Автор:Глушанин М.В.
Источник:http://www.dissercat.com/content/matematicheskoe-modelirovanie-i-razrabotka-programmnogo-kompleksa-v-zadachakh-rasprostraneni
Глушанин М.В. - Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах распространения радионуклидов в атмосфере. Разработана и численно реализована математическая модель, описывающая 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 Волгодонской атомной электростанции.
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 ввод в эксплуатацию Волгодонской атомной электростанции имеет важное народнохозяйственное значение. Строительство ВоАЭС началось в 1979 году, но в 1990 году было принято решение о его приостановке. Однако в 2000 году работы по строительству ВоАЭС возобновились, и 30 марта 2001 года был подключен к единой энергосистеме первый блок ВоАЭС, который произвел уже более 36 млрд. кВт-ч для потребителей Ростовской и Волгоградской областей, Краснодарского и Ставропольского краев. В настоящее время энергосистеме юга России этого объема энергии уже недостаточно, поэтому она вынуждена сегодня получать электроэнергию из других регионов страны. В связи с этим в июне 2006 года было принято решение о возобновлении строительства второго энергоблока. Ввод в 2009 году второго энергоблока мощностью 24 млн. кВт-ч в сутки позволит регионам юга России самим обеспечивать себя электроэнергией.
Однако запуск в эксплуатацию атомной станции, а также ввод новых мощностей влекут 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 основных газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосфере в районе ВоАЭС. 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.
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.
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 данной целью 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.
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.
3. В зоне распространения паро-конденсатного факела увеличение влажности кроме дополнительного туманообразования может привести к дополнительному гололедообразованию на строительных конструкциях. Эти процессы будут прослеживаться на расстояниях до 1 - 1,5 км.
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.
1. Разработана комплексная математическая модель распространения газообразных и аэрозольных радионуклидов в атмосферы и расчета доз ионизирующего излучения от внешнего и внутреннего воздействия на человека. Модель учитывает следующие процессы: рассеяние радионуклидов в результате турбулентной диффузии, перенос ветром, взаимодействие с подстилающей поверхностью, гравитационное оседание, вымывание осадками и радиоактивный распад. Также модель позволяет рассчитывать дозы ионизирующего излучения с учетом внешнего и ингаляционного путей воздействия радионуклидов на организм человека. Моделирование распространения радионуклидов в атмосфере производится с учетом класса устойчивости атмосферы, свойств подстилающей поверхности, параметров источника и радионуклидного состава выброса.
2. Разработан геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс «RADExpert» для оперативного прогнозирования и оценки последствий выбросов радионуклидов в атмосферу, ориентированный на персональные компьютеры, работающие под управлением операционных систем MS Windows и Linux. Проведенный анализ информационного обеспечения при выбросах радионуклидов в атмосферу показал, что программное обеспечение для повышения оперативности и адекватности прогнозирования, оценки последствий и эффективности вырабатываемых решений должно совмещать функции геоинформационной, моделирующей и экепертно-аналитичеекой систем. 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 расчетом 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. Программный комплекс «RADExpert» 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 ОрепМар 4.6.4, библиотеки классов SwingX 0.9.3 и системы управления базами данных Java DB 10.3.1.4. Модульная структура комплекса обеспечивает адаптируемость и возможность расширения комплекса для решения задач, связанных с обеспечением радиационной безопасности населения. Геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс «RADExpert» может использоваться специалистами аварийно-технических центров, подразделениями охраны окружающей среды и гражданской обороны для прогнозирования распространения радиоактивных загрязнений в атмосфере вследствие аварийных ситуаций на ВоАЭС, для определения распределения радионуклидов на поверхности и в атмосфере, проведения расчетов индивидуальных эквивалентных доз, обусловленных загрязненной поверхностью, облаком радионуклидов и их ингаляцией, для выработки рекомендаций по ликвидации последствий выбросов радионуклидов в атмосфере.
3. Проведены вычислительные эксперименты для различных типов за-проектных аварий, возможных на ВоАЭС. Анализ результатов показал, что при ЗА-1 и ЗА-2 направлением ветра, создающим наиболее экологически неблагоприятные последствия для города Цимлянск, является юго-восточное, а для города Волгодонск - восточное. Попадание загрязнений на водную поверхность Цимлянского водохранилища в случае выброса из трубы ВоАЭС возможно при действии ветров восточного и юго-восточного направлений. Результаты проведенных вычислительных экспериментов удовлетворительно согласуются с натурными данными и с результатами, полученными ранее другими авторами для районов, схожих с районом размещения ВоАЭС, могут быть применены при разработке мер по предохранению окружающей среды от воздействия радиоактивных загрязнений и создании плана действий при эвакуации населения Ростовской и соседних областей в случае возникновения аварийных ситуаций на ВоАЭС.
1. Абрамов А.И. Основы ядерной физики. - М.: Энергоатомиздат, 1983. -256 с.
2. Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере: Курс лекций. М.: ИВМ РАН, 2002. - 201 с.
3. Арутюнян Р.В. Компьютерная система «Нострадамус» для поддержки принятия решений при аварийных выбросах на радиационно-опасных объектах / Р.В. Арутюнян, В.В. Беликов, Г.В. Беликов и др. // Известия АН. Энергетика. -1995. №4. - С.19-30.
4. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха / Под ред. А.С. Монина. М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1962. - 512 с.
5. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М Ньистадта и X. Ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -351 с.
6. Белов И.В. Транспортная модель распространения газообразных примесей в атмосфере города / И.В. Белов, М.С. Беспалов, JI.B. Клочкова и др. // Математическое моделирование. 2000. -№11.- С.38-46.
7. Белов И.В. Сравнение моделей распространения загрязнений в атмосфере / И.В. Белов, М.С. Беспалов, JI.B. Клочкова, Н.К. и др. // Математическое моделирование. 1999. - №8. - С.52-64.