних наслідків, що направлений на координацію і інтеграцію використання наукових досліджень, цілісне охоплення явищ, які вивчаються і в той же час на поглиблене вивчення механізму виникнення аварій, розвиток аварійних процесів в просторі та часу, а також впливу уражаючих факторів аварії на довкілля. На підставі проведеного аналізу та узагальненні існуючих теоретичних рішень і математичних моделей розрахунку визначені основні методичні передумови до обґрунтування і розробки методології аналізу техногенно небезпечних об‘єктів і територій (рис.1). Методологія побудована за ієрархічним принципом і складається з блоків аналізу аварій, експертизи наслідків аварій, апріорної і апостеріорної оцінки ризику, а також прийняття управлінських рішень. Метою даної системи аналізу є формування множини альтернатив виникнення і розвитку аварії, оцінка ризиків за допомогою апостеріорного розподілу аварій і достовірності випадків при заданій кількості їх виникнення і порівняння з апріорним розподілом. При цьому повинні виконуватися принципи взаємодії і взаємозв‘язку різних ризиків. За допомогою розробленої методології приведено аналіз джерел, умов і обставин виникнення аварій і процес їх розвитку, а також оцінка їх дії на довкілля для прийняття управлінських рішень по мінімізації екологічних наслідків.

Рис.1. Структура методології аналізу техногенно небезпечних об‘єктів і територій.

На основі розробленої методології проведено аналіз аварій в паливно-енергетичному комплексі України та територіях забруднених радіонуклідами Чорнобильського походження.

Показано, що надзвичайна концентрація промисловості в окремих регіонах країни на яких зосереджено техногенно небезпечні об‘єкти і території різної категорії небезпеки (до Державного реєстру внесено 8482 потенційно небезпечних об‘єктів і 2108 об‘єктів підвищеної небезпеки), обумовлюють велику вірогідність виникнення надзвичайних ситуацій (за 2000-2001 роки сталось 825 техногенних аварій від яких загинуло 2700 осіб), які несуть загрозу для довкілля.

Встановлено, що найбільш ризикова щодо виникнення техногенних аварій – вугільна галузь, зокрема вугільні шахти із яких близько 90% - газонебезпечні, 70 – небезпечні через вибух вугільного пилу, 30% - через самозаймання вугілля. За минулі 10 років в вугільних шахтах України виникло 702 підземних пожеж, 78 спалахувань метаноповітряної суміші, 38 вибухів газу та вугільного пилу, внаслідок чого загинуло близько тисячі гірників.

Встановлено, що на сьогодні найбільшу загрозу несуть у собі об‘єкти атомної енергетики. Наразі в Україні експлуатується 13 енергоблоків на чотирьох АЕС. Проводиться будівництво на Ровенській та Хмельницький АЕС. Проаналізований досвід експлуатації АЕС України дозволив виявити як загальні для всіх станцій технічні проблеми, так і проблеми, характерні для окремих типів реакторних установок. Загальною для всіх АЕС є проблема, яка пов’язана з вичерпанням проектного ресурсу експлуатації обладнання. Проаналізовано стан пожежної та радіаційної безпеки об’єкту під назвою “Укриття”, зруйнованого реактора № 4 Чорнобильської АЕС. Цей об’єкт містить сукупність споруд, що складаються з пошкодженого аварією 4-го енергоблоку ЧАЕС та заново збудованих захисних конструкцій, що закривають викинуті з активної зони реактора відкриті джерела радіоактивності, ізоляція яких в силу ряду причин не може бути надійною і довговічною.

Встановлено, що в Україні щорічно фіксується більше 2 тис. лісових пожеж, з яких біля 90 % виникають з вини людини, а площа лісу, на якій виникають пожежі за рік, складає більше однієї тисячі га, причому, як правило, згорає і пошкоджується більше десятків тисяч м3 деревини. Особливо часто лісові пожежі виникали в Київській, Чернігівський, Рівненській, Житомирській та Волинський областях. Показано, що лісові пожежі на забруднених радіонуклідами територіях збільшують радіаційне навантаження довкілля і шкідливо впливають на стан здоров’я населення, що проживає поблизу цих територій, а також на екологію навколишнього середовища.

У другому розділі приведено методи і засоби вимірювання небезпечних та шкідливих чинників аварії, методи моделювання аварійних процесів і впливу уражаючих факторів аварій на довкілля для практичної реалізації розробленої методології.

У третьому розділі з допомогою розробленої методології приведено результати досліджень умов праці персоналу і рятувальників при аваріях на об’єктах і територіях підвищеної екологічної небезпеки. Були встановлені основні уражуючи фактори пожежі, вибуху і радіації та вияснено вплив їх комбінованої дії на організм людини і визначені за допомогою аналізу певних величин їх взаємодії, що дозволило встановити основні закономірності взаємозалежності доза-ефект, визначити ступінь ризику для здоров’я людини і появи віддалених наслідків, як результату їх комбінованої дії.

Уражаючими факторами цих аварій є: первинні: відкритий вогонь та іскри, підвищена температура навколишнього середовища, обладнання, токсичні і радіоактивні продукти горіння і термічного розкладу, зниження концентрація кисню і наявність диму; вторинні: уламки, частини зруйнованого агрегату, об’єкту, виділення з пошкодженого обладнання або матеріалу шкідливих речовин, вміст яких у повітрі робочої зони перевищує гранично допустимій рівень, електрична напруга, шкідливі фактори вибуху та іонізуючої радіації.

Встановлено, що при підземній пожежі при згоранні однієї тони вугілля виділяються в атмосферне повітря наступні токсичні газові сполуки у такій концентрації (мг/м3): SO2 – (200-800), NO – (400-1000), CO – (800-1600), CO2 – (1100-4300). У продуктах згорання вугілля були знайдені наступні ВМ в концентрації (мг/м3): V – (0,3 0,5), Co – (0,02 0,5), Ba – (0,01 0,03), Cr – (0,01 0,6), а також у пробах летючої золи за допомогою - спектрометра і радіохімічним методом були виявлені природні радіонукліди з питомою активністю (Бк/м3): Калій (40K) – (40 200), радій (226Ra) – (0,005 0,03), свинець (210Pb) – (0,001 0,015), полоній (210Po) – (0,001 0,01), торій (232Th) – 10-3 і уран (238U) – 10-4.

Приведені результати розрахунку дозового навантаження та індивідуального ризику на організм людини при дії токсичних газів та інших шкідливих речовин.

При аварії на радіаційно-небезпечному об’єкті або території у навколишнє середовище, як правило, викидаються радіоактивні елементи. Як приклад, проаналізовано два випадки пожежі, що відбулися на об’єкті “Укриття” у приміщенні 402/3 і приміщенні 805/3. Результати відновлення еквівалентної дози - випромінювання біотканинами для двох випадків пожежі наведені у табл. 1.

Таблиця 1-

Результати відновлення еквівалентної дози - випромінювання біотканинами для двох випадків пожежі на об’єкті “Укриття”

Орган або тканина | Еквівалентна доза - випромінювання, мЗв | Пожежа в прим. 402/3 | Пожежа в прим. 805/3 | Шкіра | 650 | 410 | Кисті і стопи | 600 | 380 | Кришталики очей | 260 | 115 |

Із отриманих даних видно, що для випадку пожежі в прим. 402/3 має місце перевищення величини дози для шкіри – в 1,3 рази, кисті і стопи – в 1,2 рази, для кришталиків очей – в 1,7 рази.

Приведені розрахунки ризику захворювання рятівників, які приймали участь в гасінні пожеж в прим. 402/3 та 805/3 і які отримали певне радіаційне навантаження від випромінювання, обумовленого дією радіоактивного диму і радіоактивних частинок, що осіли на поверхні приміщень, розраховані для стандартної дорослої людини без засобів захисту від іонізуючого випромінювання за формулою:

(1)

де – коефіцієнт ризику захворювання від дії і-го радіонукліду; – еквівалентна доза зовнішнього опромінення пожежника і-м радіонуклідом у даний момент часу t.

Для отримання вихідних даних при розрахунку дози внутрішнього опромінення інгаляційним шляхом експериментально виміряли розміри радіоактивних частинок летючої золи та їх активність. Встановлено певний розподіл летючих аерозольних частинок у продуктах згорання в реальних умовах пожеж на об’єкті “Укриття” шляхом апроксимування по типу:

(2)

де ng – інтегральна концентрація летючих частинок; Ra – аеродинамічний радіус летючих частинок; R0 – середньогеометричний радіус летючих частинок; g – стандартне геометричне відхилення.

Показано, що за дисперсним складом летючі частинки розподілялись наступним чином: аерозолі з активним мас-аеродинамічним діаметром (АМАД) до 1 мкм – 10 %, 1-5 мкм – 65 %, 5-10 мкм – 15 %, більше 10 мкм – 10 %. Встановлено, що АМАД аерозолів цезію (137Cs) складає 1,35 мкм при стандартному геометричному відхиленні g = 1,05, для стронцію (90Sr) – 2,8 мкм при g =

2,01, а для америцію (241Am) – 1,7 мкм при g = 1,8. Згідно з положенням респіраторного тракту МКРЗ (Публікація 66) радіоактивні частки, що надходять в організм пожежника, за хімічними сполуками ділились на два типа F i M за критерієм здатності всмоктування.

В табл. 2 наведені розрахункові дані про ризик летального наслідку при інгаляційному надходженні різних радіонуклідів в організм рятівника без застосування засобів захисту органів дихання в обох випадках гасіння пожеж на об’єкті “Укриття”.

Таблиця 2-

Розрахункові дані про ризик летального наслідку при інгаляційному надходженні радіоактивних продуктів згорання (РПЗ) в організм рятівника

Нуклід | Ризик летального наслідку | Пожежа в приміщенні 402/3 | Пожежа в приміщенні 805/3 | Клас всмоктування | Клас всмоктування | F | M | F | M | 131, 133, 134, 135J | 7 10-4 | 1,8 10-3 | 4 10-6 | 9 10-6 | 134Cs | 3 10-4 | 9 10-4 | 1,2 10-6 | 2 10-6 | 137Cs | 1,5 10-4 | 6 10-4 | 2,5 10-6 | 6 10-6 | 89Sr | 1,8 10-4 | 4 10-4—— | 90Sr | 2,6 10-4 | 6 10-4—— | 99Mo | 1,7 10-4 | 7 10-4 | 0,5 10-6 | 3 10-6 | 95Zr—— | 1,9 10-6 | 2,3 10-6 | 95Nb—— | 1,4 10-6 | 2,6 10-6 | 103Ru | 2,8 10-4 | 8,7 10-4 | 1,1 10-6 | 2,3 10-6 | 106Ru | 3,5 10-4 | 0,1 10-3 | 0,9 10-6 | 3,2 10-6 | 140Ba | 1,7 10-4 | 3,8 10-4 | 2,1 10-6 | 5,4 10-6 | 144Ce | 1,9 10-4 | 5,2 10-4 | 1,7 10-6 | 3,7 10-6 | 132Te | 2,1 10-4 | 6,3 10-4 | 3,4 10-6 | 5,8 10-6 | Величину ризику летального наслідку при інгаляційному надходженні різних типів радіоактивних речовин визначали таким чином:

(3)

де Kinhal – коефіцієнт ризику летального наслідку від і-го радіонукліду; – еквівалентна доза внутрішнього опромінення пожежного і-м радіонуклідом в момент часу t.

Експериментально показано, що вихід летючих частинок РПЗ при згоранні лісової підстилки (при волозі 40 %) склав 3,5 % за масою, а при горінні гілок і хвої сосни (волога 15 %) – 7%. Розподіл летючих частинок РПЗ за об’ємними розмірами задовільно апроксимувався згідно логнормальної функції. Відповідно до розподілу (див. формулу2) була визначена середня розрахункова концентрація летких частинок РПЗ при локальній верховій лісній пожежі, яка складала 3 108 м-3.

Індивідуальний ризик на віддалі L від місця лісової пожежі для критичної групи населення визначали таким чином:

(4)

де K(L) – фактор, який враховує рівновірогідність напрямку вітру при лісовій пожежі;

HF(L),Q – умовна густина (частота) вірогідності лісової пожежі, що призводить до опромінення F(L) при активності викиду Q; f(Q)dQ – частота лісових пожеж, що призводить до активності викиду в інтервалі Q Q + dQ.

Як видно із табл. 3 максимальний середній індивідуальний ризик складає
5 10-5 рік-1.

Таблиця 3-

Дані про середній індивідуальний і колективний радіаційний ризик ураження населення при пожежах у лісах, забруднених радіонуклідами

Назва області | Середній індивідуальний радіаційний ризик, 10-6 рік-1 | Колективний радіаційний ризик,

осіб рік-1 | Відстань від місця лісової пожежі, км | 5 | 15 | 25 | 35 | 5 | 15 | 25 | 35 | Вінницька | 0,3 | 0,1 | 0,05 | 0,002 | 0,08 | 0,1 | 0,5 | 0,9 | Волинська | 2,7 | 1,2 | 0,6— | 0,1 | 0,3 | 1,2— | Житомирська | 7,3 | 5,7 | 3,2 | 1,9 | 0,4 | 0,7 | 1,3 | 2,5 | Київська | 6,1 | 4,3 | 2,7 | 1,5 | 0,6 | 0,9 | 1,6 | 2,7 | Рівненська | 4,4 | 2,6 | 1,3 | 0,4 | 0,2 | 0,6 | 0,9 | 1,9 | Сумська | 0,4 | 0,1 | 0,01— | 0,09 | 0,3 | 0,6— | Чернігівська | 5,5 | 3,2 | 1,9 | 1,0 | 0,3 | 0,6 | 0,9 | 1,6 | Черкаська | 3,1 | 1,3 | 0,8— | 0,07 | 0,2 | 0,6— | Хмельницька | 0,01——— | 0,04———

У четвертому розділі показано, що розроблена методологія дає можливість моделювати процес проходження екзогенних пожеж та аварійних вибухів у вугільних шахтах, виникнення і розвиток пожеж у приміщеннях АЕС та об’єкту “Укриття”, а також процес викиду і міграції радіоактивних продуктів згорання із зони лісової пожежі. Для математичного моделювання температурного режиму, напрямку розвитку та тривалості підземної пожежі було використано рівняння кисневого та матеріального балансу, стану довкілля, горіння кам’яного вугілля, швидкості вигорання горючих матеріалів, утворення продуктів згорання, зміни максимальної швидкості тепловиділення і тривалості екзогенної пожежі. Розглянуто декілька стадій (фаз) виникнення та розвитку підземної пожежі: безполум’яне розкладання горючих матеріалів (самопідтримуване тління, передполум’яне окислення та передполум’яний піроліз; пожежа, що розвивається, та повністю розвинена екзогенна пожежа з полум’ям при слабкій та сильній вентиляції; догорання. Показано, що при комп’ютерному моделюванні на першій стадії густина теплового потоку змінюється у діапазоні (5 25) кВт/м2, середньооб’ємна температура (573 773) К, а тривалість процесу горіння - декілька годин. Друга, сама небезпечна стадія, триває від 0,4 до 6,0 годин при густині теплового потоку від 20 до 150 кВт/м2 та середньо-об’ємній температурі від 873 до 1773 К, причому вміст токсичних газів може становити, %: СО – (1,5-2,5), СО2 – (3,0-5,0), О2 – (1-5) та СН4 – (15-20). Наведено результати моделювання сценаріїв протікання аварійного підземного вибуху під час спалаху метаноповітряної суміші та вугільного пилу. У табл. 4 наведені дані моделювання вибуху метану масою 10 кг у забої висотою 2,0 метри.

Таблиця 4-

Залежність значень параметрів уражуючих факторів аварійного вибуху від відстані,

на якому вони реалізуються

Параметр уражуючого фактора | Відстань, на якій реалізується уражуючий фактор, м | 5,0 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | Тиск вибуху (надлишкове), кПа | 170 | 290 | 440 | 530 | 760 | 840 | 910 | 1020 | Інтенсивність теплового випромінювання, кВт/м2 | 18,2 | 17,9 | 17,4 | 16,8 | 15,6 | 14,9 | 14,0 | 13,2 | Концентрація продуктів згорання, мг/м3 | 2100 | 2000 | 1800 | 1500 | 1300 | 1200 | 1174 | 1020 |

Показано, що при моделюванні процесу розвитку пожежі на радіаційно-небезпечному об’єкті (АЕС, об’єкт “Укриття”) необхідно знати конструктивно-планувальні характеристики приміщень, рівень пожежного навантаження, вогнестійкість перекриттів та стін, а також можливість переростання осередку займання в локальну або в об’ємну пожежу, що регулюється пожежним навантаженням, або вентиляцією. Проведений розрахунок вогнетривкості реакторного залу показав, що ніякі зовнішні та внутрішні пожежі, які регулюються пожежним навантаженням або вентиляцією, не можуть викликати руйнування перекриттів та стін, але вони можуть бути причиною появи осередків займань, які можуть вплинути на системи, важливі для безпеки. Розглянуто механізм та швидкість утворення вибухонебезпечних газоподібних сумішей (Н2, О2, СО, СН4 та ін.), як продуктів радіолізу води та полімерних матеріалів, що знаходяться у приміщенні об’єкту “Укриття”.

Аналіз можливих сценаріїв аварії у приміщеннях об’єкту “Укриття” показав, що в приміщеннях можливі локальна, місцева та об’ємна пожежі (табл. 5).

Таблиця 5-

Розрахунок можливих пожеж у приміщеннях зруйнованого реактора 4-го блоку ЧАЕС

Категорія пожежі | P,

рік-1N, кВт | Т,

К | FП, м2dП, м | hП, м | rГ.М, м/с | tП, год. | HД, м | VЧ, м/с | Локальна | 210-2 | 800 | 1273 | < 50 | 10,2 | 19 | 4,1 | < 1,0 | 100 | 0,09 | Місцева | 10-4900 | 1373 | > 50 | 19,8 | 22 | 4,8 | > 1,5 | 150 | 0,65 | Об’ємна | 410-42000 | 2073 | ~ 100 | 25,3 | 40 | 5,4 | ~ 4-6 | 300 | 1,12 |

Примітка: P – частота або ймовірність виникнення пожежі; N – потужність, яка виділяється при горінні; T – середньооб’ємна максимальна температура газів; FП – площа пожежі; dП – еквівалентний діаметр осередку пожежі; hП – висота полум’я; rГ.М – швидкість вигорання горючих матеріалів; tП – тривалість пожежі; HД – висота підйому стовпа диму; VЧ – швидкість висхідного потоку повітря. |

Розрахунок динаміки розповсюдження радіоактивного диму та пилу у довкіллі проводили для помірного сталого стану атмосфери (категорія погоди С за класифікацією Пасквіля) без дощу при швидкості вітру 2,5 м/с.

На рис. 2 наведено щільність радіоактивного забруднення ґрунту в шлейфі від аварійного викиду на об‘єкті "Укриття".

Рис. 2. Карта-схема радіоактивного забруднення при аварії на об‘єкті "Укриття". Час після аварії 6 год., кількість викиду 103 Кі, швидкість повітря 4.2 м/с, погодні умови категорії Д.

Щоб чітко уявити процес утворення і розповсюдження шлейфу диму та випадіння РПЗ під час лісової пожежі було розроблено тримірну модель з використанням балансових рівнянь імпульсу, маси та енергії повітряного потоку та кількості РПЗ у димовому шлейфі.

Рівняння турбулентної дифузії РПЗ, які надійшли в атмосферу із осередків пожежі з координатами (x,y,z), що знаходяться у необмеженому просторі, у найбільшому стані до наближенні певних констант швидкості вітру та коефіцієнту турбулентної дифузії описували таким чином:

, (5)

де C(x,y,z,t) – концентрації РПЗ в повітрі в залежності від просторових координат і часу; kx, ky, kz – коефіцієнти турбулентної дифузії РПЗ в приземному шарі атмосфери; Vx, Vy – проекції швидкості вітру на осі x та y відповідно; Vz – сума швидкостей гравітаційного осідання РПЗ і руху хмари диму у вертикальному напрямку (вісь z – направлена перпендикулярно до поверхні землі); Q – сумарна активність -, - і -радіонуклідів, викинутих в атмосферу в процесі пожежі; W – об’єм РПЗ, викинутий при пожежі в навколишнє середовище; hеф – ефективна висота підйому димової хмари відносно поверхні землі.

Вираз для концентрації РПЗ у повітрі, викликаних дією потужності джерела лісової пожежі у вигляді простої періодичної функції часу

(6)

буде мати вигляд:

(7)

Припускалось, що лісова пожежа займала у Чорнобильській зоні кругову територію радіусом 100 метрів при тривалості конвективної стадії пожежі 1 годину. Мінімальна висота підйому струменю змінювалась у границях від 2000 до 2500 метрів в залежності від стратифікації суміжного шару та профілю швидкості вітру в ньому. Було розраховано концентрації 137Cs при густині забруднення лісових масивів до 37 кБк/м2 та відносної кількості активності, яка піднімається в атмосферне повітря, що дорівнює 7 %.

При комп’ютерному моделюванні було розглянуто розігріту димову хмару РПЗ, яка за рахунок Архімедові сили піднімалась в атмосферу зі швидкістю 10 м/с, а РПЗ мали складний морфологічний та хімічний склад при середній густині 5 г/см3. Моделювання проводилось на сітковій зоні 454050 вузлів, причому по вертикалі використовувалась нерівномірна відстань. На рис. 3 представлено результати комп’ютерного моделювання лісової пожежі: динаміка утворення і переміщення димової хмари та зміна густини випадіння летючих частинок РПЗ на сліду димового шлейфу. Час моделювання лісової пожежі на ПЕОМ становив більше 2,5 годин.

У п`ятому розділі представлені результати досліджень електрофізичних і оптичних властивостей наступних чутливих елементів сегнетокерамічної системи цирконат-титинат свинцю (ЦТС) типа: ЦТС-19, ЦТС-21, ЦТС-22, ЦТС-26, ЦТС-35 і НБС, болометра, волоконно-оптичного датчика температур і плівкового терморезистора при опроміненні їх на горизонтальному каналі реактора ВВР-М при щільності потоку швидких нейтронів 1010 н/(м2 с), а також інтенсивного пучка гамма-променів 10 Рад/с з енергією - квантів 300 кеВ.

В табл. 7 приведені значення змін електрофізичних параметрів зразків п’єзоелементів ЦТС-19 до і після реакторного опромінення.

Таблиця 7-

Порівнювальні дані про збереження параметрів п’єзоелементів ЦТС-19 при опроміненні

№ зразка

Параметр | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | UP,

мВ | до опромінення | 960 | 950 | 950 | 935 | 940 | 950 | 965 | 950 | після опромінення | 940 | 935 | 945 | 920 | 935 | 955 | 945 | 940 | відхилення, % | - 2,08 | - 1,58 | - 0,53 | - 1,60 | - 0,53 | 0,53 | - 2,07 |