Защита населения в режиме безаварийной работы атомной энергетики

Минобрнауки России
Санкт-Петербургский  политехнический университет Петра Великого
Институт военно-технического образования и безопасности
Кафедра «Управление и защита в чрезвычайных ситуациях»


        Работа допущена к защите
                 Заведующий кафедрой 
______________ В.И. Гуменюк
         «___» ___________ 2016 г.




БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА 

Защита населения в режиме безаварийной работы атомной энергетики
по направлению 20.03.01 – Техносферная безопасность


Выполнила
студентка гр. 43901/1	<подпись>	А.М.Скороходова
Научный руководитель
профессор, д.т.н.	<подпись>	В.В.Яковлев











Санкт-Петербург
2016

РЕФЕРАТ
Дипломная работа включает введение, 3 раздела, заключение: 32 с.,    2 рис., 5 табл., 5 источников.
Ключевые слова: радиационная безопасность, радиоактивное загрязнение, РИТЭГ, поглощенная доза, мощность дозы, Гатчинский дворец.
Гатчинский дворец является предметом восхищения, как коренных жителей Гатчины, Санкт-Петербурга так и туристов. Ежедневно Гатчинский Дворец посещает от 100 до 400 человек в несезонное для экскурсий время и от 300 до 650 человек в сезонное время, не считая работающего там персонала. Обычная экскурсия длится 2-3 часа - это время нахождения посетителей на территории дворца. Экскурсоводы же, проводят в пределах дворца больше времени, чем туристы, примерно 8 часов 5 дней в неделю. Так же, на территории дворца проводится реставрационные работы, в связи с чем, во дворце и в его окрестностях находятся рабочие, проводящие реставрацию помещений. Помимо работы, они живут на территории дворца, в результате чего, проводят 22-23 часа в сутки на данной территории.
Цель работы состоит в определении дозы различных групп сотрудников на объектах возможных радиоактивных загрязнений и, на ее основе, разработка рекомендаций обеспечения безопасности в случае необходимости.
Результатом работы являются рекомендации по защите населению, получаемая мощность дозы которых является выше установленного порога.
«Population Protection Mode trouble-free operation of nuclear power»



ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
РИТЭГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор
РИТ-90 – радиоизотопный источник тепла
МЭД – мощность эквивалентной дозы
ИИИ – источник ионизирующего излучения
ТЭЭ – теплоэлектрический элемент
Поглощенная доза излучения – это энергия ионизирующего излучения, переданная единице массы вещества. Единица измерения в СИ – Грей [Гр]; Внесистемная единица – Рад [рад].
Экспозиционная доза – это заряд одного знака, образующийся в единице массы воздуха при его ионизации. Размерность в СИ – [Кл/кг]; Внесистемная единица – рентген [Р].
Эквивалентная доза излучения используется для оценки биологического действия различных видов ионизирующего излучения при длительном облучении малыми дозами. Единица измерения – зиверт [Зв]; Внесистемная – бэр [Бэр].
Эффективная эквивалентная доза – учитывает чувствительность разных органов и тканей организма человека и воздействия ионизирующего излуения и используется при оценке риска возникновения отдельны последствий облучения всего тела или отдельных органов. Единица измерения – зиверт [Зв].
Амбиентный эквивалент дозы – это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на месте, где проводятся измерения. Единица измерения – зиверт [Зв].
Эффективная коллективная доза – вводится для оценки последствия облучения населения по определенной территории, т.е. тяжести радиационной аварии в целом. Единица измерения – [чел/Зв].
Оценка радиационной обстановки – это определение доз облучения и разработка мероприятий защиты от облучения.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	5
1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ НАСЕЛЕНИЯ	6
1.1.	Радиоизотопный термоэлектрический генератор	6
1.2.	Порт Усть-Луга	11
1.3.	Гатчинский дворец	16
2.	ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ФОРМУЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ	17
2.1.	Законы распределения случайных величин измеренных значений мощности дозы	17
2.2.	Точность и надежность оценки вероятности определения мощности дозы	19
2.3.	Оценка доз облучения населения при радиоактивном загрязнении	21
3.ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ В ХОДЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ СОТРУДНИКОВ ГАТЧИНСКОГО ДВОРЦА	23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	26
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ	27
ПРИЛОЖЕНИЕ 1	28
ПРИЛОЖЕНИЕ 2	29
ПРИЛОЖЕНИЕ 3	30
ПРИЛОЖЕНИЕ 4	31
ПРИЛОЖЕНИЕ 5	32


ВВЕДЕНИЕ
Зачастую сотрудники и посетители различных учреждений не задумываются о том, какая скрытая опасность может их поджидать. Под скрытой опасностью подразумевается радиационный фон помещений. В одних местах он остается на низком уровне, в других – превышает допустимые значения.
Актуальность  работы заключается в определении необходимости мер защиты людей от радиационного фона в различных помещениях. 
Объектами исследования выбраны: Гатчинский Дворец, находящийся в Ленинградской области, в городе Гатчина; содержащий в себе, в том числе, остаточный радиационный фон от ЧАЭС, порт Усть-Луга, где зафиксированы пятна с повышенным уровнем радиации и места возможного нахождения РИТЭГов.
Предметом исследования – радиационный фон на данных объектах.
Цель работы  заключается в обобщении результатов измерений мощностей доз в определенных местах Гатчинского дворца и разработке предложений по защите персонала от повышенного уровня радиационного фона, а так же, анализ данных по объекту порт Усть-Луга и по местам возможного расположения РИТЭГов.
Для реализации работы, необходимо решить следующие поставленные задачи:
 Выявить негативное воздействие длительного нахождения населения в местах повышенного уровня радиационного загрязнения;
 Исследовать территорию Гатчинского Дворца с помощью измерителя радиоактивности «Эколог»;
 Обобщить и проанализировать полученные данные;
 На основе результатов исследований сделать выводы и разработать рекомендации по защите персонала от повышенного уровня радиационного фона.


ГЛАВА 1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ НАСЕЛЕНИЯ
 Радиоизотопный термоэлектрический генератор
РИТЭГи представляют собой источники автономного электропитания с постоянным напряжением от 7 до 30 В для работы автономной аппаратуры мощностью до 80 Вт. 
Широкое распространение РИТЭГи получили как источники электрического питания на навигационных маяках и в световых знаках. Еще одно применение они нашли в качестве подпитки радиомаяков и метеостанций. Но применение на космических аппаратах является основополагающим и главным в сфере применения. РИТЭГи обеспечивают их не только электроэнергией, но и теплом, необходимым для нормальной работы аппаратуры.
Используемые источники тепла в РИТЭГах построены на основе различных радионуклидов, чаще всего используется стронций90. Тепловая энергия  преобразуется в РИТЭГе в электрическую энергию. РИТ90 представляет собой закрытый источник излучения. 
Основные характеристики радиоизотопного элемента РИТ-90 представлены в таблице 1.
Таблица 1
Основные характеристики радиоизотопного элемента
РИТ-90
Размер цилиндра с изотопом
10 см x 10 см
Вес цилиндра
5 кг
Тепловая мощность
240 Ватт
Содержание стронция-90
1500 ТБк (40000 Кюри)
Температура на поверхности
300-400 градусов Цельсия

Главным и единственным недостатком конструкции РИТЕГа  является отсутствие защиты от несанкционированного вскрытия корпуса, что делает РИТЭГ легкой добычей для искателей наживы за счет сдачи цветных металлов.
Преобразование тепловой энергии сопровождается необратимыми эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала теплоэлектрического элемента (ТЭЭ) и протекании тока. Материалы ТЭЭ получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника [1]. Конструкция ТЭЭ представлена на рис. 1.1.

1,7 – стенка нагревателя; 2,6 – слои диэлектрика; 3,5,8 – металлические шины; 4 – ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В; 9 – Ветвь п-типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р.
Рис.1.1. Конструкция ТЭЭ.
Принцип работы элемента ТЭЭ заключается в следующем[1]:
Тепло Q1 подводится к элементу ТЭЭ через стенку нагревателя 1 при помощи теплоносителя при контакте с зоной тепловыделения РИТ-90. Через стенку 7 тепло Q2 отводится от ТЭЭ. Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур?Т = Т1-Т2. 
Эффективность ТЭЭ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п-типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.
Таблица 2
Изотопы, используемые в РИТ-90

Изотоп
Период
полураспада,
(лет)
Выделяемая удельная энергия,
(Вт/г)
Конечный стабильный изотоп 
38Sr90
29.1
0.1
40Zr90
94Pu238
87.1
0.5
92U234
96Cm244
18.1
2.8
92U234
27Co60
5.27
20
28Ni60

В нынешних условиях представляющих собой угрозу терроризма, главную опасность представляет распыление по поверхности почвы радиоактивных изотопов генератора, вследствие чего, последствия будут крайне тяжелые – загрязненная территория. Даже у отслужившего срок генератора, активность центральной части которого от 10ТБк до 1.0ТБк, оценка изменения мощности дозы для взрослого населения при равномерном распылении всего содержимого РИТ-90 в радиусе 5 м  заставляет задуматься о реальной угрозе радиационной опасности. 
Таблица 3
Расчетные значения эффективной дозы, накопленной при  пребывании в зоне поверхностного загрязнения.
Время нахождения человека в загрязненной зоне,
  час
Свежий РИТЭГ
 (1500 ТБк),
мЗв
Отработавший 
РИТЭГ (10 ТБк),
мЗв
Отработавший РИТЭГ 
(1 ТБк),
мЗв
0.25
3.6?103
24
2.38
0.5
7.2?103
48
4.8
0.75
10.7?103
72
7.2
1.0
14.3?103
95.5
9.5
1.25
18?103
119.4
12
1.5
21?103
143.3
14.3
1.75
25?103
167
16.7
2.0
29?103
191
20

Следует учитывать, что полученная мощность дозы зависит не только от времени пребывания в загрязненной зоне, но и от расстояния, на котором находится объект от источника ионизирующего излучения.
Как следует из табл.3 при десятикратных методических ошибках необходимо произвести срочную эвакуацию населения в безопасные районы.
Так же, стоит отметить, что изготовление устройства, который способен измельчить и распылить стронций из РИТЭГа, без специального оборудования невозможно. Если кто-либо в домашних условиях начнет разбирать центральную часть РИТЭГа, он получит смертельную дозу за чем последует мгновенный летальный исход всех участников, несмотря на то, что конструкция до конца не была разобрана.


 Порт Усть-Луга
Почвы побережья Лужской губы в районе размещения МТП Усть-Луга характеризуются низким содержанием естественных радионуклидов, рассчитанная мощность эквивалентной дозы (МЭД) гамма-излучения от которых составляет 0.015 – 0,025 мкЗв/ч, максимум – 0,07 мкЗв/ч.
Основной вклад в формирование МЭД гамма-излучения вносит цезий-137, среднее значение запаса которого в почвах различных ландшафтов практически одинаково и составляет 0,53 -0,74 мкКи/м2.
Цезий-137 является искусственным радионуклидом и его содержание в почвах Лужской губы напрямую связано с выпадениями при испытаниях ядерного оружия в 1954-1962 годах и при аварии на Чернобыльской АЭС. 

Таблица 4
Содержание естественных радионуклидов и запас цезия-137 (на 2002 г.) в почвах различных ландшафтов побережья Лужской губы
Радио-
нуклид

Ед. изм.
(Ки/км2)

Лесные ландшафты
Болотные и луговые ландшафты

и луговые 1афты
Техногенные ландшафты


среднее
мин.-макс.
Среднее
мин.-макс.
Среднее
мин.-макс.
U-238
(n?10 – 4 )%
0,3
0-1
0,23
0-1
0,9
0-2
Тh-232
(n?10 – 4 )%
0,6
0-3
0,8
0-3
3
0-3
К-40
%
0.7
0-2,2
0,7
0-2,1
1.6
1,1-2,7
Сs-137
мКи/м2
0,73
0,18-1,21
0,54
0,20-1,03
0,53
0,18-1,07

Распределение основных естественных радионуклидов достаточно равномерное. Распределение урана представлено спокойными полями с содержаниями элемента (2-3?10–4)% . Поля калия, как видно из таблицы, не превышают значений 1%.
Для данного региона техногенный радиационный фон может быть изменен при воздействии следующих антропогенных факторов:
использование в качестве строительного сырья горных пород с повышенным содержанием ЕРН;
сжигание органического топлива;
деятельности ПО «ФОСФОРИТ», приводящей к перераспределению урана и его продуктов распада из диктионемовых сланцев;
возможное загрязнение продуктами распада радия искусственных водных коммуникаций в случае использования вод из гдовского водоносного горизонта.

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в стройматериалах, применяемых в городах Ленинградской области варьирует мало и лежит в пределах 1 класса (до 370 Бк/кг удельной эффективной активности радия, тория и калия).
Самым мощным источником поступления ЕРН в атмосферу является энергетика на органическом топливе – угле, сланце, нефти.
Деятельность ПО «Фосфорит» касается, в основном, района долины реки Луга к северу от г. Кингисеппа. Из природных радионуклидов наибольшей миграционной способностью обладает радий-226. Миграция тория-232 и калия-40 возможна только в минеральной фракции твердого стока р. Луга. 
Деятельность ПО «ФОСФОРИТ» на берегу р. Луги приводит к тому, что речные воды сравнительно интенсивно выносят радий-226 в Лужскую губу, где он, в основном, осаждается на органической фракции донных отложений и железо-марганцевых конкрециях.
Западная часть Ленинградской области, включающая территории Кингисеппского, Волосовского, частично – Лужского, Ломоносовского и Гатчинского районов, подверглась загрязнению радиоактивными осадками Чернобыльской АЭС, содержащими радионуклиды цезия-137, цезия-134, рутения-106 и церия-104 и др. 
Общая площадь ореола загрязнения в изолинии свыше 0,5 Ки/км2 составила 4700 км2, в пределах которого выделялись многочисленные участки с плотностью загрязнения от 1 до 2,4 Ки/км2 общей площадью 560 км2 (рис.З.10.1). В деревнях, находящихся вблизи, плотность загрязнения по 137Сs превышала 1 Ки/км2.
Спустя 16 лет после Чернобыльской аварии активность выпавших радионуклидов уменьшилась более чем на 50 %, за счет распада. Сокращение площадей с плотностью загрязнения 137Сs более 1 Ки/км2 на 30%, на треть уменьшилось количество деревень с такой плотностью загрязнения.
В настоящее время основным источником облучения на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению осадками ЧАЭС, является 137Сs. Активность остальных выпавших радионуклидов, исходя из их времени жизни, практически не оказывают влияния на формирование радиационного фона.
Радиоактивное облако, образовавшееся в начале аварии обедненное стронцием-90, пройдя по трассе Белоруссия – Калининградская обл. – западная часть Курземского полуострова – восточное побережье Швеции – Финляндия – Ленинградская –Новгородская – Тверская области, привело к тому, что наиболее значимые по уровням загрязнения цезием-137 площади оказались в Ленинградской обл.
Распределение запаса цезия-137 на побережье Лужской губы носит пятнистый характер и практически не зависит от типов ландшафта. По принятой классификации здесь выделяются слабозагрязненные (запас цезия-137 от 0,2 до 0,5 мкКи/м2) – 80%, умеренно-загрязненные (0,5- 1,0 Ки/км2) – 18% и загрязненные территории (1-5 Ки/км2) не более 2%. Максимальное загрязнение цезием-137 (1,21 мкКи/м2) отмечено в пробе, отобранной в леском массиве на юго-востоке от рассматриваемого участка.
Результаты определения содержания стронция-90 и цезия-137 в пробах воды из рек Нева, Нарва и Луга, приведены в табл.5.
Таблица 5
Усредненная объемная активность 90Sr и 137Cs в воде рек Нева, Нарва и Луга
Название реки
Место отбора
Содержание, Бк/ м3


90Sr
137Cs
Нева
г. С-Петербург
18?3
6?2




23?4
3?1




23?4
<2




25?4
4?2

Усредненное значение
22±4
4±1
Нарва
Иван-Город
13?2
7?2




15?2
7?2




13?2
<2




13?2



Усредненное значение
13,5±2
5,3±1,3
Луга
г. Кингисепп
10?3
9?2




23?4
14?3




21?3
26?4




20?3
41?6

Усредненное значение
18,5±3,25
22,5±4
Луга
порт Усть-Луга
18?3
40?6

Среди наблюдаемой группы рек в водах Невы концентрация стронция-90 выше, чем в водах Нарвы и Луги. Этот уровень содержания стронция-90 устойчив, на протяжении последних 10 лет он практически не изменился.
Колебания содержание цезия-137 в водах р. Луги объясняются количеством взвесей в воде р. Луга, бассейн которой загрязнен в результате чернобыльской катастрофы.
Загрязнение радионуклидами цезия локализуется в основном в глубоководных участках акватории, где плотность поверхностного загрязнением 137Cs может в три-четыре раза превышать среднефоновую по акватории.
На карте радоноопасности Ленинградская область попадает в разряд радоноопасных.
Интересующий нас земельный участок располагается в районе, где развиты граниты с повышенной природной, кроме того, ранее здесь были обнаружены ореолы повышенных содержаний радона в почвах, однако сам участок не попадает в зоны радоноопасности.
Результатами радонометрического обследования установлено, что в пределах землеотвода объемная активность радона изменяется в пределах от 1 кБк/м3 до 55 кБк/м3. При этом поле объемной активности радона носит достаточно дифференцированный характер. 


 Гатчинский дворец
Гатчинский дворец является предметом восхищения, как коренных жителей Гатчины, Санкт-Петербурга так и туристов. Он несет в себе огромную историю, раскинутую на несколько веков, чем и привлекает к себе любителей памятников культуры. 
Ежедневно Гатчинский Дворец посещает от 100 до 400 человек в несезонное для экскурсий время и от 300 до 650 человек в сезонное время, не считая работающего там персонала. Обычная экскурсия длится 2-3 часа – это время нахождения посетителей на территории дворца. Рабочий персонал же, проводит в пределах дворца больше времени, чем туристы, примерно 8 часов. Так же, на территории дворца проводится реставрационные работы, в связи с чем, во дворце и в его окрестностях находятся рабочие, проводящие реставрацию помещений. Помимо работы, они живут на территории дворца, в результате чего, проводят 22-23 часа в сутки на данной территории.
Дворец облицован пудостским камнем, который, как и большинство известняков имеет способность накапливать мощность дозы и тем самым создавать естественный радиационный фон. 
Исследование радиационного фона в Гатчинском дворце ранее не проводилось.



ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ
 Законы распределения случайных величин измеренных значений мощности дозы
Определение. Выборочной оценкой генеральной числовой характеристики называется ее приближенное значение, найденное по выборке[2].
Основными оценками являются:
Выборочное среднее х ?, которое является оценкой генерального математического ожидания m=M[X]:

х ?=1/n??_(i=1)^n?х_i 

(2.1)

Выборочная несмещенная дисперсия s2, которая является оценкой генеральной дисперсии ?^2=?_2:

s^2=1/(n-1)??_(i=1)^n??(х_i-х ?)?^2 

(2.2)

Выборочное среднеквадратическое отклонение s, которое является оценкой генерального среднеквадратического отклонения ?=?(?^2 ):

s=?(s^2 )
(2.3)

Определение. Квантилью порядка d непрерывной случайной величины Х называется ее значение хd, являющаяся корнем уравнения:

F(х)=d
(2.4)

Нормальный закон распределения с плотностью:


f(х, m, ?^2 )=1/(???(2??))?exp?[-(х-m)^2/(2??^2 )],


(2.5)
где m – математическое ожидание случайной величины Х генеральной совокупности;
? – среднеквадратическое отклонение случайной величины Х генеральной совокупности;


 Точность и надежность оценки вероятности определения мощности дозы
Пусть p – вероятность реализации некого события, p^*=?/n – его относительная частота. Тогда:

?=U_((1+?)/2)??((p^*?(1-p^*))/n),

(2.6)

где ? – вероятность (достоверность), с которой доверительный интервал накрывает значение вероятности p измеренного значения мощности дозы;
 U_((1+?)/2) – квантиль Стьюдента распределения порядка (1+?)/2;
? – половина длины доверительного интервала.
Тогда:


W(p^*-?