Оценка объёмной активности и мощности поглощённой дозы внешнего g-излучения от штатных выбросов радиоизотопов инертных газов Белорусской атомной электростанции

Штатные радиоактивные выбросы атомных электростанций, в основном, обусловлены радиоактивными инертными газами, которые в силу своих химических свойств в наименьшей мере задерживаются системами очистки [1-4]. Согласно литературным данным [1-4] ежегодный выброс радиоактивных изотопов инертных газов для реакторов ВВЭР в России и их аналогов в мире составляет 10¹³ Бк на 1 ГВт мощности энергоблока, при этом 81% активности выброса определяется ¹³³Xe (активность составляет 8,1-10¹² Бк), 14% - ¹³⁵Xe (1,4-10¹² Бк), 2% - ⁸⁵Kr (1,6-10 11 Бк), а активность остальных радиоизотопов инертных газов составляет менее 1% (<10¹¹ Бк). При этом радионуклидный состав выброса инертных газов изменяется в зависимости от разновидностей реакторов ВВЭР. Активность ежегодных штатных выбросов радиоактивных изотопов йода составляет ~10⁸ Бк и около 10⁶ Бк - прочих долгоживущих изотопов (¹³⁷Cs, ⁶⁰Со, ⁵⁴Mn) [1-4]. Таким образом, основная активность радионуклидов в штатном выбросе АЭС определяется радиоизотопами инертных газов. Поэтому целью исследований являлась оценка концентраций радиоактивных изотопов инертных газов в атмосфере и соответствующие им мощности поглощённой дозы внешнего у-излучения в облаке штатного суточного выброса, а также среднемноголетние значения объёмных активностей и мощностей дозы в зоне расположения Белорусской атомной электростанции проекта АЭС-2006 с двумя реакторами В-320.

Материалы и методы

Прогнозирование объёмной активности радиоактивных изотопов инертных газов в атмосфере осуществляли с помощью Гауссовых моделей рассеивания [1, 5]. Данные модели многократно апробированы в различных регионах мира в широком спектре метеорологических условий и применяются для оценки распространения штатных и аварийных радиоактивных выбросов [1,5, 6].

Активность штатного выброса АЭС принимали, исходя из существующих данных о среднемноголетних величинах выбросов реакторов ВВЭР в мире и долевого вклада в суммарную активность отдельных радиоактивных изотопов инертных газов [1-4]. Полученные результаты носят предварительный характер и в дальнейшем будут уточняться на основе проектных данных по величинам выброса Белорусской АЭС.

В облаке суточного штатного выброса при прогнозировании объёмной активности радиоактивных изотопов инертных газов предполагали неизменность метеорологических условий, соответствующих наиболее вероятным нейтральным условиям устойчивости атмосферы (категория устойчивости атмосферы D согласно классификации Пасквилла-Тернера, модифицированной ИЭМ, частота 44%) при скорости ветрового переноса ~3,5 м/с в течение суток в восточном направлении для района размещения БелАЭС [7].

При этом объёмная активность радионуклида A_v для точки с координатами ( x, y, z ) может быть оценена исходя из [1,5, 6]:

A v (x, y, z) = Q - G(x, y, z) /t , (1)

где Q - интегральный выброс, Бк; G - фактор метеорологического разбавления в точке с координатами (x, y, z) , с/м³; t - продолжительность выброса, с.

Параметр метеорологического разбавления рассчитывали на различном удалении x от источника выброса на уровне подстилающей поверхности ( z =0) на оси следа радиоактивных выпадений ( y = 0) [1,5, 6]:

_г,_хХ  f p ( x ) • f oc ( x ) • f e ( x ) 1 ^ ]

G ^{( x} ) = , • a y ( x ) • a _z ( x ) • u 'e        •

где х , у , z - координаты точки в пространстве, м; и - скорость ветра, м/с; h - высота выброса над землей, м; a _z , а _у - стандартные отклонения распределения примеси в облаке выброса в направлении соответствующих координатных осей, м; f_p , Т ос , Т_в - поправки на распад, осаждение и вымывание радионуклида из атмосферы осадками.

Поскольку для радиоактивных изотопов инертных газов практически отсутствуют гравитационное осаждение и вымывание атмосферными осадками, то Т ос и Т_в приняты равными 1.

Источник радиоактивного выброса принимали как один эквивалентный точечный источник, находящийся в атмосфере на высоте 120 м и пространственно совпадающий с центром санитарно-защитной зоны АЭС.

Определение величин стандартных отклонений (которые зависят от аэродинамической шероховатости поверхности и категории устойчивости атмосферы классификации Пасквилла-Тернера, модифицированной ИЭМ [5]) проводили в соответствии с формулами Смита-Хоскера [1, 5, 6]. При расчётах стандартных отклонений была принята аэродинамическая шероховатость поверхности 100 см, что соответствует пересечённой местности с полями и участками леса [6].

Средняя объёмная активность радиоактивных изотопов инертных газов в облаке штатного суточного выброса, рассчитанная согласно формулам (1) и (2), приведена на рис. 1а.

Объемная активность, Бн/м

б)

Рис. 1. Распределение объёмной активности радиоизотопов инертных газов в облаке штатного выброса АЭС в зависимости от расстояния в восточном направлении. а) - объёмная активность в облаке штатного выброса АЭС; б) - среднемноголетние значения объёмной

активности.

Оценку среднемноголетнего метеорологического фактора разбавления в приземном слое воздуха на расстоянии x от источника в направлении ветра п , согласно Гауссовой модели рассеяния, рассчитывали по формуле [1,6]:

h ²

G n ( x ) =

• ² • N    у у     ® n, j,k     f ,_e^ ² a 2, j ( x ),

  
  

• V(2• nУ • x M m "z,j(x) • uj,k j,k,i'

где N, n - общее число и номер румба; J, j - общее число и номер градации категорий устойчивости атмосферы; K, к - общее число и номер градации модуля скорости ветра на высоте флю гера, Uj к - модуль скорости ветра на высоте флюгера из градации к для категории устойчиво сти атмосферы j, м/с; az,j (x) - дисперсии струи по вертикали на расстоянии х от источника для категории устойчивости j, м; т    - повторяемость метеорологических условий, заклю- n, j,k чающаяся в совместной реализации направления ветра в румбе n при категории устойчивости атмосферы j и градации скорости ветра к; fjki - функции истощения струи за счёт радиоактивного распада, сухого осаждения и влажного выведения из атмосферы на подстилающую поверхность. Поскольку для радиоактивных изотопов инертных газов практически отсутствуют гравитационное осаждение и вымывание атмосферными осадками, то соответствующие поправки приняты равными 1.

Повторяемость метеорологических условий определяли согласно методикам оценки устойчивости атмосферы классификации Пасквилла-Тернера, модифицированной ИЭМ, за пери- од с 1999 по 2008 гг. [6, 7]. Согласно данным многолетних метеорологических наблюдений [7], наиболее вероятным для исследуемой территории является нейтральное состояние атмосферы (категория устойчивости D, для которой вероятность в течение года составляет 44%). Устойчивые и близкие к таковым состояния атмосферы – категории E и F – имеют вероятность проявления 34,8%. Еще более редки неустойчивые состояния (категории A и B) – 21,4%. При этом ветры восточных направлений имеют место, как правило, при неустойчивых состояниях атмосферы (категории А и В), а западных и южных – совпадают с нейтральными и устойчивыми категориями состояния атмосферы (категории C, D, E и F). Средневзвешенная скорость ветра над исследуемой территорией составляет ∼3,5 м/с.

При расчётах использовали 16 румбов по направлению ветра ( n =1-16), 6 категорий устойчивости атмосферы ( j =1-6, от А до F) и 7 категорий по скорости ветра от ( k =1-7, от 0 до 6 м/с, с шагом 1 м/с и отдельно для категории >6 м/с).

Рассчитанная в соответствии с формулой (3) среднемноголетняя объёмная активность радиоактивных изотопов инертных газов для наиболее вероятного направления движения ветра в северо-западном направлении приведена на рис. 1б.

На рис. 2 построены изолинии среднемноголетних объёмных активностей 133Xe в приземном слое воздуха в радиусе 30 км от АЭС.

Рис. 2. Распределение среднемноголетней объёмной активности ¹³³Xe в приземном слое воздуха в зоне расположения АЭС, Бк/м³.

Мощность поглощённой дозы Н(х) , Гр/ч от фотонного излучения на открытой местности рассчитывали по формуле [5, 8]:

H (x) = Av (x) • By ,

где В _Y - дозовый коэффициент внешнего облучения Y-квантами, (Гр^м 3 )/(чБк) [5, 8]; A_v(x) - объёмная активность радионуклида в воздухе, Бк/м³.

Рис. 3. Изменение мощности поглощённой дозы γ-излучения в зависимости от расстояния до АЭС в восточном направлении, мкГр/ч.

Расстояние относительно АЭС, м

Рис. 4. Распределение мощности поглощённой дозы γ-излучения на высоте 1 м от подстилающей поверхности в приземном слое воздуха в зоне расположения АЭС, n⋅10^-13 Гр/ч.

Результаты расчётов мощности поглощённой дозы на высоте 1 м от подстилающей поверхности при суточном штатном выбросе и среднемноголетние показатели при непрерывных выбросах в течение года для наиболее вероятного направления ветрового переноса приведены на рис. 3. На рис. 4 приведены изолинии мощности поглощённой дозы на высоте 1 м от подстилающей поверхности при непрерывных выбросах в течение года с учетом среднемноголетних изменений метеорологических условий.

Результаты и обсуждение

В облаке штатного суточного выброса АЭС наибольшие объёмные активности прогнозируются на удалении 500-7500 м от источника радиоактивного загрязнения, достигая 0,02 Бк/м3 по 41Ar, 85m,87,88Kr, 131m,133mXe, 0,05 Бк/м3 – по 85Kr, 0,5 Бк/м3 – по 135Хе и 2,5 Бк/м3 – по 133Хе. Аналогичные расчётные результаты по содержанию радиоактивных изотопов инертных газов приведены в одной из работ украинских исследователей [9], а также в литературных обзорах по данному вопросу [10, 11]. Показано [9, 11], что при реальных уровнях выбросов радиоактивных инертных газов АЭС с двумя реакторами ВВЭР на удалении <1 км объёмная активность 133Хе не превысит 16 Бк/м3, по 135Хе – < 3 Бк/м3, а по 41Ar, 85m,87,88Kr, 131m,133mXe – менее 1 Бк/м3.

Указанные значения объёмных активностей наиболее вероятны в облаке суточного штатного выброса при скорости ветра ∼3,5 м/с и наиболее типичных нейтральных условиях устойчивости атмосферы, однако при скорости ветра <0,5 м/с объёмная активность 135Хе в приземном слое воздуха на удалении до 1 км может достигать 3 Бк/м3, а 133Хе – 18 Бк/м3.

Максимум среднемноголетних объёмных активностей для исследуемой территории прогнозируется на расстоянии от 500 до 7500 м, однако по абсолютным значениям он значительно ниже по сравнению с суточным выбросом. Так, в северо-восточном и восточном направлениях относительно АЭС, для которых наиболее вероятен ветровой перенос, объёмная активность 41Ar, 85m,87,88Kr, 131m,133mXe на удалении до 5000 м не превысит 0,001 Бк/м3, 135Xe – не превысит 0,02 Бк/м3, а 133Xe – 0,1 Бк/м3 (рис. 1б). По мере удаления от АЭС прогнозируется снижение объёмной активности, обусловленное атмосферным разбавлением радиоизотопов инертных газов, и на удалении 25 км исследуемый показатель снизится почти в 10 раз, а на удалении 100 км – в 30 раз.

На рис. 2 представлены изолинии среднемноголетних объёмных активностей 133Xe в приземном слое воздуха в районе размещения АЭС. Изолинии объёмной активности 133Хе ∼0,01 Бк/м3 распространяются на расстоянии >25 км в восточном направлении и >20 км в северном, северо-восточном и западном направлениях, ограничивая площадь <600 км2. Среднемноголетние изолинии объёмных активностей >0,05 Бк/м3 по 133Хе прогнозируются на удалении <3 км относительно источника выброса в восточном направлении и <2 км в северном, площадь с превышением указанной объёмной активности составит не более 5 км2, фактически ограничиваясь санитарно-защитной зоной станции.

Изолинии объёмной активности 133Хе <0,006 Бк/м3 прогнозируются на удалении ∼50 км в восточном и ∼35 км в западном направлениях.

Расчётные данные по величинам объёмной активности исследуемых радионуклидов в атмосфере можно сопоставить с измеренными значениями, полученными при проведении радиоэкологического мониторинга. В частности, для Северо-Восточного региона Российской Федерации установлено, что типичный диапазон объёмной активности 133Xe составляет единицы-десятки мБк/м3 [12]. Аналогичные результаты получены при определении средневзвешенных концентраций 133Xe в зоне выбросов Калининской АЭС [13], вместе с тем в облаке суточного штатного выброса концентрация 133Xe может доходить до единиц Бк/м3 [13], что по порядку величин близко к полученным нами значениям.

Больший интерес исследователи проявляют к 85Kr в силу его продолжительного периода полураспада и кумулятивного характера накопления в окружающей среде. К концу 2000 г. средневзвешенная объёмная активность 85Kr в приземном слое воздуха достигла над территорией Европы 1,5 Бк/м3 при диапазоне варьирования данной величины от 1 до 4,8 Бк/м3, что на 6 математических порядков меньше по сравнению с началом наблюдений в первой половине 50-х гг. [10-12]. При этом объёмная активность 85Kr в атмосфере, обусловленная спонтанным делением природного урана, оценена в ∼10-6 Бк/м3. Вследствие испытаний ядерного оружия и работы реакторов АЭС она составляет по 5⋅10-3 Бк/м3 от каждого источника на середину 90-х годов, при этом основное количество радионуклида поступает при переработке отработанного ядерно-го топлива и продолжает возрастать [10, 11]. Фиксируемые непериодические повышения объёмной активности 85Kr в местах отбора проб воздуха могут быть обусловлены поступлением воздушных масс с повышенным содержанием радионуклидов из мест расположения радиохимических заводов. Таким образом, при диапазоне объёмной активности 85Kr в атмосфере, составляющей 1-4,8 Бк/м3 [12], выявить инструментальными методами измерения повышение исследуемого показателя на десятки мБк/м3 в облаке штатного выброса АЭС достаточно сложно.

В облаке суточного выброса мощность поглощённой дозы γ-излучения на высоте 1 м от подстилающей поверхности прогнозируется в диапазоне 1-4⋅10-11 Гр/ч на удалении от 1000 до 5000 м относительно источника радиоактивного выброса (рис. 3). Диапазон максимальных значений среднемноголетних показателей мощности поглощённой дозы внешнего γ-излучения (1-2,5⋅10-12 Гр/ч) прогнозируется на удалении от 500 до 5000 м. Максимум мощности поглощённой дозы прогнозируется на удалении ∼1500 м и составит ∼4⋅10-11 Гр/ч в облаке суточного выброса и ∼2,5⋅10-12 Гр/ч для среднемноголетних значений. По мере удаления от АЭС исследуемый показатель снижается и на расстоянии ∼30 км составляет ∼2⋅10-12 Гр/ч в облаке суточного выброса и ∼1⋅10-13 Гр/ч для среднемноголетних значений.

Распределение среднемноголетних значений мощности поглощённой дозы γ-излучения радиоактивных изотопов инертных газов приведено на рис. 4. Как следует из представленных данных, среднемноголетнее значение мощности поглощённой дозы γ-излучения 1⋅10-13 Гр/ч может наблюдаться на площади около 1200 км2. Несколько более высокие среднемноголетние значения исследуемого показателя прогнозируются на меньшей площади в непосредственной близости от АЭС : >2⋅10-13 Гр/ч – ∼530 км2, >5⋅10-13 Гр/ч – около 70 км2, а более 10⋅10-13 Гр/ч – только 5 км2.

Мощность поглощённой дозы внешнего γ-излучения радиоактивных инертных газов в облаке суточного штатного выброса не превысит 4⋅10-11 Гр/ч, что почти на три математических порядка меньше величины естественного радиоактивного фона и хорошо согласуется с результатами исследований украинских ученых [14]. При этом следует отметить, что даже при самых неблагоприятных и имеющих малую вероятность проявления метеорологических условиях при штилевой погоде с устойчивым состоянием атмосферы и связанном с ними увеличением концентраций радиоактивных инертных газов в атмосфере вблизи АЭС до 18 Бк/м3 по 133Хе и до 3 Бк/м3 по 135Хе, мощность поглощённой дозы внешнего γ-излучения не превысит ∼10-10 Гр/ч.

Среднемноголетние значения мощности поглощённой дозы внешнего γ-излучения радиоактивных инертных газов в пределах 30-километровой зоны вокруг АЭС прогнозируются в диапазоне 10-13-10-12 Гр/ч и сопоставимы с расчётными данными других исследователей [9].

Заключение

Представленные прогнозные данные по объёмной активности радиоизотопов инертных газов в атмосфере и связанных с ними поглощёнными дозами внешнего γ-излучения при штатных выбросах атомной электростанции с реакторов ВВЭР свидетельствуют о крайне низком радиационном воздействии на окружающую среду. Максимальные значения объёмной активности в облаке штатного суточного выброса АЭС по 133Хе не превысят 2,5 Бк/м3, по 135Хе – 0,5 Бк/м3 и по 41Ar, 85m,85,87,88Kr, 131m,133mXe составят менее 0,05 Бк/м3 на удалении 500-7500 м. Мощность поглощённой дозы внешнего γ-излучения в облаке суточного штатного выброса составит <4⋅10-11 Гр/ч, что на три математических порядка меньше естественного радиационного фона.

Величины среднемноголетних объёмных активностей по 133Хе в атмосфере на удалении менее 5000 м прогнозируется <0,1 Бк/м3, по 135Хе – <0,02 Бк/м3 и по 41Ar, 85m,85,87,88Kr, 131m,133mXe составят <0,001 Бк/м3, а соответствующая им мощность поглощённой дозы внешнего γ-излучения – 10-12 Гр/ч.