Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах распространения радионуклидов в атмосфере icon

Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах распространения радионуклидов в атмосфере



Смотрите также:
Исследование и разработка комплекса программ для геомоделированиЯ размещения объектов...
“Компьютерное моделирование работы схемы усилителя”...
Тема 16: Математическое моделирование...
«Математическое моделирование доменных структур»...
Математическое моделирование многомерных квазистационарных электромагнитных полей в канале...
Учебная программа. Наименование тем, их содержание...
Математическое моделирование аэродинамических систем при создании средств очистки атмосферного...
Рабочая программа дисциплины теория и практика управления процессами нефтегазодобычи...
Рабочая программа дисциплины теория и практика управления процессами нефтегазодобычи...
Математическое моделирование физико-технических объектов на основе структурной и параметрической...
Математическое моделирование электроконвекции в мембранных системах 05. 13...
Математическое моделирование электроконвекции в мембранных системах 05. 13...



скачать



На правах рукописи


Глушанин Михаил Валентинович




Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах распространения радионуклидов в атмосфере


Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Новочеркасск

2009

Работа выполнена в Южно-Российском региональном центре информатизации ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Муратова Галина Викторовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белявский Григорий Исаакович


кандидат технических наук, профессор

Никифоров Александр Николаевич


Ведущая организация: Институт математики и механики УрO РАН

(г. Екатеринбург)


Защита диссертации состоится «___» ___________ 2009 г. в ___час. ___мин. на заседании диссертационного Совета Д212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в аудитории 107 главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская область, г.Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.


Автореферат разослан « » 2009 г.


Ученый секретарь Совета, профессор, к.т.н. Иванченко А.Н.

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экологические проблемы загрязнения воздушной среды весьма актуальны для больших городов и крупных промышленных регионов. В настоящее время сильно возрос научно-практический интерес к математическому моделированию процессов загрязнения атмосферы радиоактивными элементами в районах атомных электростанций. Особенно это направление активизировалось после аварии на Чернобыльской АЭС.

Строительство и планируемый в 2009 году ввод в эксплуатацию 2-го энергоблока Волгодонской атомной электростанции (ВоАЭС) имеют важное народнохозяйственное значение для юга России. Однако запуск в эксплуатацию новых мощностей влечет за собой новые проблемы, связанные с радиационной безопасностью вокруг АЭС и прилегающей к ней территории. В этой связи необходима возможность прогнозирования последствий выброса радионуклидов в атмосферу с целью обеспечения первоочередными мерами по защите персонала станции и населения, проживающего вблизи ВоАЭС.

С точки зрения экологической безопасности важны математические модели, адекватно отражающие процесс распространения газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосфере в указанном районе. Такие модели позволяют последовательно в динамике рассмотреть процессы радиоактивного загрязнения и сделать важные прогнозы на ближнюю и дальнюю перспективы. Полученные в результате расчетов данные могут помочь анализировать экологическую безопасность штатного и нештатного режимов работы ВоАЭС.

Теоретической базой моделирования процесса распространения радионуклидов в атмосфере являются работы ряда отечественных и зарубежных ученых. Из отечественных ученых следует отметить работы Алояна А.Е., Арутюняна Р.В., Бакланова А.А., Беликова В.В., Беликова Г.В., Берлянда М.E., Бызовой Н.Л., Головизнина В.М., Дымникова В.П., Марчука Г.И., Монина А.С., Никифорова А.Н., Пененко В.В., Самарского А.А., Сухинова А.И., Тишкина В.Ф., а среди зарубежных – Златева З., Ван Допа X., Инглунда Г.М., Калверта С., Ньистадта Ф.Т.М. и др.

Представленное в настоящей работе исследование, направленное на развитие методов оперативного прогнозирования последствий выбросов радионуклидов в атмосферу в районе расположения ВоАЭС с использованием технологии математического моделирования, является актуальным научным направлением, имеющим важное практическое значение.

Диссертационная работа проводилась в рамках НИР по гранту РФФИ совместно с Администрацией Ростовской области (проект № 04-01-96807) «Решение задач экологической безопасности в районе Ростовской АЭС методами математического моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем».

^ Цель работы. Разработка и численная реализация математической модели, описывающей процесс распространения радионуклидов в атмосфере, и создание программного комплекса для повышения оперативности и адекватности прогнозирования, оценки последствий и эффективности вырабатываемых решений при выбросах радионуклидов в атмосферу в районе ВоАЭС.

В соответствие с целью работы решаются следующие задачи:

  1. Разработать математическую модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для района ВоАЭС, учитывающую меняющиеся во времени и пространстве метеорологические условия, свойства подстилающей поверхности, свойства радионуклидов и ряд других факторов.

  2. Разработать программный комплекс, реализующий математическую модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на ВоАЭС.

  3. Провести серию вычислительных экспериментов для различных типов возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС и анализ их результатов, которые могут быть использованы для выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу.

^ Методы исследования: методы теории операторно-разностных схем, математического моделирования и вычислительной математики.

Научная новизна работы.

  1. Разработана трехмерная нестационарная математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере и расчета доз облучения, позволяющая проводить прогнозные расчеты эволюции радиационной обстановки в районе ВоАЭС. Модель более полно, чем в рамках других полуэмпирических моделей, учитывает факторы, определяющие распространение радионуклидов в атмосфере и загрязнение подстилающей поверхности, а также формирование индивидуальных доз облучения.

  2. Создан проблемно-ориентированный программный комплекс «RADEx­pert», который предназначен для проведения прогнозных расчетов распространения радионуклидов и индивидуальных доз облучения, оперативной оценки последствий внештатных ситуаций работы ВоАЭС с учетом характеристик местности, различных метеоусловий и радионуклидных составов выбросов, и отличается от известных программных комплексов данного типа тем, что состоит из геоинформационной, моделирующей и экспертно-аналитической систем.

  3. Получены новые взаимозависимости, позволяющие учитывать влияние метеорологических условий на процесс распространения радионуклидов при запроектных авариях 1 и 2-го типов, которые создают экологически неблагоприятные последствия для городов Цимлянск и Волгодонск.

^ Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обусловлены корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании процесса радиационного загрязнения атмосферы, сопоставлением результатов расчетов с известными натурными данными и расчетами других авторов.

^ Практическая ценность. Разработанная математическая модель и программный комплекс «RADExpert» могут быть использованы для исследования радиационного загрязнения любой воздушной среды, не только в районе ВоАЭС, но и в районах других радиационно-опасных объектов. Созданный программный комплекс «RADExpert» может быть использован Гидрометеоцентром и МЧС для численного моделирования и прогноза изменений полей радионуклидов в атмосфере и позволяет пользователям с различным опытом работы с компьютером производить необходимые расчеты независимо от конфигурации рабочего места.

^ Реализация результатов работы. Результаты диссертации реализованы:

  • при выполнении НИР по гранту РФФИ совместно с Администрацией Ростовской области (проект № 04-01-96807) «Решение задач экологической безопасности в районе Ростовской АЭС методами математического моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем»;

  • в учебном процессе факультета высоких технологий ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет»;

  • в ООО «Центр радиационной экологии и технологии» для оценки и выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу в районе ВоАЭС.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере для района расположения ВоАЭС.

  2. Алгоритм численной реализации трехмерной нестационарной математической модели процесса распространения радионуклидов в атмосфере.

  3. Программный комплекс «RADExpert» для оперативной оценки последствий возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС.

  4. Результаты вычислительных экспериментов для различных типов возможных внештатных ситуаций на ВоАЭС, которые могут быть использованы для выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу.

^ Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были доложены, обсуждены и одобрены на: II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2004 г.); XI Всероссийской школе-семинаре «Современные проблемы математического моделирования» (Абрау-Дюрсо, 2005 г.); III Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2006 г.); 13-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Таганрог, 2007 г.); Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2007 г.); Научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2008 г.); IV Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова (Абрау-Дюрсо, 2008 г.); Научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-Дону, 2009 г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре лаборатории вычислительного эксперимента ЮГИНФО ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» и на семинаре кафедры «Прикладная математика» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 в соавторстве. Из них 2 статьи в российских рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 6 статей в сборниках трудов и 4 тезисов докладов всероссийских и международных конференций.

^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 166 наименований, и четырех приложений. Общий объем работы 179 страниц, содержит 78 рисунков и 24 таблицы.

^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены цель и задачи диссертации, показаны их актуальность, научная и практическая значимость, дано краткое содержание работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

^ В первой главе «Процесс распространения радионуклидов в атмосфере» рассмотрены основные закономерности распространения радионуклидов в атмосфере и методы расчета воздействия ионизирующего излучения. Приводится описание основных форм существования радионуклидов в атмосфере и масштабы распространения. К основным процессам, определяющим рассеяние радионуклидов в атмосфере, относятся: ветровой перенос, турбулентная и молекулярная диффузия, гравитационное оседание, вымывание осадками, взаимодействие с подстилающей поверхностью и вторичное взвихривание. Определены факторы, влияющие на характер среднемасштабного рассеяния примесей: параметры источника, степень устойчивости атмосферы и свойства подстилающей поверхности. Указаны основные дозиметрические величины и методы расчета мощности эквивалентной дозы при внешнем и внутреннем облучении. Также даются определения основных понятий теории разностных схем, используемых в данной работе, описывается построение конечно-разностных аналогов краевых задач, и приводятся различные типы конечно-разностных схем для решения уравнения турбулентной диффузии.

^ Во второй главе «Математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере» приводится постановка задачи и численный алгоритм ее реализации. Дается сравнительный анализ математических моделей распространения газообразных и аэрозольных примесей в атмосфере и методов построения ветрового поля.

Математическая модель процесса распространения газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосфере состоит из двух частей: первая описывает способ построения ветрового поля, а вторая – непосредственное распределение радионуклидов при уже определенном поле скоростей. Для построения поля скорости ветра используется полуэмпирическая модель, разработанная в Институте математического моделирования (ИММ) РАН, в которую внесены необходимые модификации в соответствие с рассмотренной задачей. Основная идея данной модели − многоступенчатая процедура, состоящая из построения начального приближения и последующих его корректировок. Подстилающая поверхность считается плоской, так как в рассматриваемом регионе отсутствуют сколько-нибудь значимые орографические неоднородности, и для мезо-β-масштабных моделей (20-200 км) такое предположение является вполне допустимым для среднехолмистой местности. Высота верхней границы расчетной области отсчитывается от подстилающей поверхности. При этом в виду малости вертикальных движений в атмосфере над горизонтальной однородной подстилающей поверхностью вертикальная компонента скорости ветра полагается равной нулю. Исходными данными для математического моделирования являются данные, получаемые с метеостанций, расположенных внутри расчетной области. Метеостанции могут определять скорость и направление анемометрического ветра, высоту верхней границы свободной атмосферы, интенсивность влажного осаждения и другие физические величины, которые изменяются в пространстве и во времени, при этом их значения предполагаются известными только в точках расположения метеостанций в начальные моменты метеоэпизодов (промежутков времени, через которые снимаются измерения). В данной модели скорость и направление ветра полагаются постоянными в течение каждого метеоэпизода. Для интерполяции физических величин на всю рассматриваемую область используется способ, предложенный сотрудниками ИММ РАН.

Математическая модель переноса пассивных неконсервативных радиоактивных примесей в атмосфере основывается на нестационарном трехмерном уравнении турбулентной диффузии для средних значений объемных активностей i-ой компоненты примесей в прямоугольных декартовых координатах. Полагается, что плотность воздуха постоянна и среда несжимаема. Исходная задача рассматривается в области

,

где ось направлена на юг, ось – на восток, а ось – вертикально вверх. Уравнение, описывающее конвективный перенос, турбулентную диффузию, эмиссию, гравитационное оседание, вымывание осадками и радиоактивный распад -ой компоненты примеси из (здесь – количество рассмотренных радионуклидов) в атмосфере в системе декартовых координат имеет следующий вид:



, , (1)

где – объемная активность -го радионуклида, Бк/м3; – компоненты вектора скорости ветра , м/с; – скорость гравитационного оседания -го радионуклида, м/с; – коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии, м2/с; – коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, м2/с; – постоянная радиоактивного распада -го радионуклида, с-1; – постоянная вымывания осадками, с-1; − функция источников, приподнятых над подстилающей поверхностью, Бк/(м3∙с).

Начальные условия имеют вид:

.

Краевые условия на границе области ставятся следующим образом, что на свободной границе они имеют вид

, при , ;

, при , ;

, при .

Краевые условия на подстилающей поверхности подбираются исходя из анализа физических процессов, происходящих на этой поверхности. Достаточно общим краевым условием на подстилающей поверхности при является условие

при ,

где – коэффициент поглощения примеси поверхностью, характеризующий взаимодействие радионуклида с подстилающей поверхностью, м/с; – функция источников, находящихся на подстилающей поверхности, Бк/(м2∙с). Наличие гравитационного оседания со скоростью приводит к добавлению к вертикальному турбулентному потоку примеси ещё и потока . Коэффициент поглощения примеси поверхностью зависит от свойств подстилающей поверхности. Случай соответствует «отражению» примеси от стенки, случай «поглощению» примеси, а случай промежуточной ситуации частичного «отражения» и частичного «поглощения» (= 0,01 м/с соответствует суше, а = 1 м/с – водной поверхности).

Для вычисления коэффициента вертикальной турбулентной диффузии используется эмпирическая формула:



где – высота верхней границы приземного слоя атмосферы, м; – высота верхней границы пограничного слоя атмосферы, м; – значение коэффициента вертикальной турбулентной диффузии на высоте , м2/с.

Коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии вычисляются по эмпирической формуле:

,

где – угол горизонтальной флуктуации направления ветра, рад; – скорость ветра, м/с.

Значения , , и зависят от класса устойчивости атмосферы и определяются по табл. 1 в точках расположения метеостанций, а затем интерполируются на всю расчетную область.

Таблица 1

Класс устойчивости

атмосферы

A

B

C

D

E

F

G

, град

25

20

15

10

5

2,5

1,7

, м

2000

1500

1000

750

300

250

250

, м

250

250

150

150

150

100

100

, м2

160

100

70

15

5

1,5

0,13


Изменение поверхностной активности -ой радиоактивной примеси на подстилающей поверхности вследствие гравитационного оседания, вымывания осадками и радиоактивного распада определяется с помощью уравнения:

,

где – поверхностная активность -го радионуклида, Бк/м2; – объемная активность -го радионуклида на высоте , Бк/м3; – плотность вымывания осадками, Бк/(м2∙с). Плотность вымывания осадками вычисляется по формуле

.

При расчете мощности дозы учитываются внешнее и внутреннее воздействие, обусловленное β- и γ-излучением облака радионуклидов, радионуклидов, расположенных на поверхности, а также в результате ингаляции радионуклидов.

В области вводится равномерная по всем направлениям разностная сетка с векторным параметром , где , , – соответствующие шаги сетки. Здесь – множество внутренних узлов сетки, а – множество граничных узлов. Все ячейки равномерной сетки имеют форму прямоугольных параллелепипедов.

.

Пусть – произвольная сетка на отрезке с шагами . В разностной схеме переменные относятся к вершинам ячеек сетки.

При численном моделировании распространения примесей предъявляются дополнительные требования к конечно-разностным аппроксимациям уравнения (1) и методам их решения. Так как объемная активность по физическому смыслу является неотрицательной величиной, целесообразно использовать так называемые монотонные схемы, позволяющие получать неотрицательные решения. Для построения вычислительного алгоритма решения уравнения, получающегося после обезразмеривания уравнения турбулентной диффузии (1), используется метод расщепления по физическим процессам, который обеспечивает экономичность вычислительных алгоритмов. На каждом малом интервале времени длиной получается схема, состоящая из трех этапов:

1. Перенос примеси по траекториям и гравитационное оседание

. (2)

2. Турбулентная диффузия примесей

. (3)

3. Радиоактивный распад и вымывание осадками

. (4)

Первый этап является одним из основных в процессе переноса. Рассмотрим основной элемент схемы на примере одномерного уравнения

, (5)

полученного из (2) с помощью расщепления по пространственным переменным.

Для решения уравнения переноса (5) используется монотонная схема, разработанная Ван Лиром на основе нелинейной схемы Фромма, которая аппроксимирует исходное дифференциальное уравнение со вторым порядком точности по пространственным переменным и по времени. Монотонная схема удовлетворяет следующему условию монотонности:

.

Выбирая ориентацию сеточного шаблона в зависимости от знака функции , получается схема, состоящая из двух выражений:

если , то



(6)

если



(7)

где – число Куранта;

; ;

; ;

; ;

.

В данном случае слагаемые в квадратных скобках представляют собой разности третьего порядка, поэтому не нарушается точность аппроксимации второго порядка в линейных членах.

Схема (6), (7) устойчива, если . При , получается схема Годунова. При , получается немонотонная консервативная схема Фромма (2-го порядка). При получается монотонная схема Ван Лира (2-го порядка).

На втором этапе уравнение (3) решается методом расщепления по пространственным переменным с использованием неявной схемы двуциклического покомпонентного расщепления:

(8)

где

; ; .

Численная схема (8) имеет второй порядок точности по пространственным переменным и по времени. Полученные системы линейных алгебраических разностных уравнений с трехдиагональными матрицами решаются с помощью метода прогонки.

На третьем этапе полученное в ходе расщепления уравнение (4) представляет собой однородное линейное обыкновенное дифференциальное уравнение, решение которого имеет вид

.

Для верификации математической модели используются данные наблюдений радиационной обстановки в следе аварийного выброса на Сибирском химическом комбинате (СХК). На радиохимическом заводе СХК (6 апреля 1993 года) в результате разрушения технологического оборудования произошел взрыв газов, разрушение конструкций здания и выброс радиоактивных загрязняющих веществ через вытяжную трубу с эффективной высотой выброса 150 м. Для моделирования распространения облака радионуклидов и расчета мощностей эквивалентных доз были заданы следующие условия: тип выброса – мгновенный; суммарная активность выброса – 600 Ки; радионуклидный состав выброса – 95Zr – 20 %, 95Nb – 43 %, 103Ru – 2 %, 106Ru – 35 %. В табл. 2 представлен радионуклидный состав пробы почвы в д. Георгиевка оперативной группой Минприроды России для точки мощностью дозы 27 мкР/ч и результаты расчетов по описанной выше математической модели. Полученные в результате расчетов значения поверхностной активности по описанной выше математической модели достаточно хорошо совпадают с натурными данными (погрешность не превышает 30 %).

Таблица 2

Радионуклид

Поверхностная активность, Ки/км2

проба почвы

результаты раcчетов

95Zr

0,8

0,86863

95Nb

1,5

1,86687

103Ru

0,05

0,05683

106Ru

1,2

1,38585


^ В третьей главе «Разработка программного комплекса «RADExpert» описывается разработанный программный комплекс для оценки последствий выбросов радионуклидов в атмосферу для района расположения ВоАЭС. На основе анализа современных информационных технологий и программного обеспечения, использующегося для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на ядерно-опасных объектах, определены требования, которые предъявляются к информационному обеспечению для оперативной оценки последствий внештатных ситуаций на такого типа объектах. Приводится сравнительный анализ существующих прогностических систем для моделирования процессов распространения радионуклидов в атмосфере.

Для оценки последствий выбросов радионуклидов в атмосферу разработан геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс (ГИЭМК) «RADExpert», общая структура которого представлена на рис. 1. Программный комплекс «RADExpert» состоит из следующих систем: геоинформационная система, моделирующая система и экспертно-аналитическая система. Геоинформационная система состоит из цифровых моделей местности, объектов-реципиентов, потенциально-опасного объекта, радиационной обстановки, модуля общения и выполняет функции ввода, хранения и визуализации данных о районе расположения потенциально-опасного объекта (источника выброса). Моделирующая система содержит модуль расчета распространения радионуклидов, модуль расчета дозовых нагрузок, модуль управления и предназначена для расчета радиационной обстановки, которая может сложиться в результате выбросов радионуклидов в атмосферу. Экспертно-аналитическая система состоит из модуля идентификации параметров моделирования, модуля анализа радиационной обстановки, модуля общения, базы данных и выполняет функции анализа начальных данных, идентификации параметров расчетов, анализа радиационной обстановки и подготовки отчетов. Методика использования комплекса позволяет повысить оперативность и адекватность прогнозирования и оценки последствий при выбросах радионуклидов в атмосферу и включает следующие этапы: предварительную подготовку информационных ресурсов, ввод и редактирование данных, моделирование и анализ радиационной обстановки.



Рис. 1. Общая структура ГИЭМК «RADExpert»




Рис. 2. Главное окно ГИЭМК «RADExpert» с открытым проектом


Программный комплекс «RADExpert» (рис. 2) представляет собой многопоточное проблемно-ориентированное программное обеспечение, предназначенное для работы на персональном компьютере под управлением операционных систем MS Windows или Linux. Соответствие функциональных возможностей комплекса задачам прогнозирования и оценки последствий выбросов возможно с помощью классов, разработанных в рамках объектно-ориентированного подхода на языке программирования Java с использованием среды программирования Eclipse Ganymede 3.4, библиотек классов платформы Java SE 6, библиотеки классов OpenMap 4.6.4, библиотеки классов SwingX 0.9.3 и системы управления базами данных Java DB 10.3.1.4.

В четвертой главе «Результаты вычислительных экспериментов» приводятся основные результаты вычислительных экспериментов для различных типов возможных запроектных аварий на ВоАЭС. Из четырех возможных сценариев запроектных аварий на энергоблоках ВоАЭС лишь запроектная авария 1-го типа (ЗА-1) приводит к выбросу радионуклидов на высоту 100 м, а во всех остальных случаях (запроектные аварии 2-го типа (ЗА-2), 3-го типа (ЗА-3) и 4-го типа (ЗА-4)) высота выброса составляет 30 м.

С помощью ГИЭМК «RADExpert» моделировались ЗА-1 и ЗА-2 для восточного, северо-восточного и юго-восточного направлений ветра, так как восточное направление является преобладающим. Изучение временной динамики аварийного выброса при аварии ЗА-1, продолжающейся 10 суток, с аналогичными расчетами для 5 и 6-го энергоблоков Балаковской АЭС с реакторными установками ВВЭР-1000 показало, что, как правило, основная часть активности выбрасывается в течение первых 24 ч после аварии. На такой период времени допустимо принять предположение о неизменности погодных условий в районе размещения станции, но используемая в ГИЭМК «RADExpert» математическая модель позволяет уменьшить этот период до продолжительности одного метеоэпизода (3 или 6 ч). В качестве области моделирования был выбран прямоугольный параллелепипед размером 200×200×1 км, так как математическая модель, использованная в ГИЭМК «RADExpert», является мезо-β-масштабной (горизонтальные размеры моделируемой области 20-200 км). Шаг по времени вычисляется автоматически из условия устойчивости явной схемы Ван Лира. Горизонтальные шаги регулярной сетки ==2 км, по вертикали =20 м. Размер сетки 101×101×51. Рассматривался точечный источник загрязнения, находящийся в центре области моделирования, высота которого равна 100 м. Источник действует в течение 10 суток. Класс атмосферной стабильности – D (нейтральная стратификация). В качестве радиоактивных загрязняющих веществ были взяты газообразные и аэрозольные радионуклиды, перечень которых приведен в табл. 3. Анализ розы ветров для района расположения ВоАЭС указывает на преобладание ветров восточного направления. Поэтому моделировались ситуации для восточного, северо-восточного и юго-восточного направлений ветра со скоростью 5 м/с. Также восточное направление скорости ветра является важным по причине расположения к западу от ВоАЭС крупных населенных пунктов (городов Цимлянск и Волгодонск). Были проведены вычислительные эксперименты, результаты которых представлены на рис. 3, соответствующие суммарным выпадениям всех радионуклидов на поверхностный слой почвы при различных направлениях ветра через 2 ч после начала аварии.

Таблица 3

Радионуклид

Активность,

Ки

Радионуклид

Активность,

Ки

Радионуклид

Активность,

Ки

85mKr

31000

135Хе

33000

134I

11000

87Kr

69000

131I

23000

135I

11000

89Kr

110000

132I

16000

134Cs

680

133Хе

560000

133I

16000

137Cs

350


Предположения, что направление и скорость ветра, а также класс устойчивости атмосферы в течение метеоэпизода не претерпевают существенных изменений, приводят к относительной локализации выбрасываемой в окружающую среду активности и, соответственно, к определенному консерватизму в прогнозных оценках радиационных последствий данной аварии для населения. Сравнение результатов вычислительных экспериментов с результатами полученными другими авторами показывает достаточно хорошее согласование между собой (расхождение не превышает 20 %).



а)



б)



в)

Рис. 3. График изолиний поверхностной активности (Ки/км2) суммарных выпадений радионуклидов через 2 ч после аварии для направлений ветра: а) северо-восточного;

б) восточного; в) юго-восточного


Анализ результатов показал, что направлением ветра, создающим наиболее экологически неблагоприятные последствия для г. Цимлянск, является юго-восточное, а для г. Волгодонск – восточное. Попадание загрязнений на водную поверхность Цимлянского водохранилища в случае выброса из трубы АЭС возможно при действии ветров восточного и юго-восточного направлений.

В заключении приводятся основные выводы по выполненной работе.

В приложениях приведены значения коэффициентов, используемых для расчета дозовых нагрузок, пример отчета о радиационной обстановке, формируемого ГИЭМК «RADExpert», руководство пользователя и акты внедрения результатов диссертационной работы.

^ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

  1. Разработана трехмерная нестационарная математическая модель процесса распространения радионуклидов в атмосфере и расчета доз облучения для района ВоАЭС. Модель более полно, чем в рамках других полуэмпирических моделей, учитывает факторы, определяющие распространение радионуклидов в атмосфере и загрязнение подстилающей поверхности, а также формирование индивидуальных доз облучения, что позволяет учесть меняющиеся во времени и пространстве метеорологические условия и повысить точность оперативных прогнозов для территорий, размер которых не превышает 200 км.

  2. Разработан алгоритм численной реализации математической модели процесса распространения радионуклидов в атмосфере. Данный алгоритм использует методы расщепления по физическим процессам и по пространственным переменным, что позволяет повысить оперативность прогнозов эволюции радиационной обстановки для района расположения ВоАЭС.

  3. Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс «RADExpert», который реализует полученные в работе модель и алгоритм и отличается от известных программных комплексов данного типа тем, что включает геоинформационную, моделирующую и экспертно-аналитическую системы, совместная работа которых позволяет проводить более точную и оперативную оценку последствий внештатных ситуаций работы ВоАЭС и других аналогичных ядерно-опасных объектов.

  4. Проведены вычислительные эксперименты, в результате которых получены новые взаимозависимости, позволяющие учитывать влияние метеорологических условий на процесс распространения радионуклидов при запроектных авариях 1 и 2-го типов, создающих экологически неблагоприятные последствия для городов Цимлянск и Волгодонск. Данные результаты использованы для выработки рекомендаций при ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосферу.

^ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Разработка модели распространения радиоактивных веществ в атмосфере для анализа экологической безопасности РоАЭС / Г.В. Муратова, Е.М. Андреева, Т.Н. Субботина, М.В. Глушанин и др. // Актуальные проблемы прикладной математики и механики: Тезисы докладов II Всероссийской конференции, посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова, 8–11 сентября 2004 г, Абрау-Дюрсо. − Екатеринбург: УрО РАН, 2004. − с.80-81.

  2. Программный комплекс для реализации моделей распространения примесей в воздушной среде / М.В. Глушанин, Г.В. Муратова, О.Б. Никитенко и др. // Современные проблемы математического моделирования: Сборник трудов XI Всероссийской школы-семинара, 5–10 сентября 2005 г., Абрау-Дюрсо. − Ростов-на-Дону: РГУ, 2005. – с.96-101.

  3. Глушанин М.В., Муратова Г.В., Соловьев А.С. Численная реализация модели распространения радиоактивных веществ в атмосфере в районе РоАЭС // Актуальные проблемы прикладной математики и механики: Тезисы докладов III Всероссийской конференции, посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова 4–10 сентября 2006 г., Абрау-Дюрсо. − Екатеринбург: УрО РАН, 2006. − с.32-33.

  4. Глушанин М.В. Математическое моделирование процессов распространения радионуклидов в атмосфере в районе Волгодонской АЭС // 13-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов 20–25 апреля 2007 г., Таганрог. − Екатеринбург: Изд-тво АСФ России, 2007. − с.624-625.

  5. Глушанин М.В., Муратова Г.В. Численная реализация математической модели процесса распространения радиоактивных примесей в атмосфере // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием 29–31 мая 2007 г., Самара. – Самара: СамГТУ, 2007. – с.37-39.

  6. Глушанин М.В. Программный комплекс RAD для моделирования распространения радиоактивных примесей в атмосфере // Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ: Сборник докладов научно-методической конференции 26–29 апреля 2007 г., Ростов-на-Дону. – Ростов-на-Дону: Изд-во «ЦВВР», 2007. – С.84-85.

  7. Глушанин М.В. Распространение и трансформация радиоактивных примесей в атмосфере от Ростовской АЭС // Труды аспирантов и соискателей Южного федерального университета. – Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2007. – С.10-11.

  8. Глушанин М.В. Математическая модель для описания последствий залпового выброса радионуклидов в атмосферу // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VIII Международной научно-практической конференции 7 апреля 2008 г., Новочеркасск. – Новочеркасск: Лик, 2008. – Ч1. – С.81-82.

  9. Глушанин М.В. Моделирование последствий залпового выброса радиоактивных веществ в атмосферу для оценки аварийного риска // Актуальные проблемы прикладной математики и механики: Тезисы докладов IV Всероссийской конференции, посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова, 15–21 сентября 2008 г., Абрау-Дюрсо. − Екатеринбург: УрО РАН, 2008. − с.18-19.

  10. * Муратова Г.В., Глушанин М.В. Оценка последствий аварийных ситуаций на объектах энергетики // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2008. – №11. – С.131-136.

  11. * Муратова Г.В., Глушанин М.В. Исследование процессов переноса, диффузии и трансформации радиоактивных примесей, поступающих в атмосферу при авариях на объектах энергетики // Вычислительные технологии. – 2009. – Т.14, №2. – С.85-97.

  12. Глушанин М.В., Муратова Г.В. Разработка программного комплекса для решения задач оперативного прогнозирования радиационного загрязнения // Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ: Сборник докладов научно-методической конференции 17–18 апреля 2009 г., Ростов-на-Дону. – Ростов-на-Дону: ЮГИНФО ЮФУ, 2009. – С.104-105.

Символом * отмечены публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1, 10, 11] – анализ процессов, определяющих распространение радионуклидов в атмосфере и формирование индивидуальных доз облучения, разработка математической модели распространения радионуклидов в атмосфере; [2, 3, 5, 12] – разработка программного комплекса «RADExpert», проведение вычислительных экспериментов и анализ их результатов.





Скачать 295,67 Kb.
оставить комментарий
Глушанин Михаил Валентинович
Дата24.09.2011
Размер295,67 Kb.
ТипЗадача, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх