Системный мониторинг гомеостаза антропогенных и природных факторов

Посвящается памяти Героя Советского Союза, основателя и первого Президента Международной Лиги защиты человеческого достоинства и безопасности, Варенникова Валентина Ивановича.

В рамках общей рубрики СИСТЕМНЫЙ МОНИТОРИНГ ГОМЕОСТАЗА АНТРОПОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ рассматривается комплекс стратегических задач, отражающих круг вопросов, связанных темой «Безопасность жизнедеятельности».

В результате становления темы, решаются задачи мониторинга и прогноза безопасности территорий сооружений и технических объектов на всём их жизненном цикле.

Нам жизненно необходимо создание условий для выхода экономики на траекторию быстрого и устойчивого роста. Новизна заключается в системности подхода, в учете международного опыта и в приведении макроэкономической политики в соответствие с национальными интересами, то есть её суверенизация. В этом самое слабое место сегодняшней экономической системы, которая подвергается агрессии извне.

В целях снижения рисков и смягчения последствий и чрезвычайных ситуаций (ЧС), обеспечения безопасности жизнедеятельности и сохранения среды обитания предлагаются комплексные исследования мониторинга ряда основных параметров антропогенного и природно-техногенного гомеостаза, анализа его состояния и прогнозирование динамики изучаемых процессов.

Возникновение ЧС в первую очередь обусловлено объективно существующими возможностями зарождения и развития неблагоприятных стихийных явлений (землетрясения, тайфуны, наводнения, цунами и т.д.). По данным ЮНЕСКО печальное лидерство принадлежит землетрясениям – они занимают первое место среди ЧС по экономическому ущербу и одно из первых мест по числу человеческих жертв.

Четверть территории СНГ расположена в особо опасных с сейсмической точки зрения районах.

Следует заметить, что в силу географических и климатических условий почти во всех регионах Российской Федерации возникают не только землетрясения, но и катастрофические наводнения и затопления, снежные заносы, лесные и торфяные пожары, ураганы, оползни, лавины.

Наибольшую опасность из рассматриваемых процессов в России представляют наводнения, оползни и обвалы, землетрясения, смерчи, лавины, сели, цунами (табл.). Именно с ними часто связан огромный социально-экономический ущерб, величина которого исчисляется десятками миллиардов рублей в год.

Суммарные результаты негативного воздействия роста экономического потенциала государств на окружающую природу:

Сфера воздействия	Некоторые характеристики воздействия
Мировой океан	Ежегодно в мировой океан попадает до 30 млн. т нефти и нефтепродуктов, 6 млн. т фосфора, 20 млн. т пестицидов
Запасы пресной воды	Годовое потребление человеком пресной воды составляет 3500 м 3 . При этом слив неочищенных вод – 32 м 3 . (1 м 3 стоков губит 50 м 3 пресной воды)
Атмосфера	Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 5 млрд.т углекислого газа, 200 млн.т окиси углерода, 146 млн.т двуокиси серы, 53 млн.т окислов азота. Наметилась возрастающая тенденция ежегодного разрушения озонового слоя, роста «парникового эффекта»
Фауна и флора	Леса планеты уничтожаются со скоростью 20 га/мин, что в 18 раз превышает темп их роста. Под угрозой распространения пустыни находится до 20% поверхности суши. Ландшафты разрушаются со скоростью 44 га/мин. На грани исчезновения находятся более 1000 видов позвоночных животных и 25 тыс. видов растений
Глобальная сфера	На 35 испытательных полигонах мира взорвано более 1800 ядерных боеприпасов, 25% из которых – над поверхностью земли, что привело к радиоактивному загрязнению некоторых районов с уровнями, превышающими чернобыльские. Кроме того, на сегодняшний день в мировом океане затонуло более 5 атомных подводных лодок (7 атомных реакторов, 16 баллистических ракет, около двух десятков торпед с ядерными боезарядами). Продолжается практически неконтролируемое захоронение радиоактивных отходов в морях (океанах) и на суше

Примеры ЧС техногенного характера:

• •    Аварийные ситуации на ж.д. транспорте;

• •    Авиакатастрофы;

• •    Катастрофы на автодорогах;

• •   Аварии на судах;

• •   Аварии на магистральных трубопроводах;

• •    Пожары, взрывы, обрушения на промышленных объектах и объектах

В статье рассматриваются комплексные системы информирования и оповещения населения в местах массового пребывания людей, антикризисного управления. Это также касается мониторинга критически важных и потенциально опасных объектов, систем сейсмических наблюдений и предупреждения о цунами. Планируется формирование экспериментальной научной базы в этой области, улучшение научного анализа опасных природных и техногенных явлений с учетом изменения климата и комплексных систем их мониторинга.

Заказчиками и пользователями системы в России могут являться: МЧС, Министерство образования и науки России, Ростехнадзор, Росгидромет, Рослесхоз, Ространснадзор, а также организации нефтегазовой отрасли, геологи, строители. Важным аспектом является безопасность особо охраняемых объектов и мобильных объектов от природных и техногенных воздействий.

Особенности методик следующие:

• •    Исследование конкретного процесса производится на моделях.

Гомеостатическая модель процесса генерируется на основании мониторинга эндогенных параметров и экстернальных воздействий.

• •    В целях повышения достоверности исследований производится выявление коррелирующих и взаимно обуславливающих параметров.

• •  Производится анализ и визуализация изучаемых процессов в пространствеи

времени (ретроспектива, текущее состояние, прогноз).

• •  Обеспечивается информирование и оповещения населения и ведомство

потенциальных опасностях.

• •   Проведение исследований на основе накопленных данных с применением методов

искусственного интеллекта для повышения достоверности  результатовв интересах конкретных отраслей.

Основные направления исследований:

• •    экологические аспекты природного и антропогенного гомеостаза;

• •    предупреждение землетрясений, вулканизма, наводнений, оползней и обвалов, землетрясений, смерчей, лавин, селей, цунами;

• •    сельское хозяйство;

• •    лесное хозяйство;

• •    биоресурсы;

• •    гидрология;

• •    геологоразведка и геофизические изыскания;

• •    экономика регионов;

• •    состояние здоровья населения;

• •    медицинские исследования;

• •   транспортные сети;

• •   транспортные средства;

• •    зона ответственности МЧС;

• •    стройкомплекс (проектирование);

• •    космический сектор (астрофизические аспекты);

• •    метеорология;

• •    эндогенная активность.

Технические средства наблюдения:

• •    первичные датчики параметров изучаемых процессов (сейсмические, изотопные, химические, магнитометры, и т.п.);

• •    телекоммуникационная среда;

• •    система сбора данных;

• •    аппаратно-программные комплексы предварительной обработки информации;

• •    комплексы накопления и хранения информации (архивы);

• •    аппаратно-программные комплексы пространственно-временной обработки и визуализации динамических процессов;

• •    оборудование исследовательской лаборатории.

  
  
  

Транспорт

Землепользование

Участки переписи

Здания

Почтовые индексы

Растровое изображение

Рис. 1. Система баз разнородных данных

К другим примерам относится:

• •    Обнаружение источников экологического загрязнения и прогноз динамики его распространения.

Система баз разнородных данных организует пространственные данные в виде тематических слоев и таблиц:

• •    Слои данных (базы данных) имеют пространственно-координатную и временную привязку;

• •    Могут быть «наложены» друг на друга;

Создание многодисциплинарных баз данных;

• •    Разработка многоцелевой многоуровневой системы обработки;

• •    Разработка методов распознавания, классификации, аппроксимации и кластеризации и интеграции с базами данных

Специальное геофизическое оборудование (ДЗЗ) работает в спектральном диапазоне, в котором находятся характеристические частоты всех химических элементов. Оборудование обладает рекордной чувствительностью. Компьютерная обработка информации позволяет с

Электронное научное издание «Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление»

том 12 № 1 (30), 2016, ст. 2

высокой точностью выявит экологические загрязнители и определить координаты источника. Совместная обработка данной информации с метеорологической информацией, информацией о рельефе местности, водных потоках, течениях, и т.п., позволяет с высокой точностью прогнозировать динамику распространения загрязнителя.

В области измерения диагностических параметров механических систем получили всеобщее применение вибрационные методы, основанные на статистических моделях экспериментальной оценки состояний ресурса прочности по двум скалярным параметрам «дрожания» - амплитуде и частоте. Эти элементы являются эмоциональными, внешними показателями системы, которые отражают понимание усредненных спроецированных скалярным образом пространственных деформационных процессов.

На рубеже XXI века, в связи с практической реализацией идеи создания векторных фазочувствительных метрологических средств на основе компьютерных технологий, появилась прорывная возможность пространственной реконструкции контурных анизотропно-прочностных динамических портретов, позволяющая прямым методом достоверно оценивать напряженно-деформированные состояния и вибрационнодиагностические параметры объектов мониторинга(рис.2). Разработан и внедрен фундаментальный и универсальный для всех областей машиностроения и строительства метод, практически реализующий инновационную информационную технологию безопасности среды обитания.

Сравнительная информативность скалярного и векторно-фазового методов измерения представлена ниже в виде многомерной реконструкции пространственно-временного множества мгновенных векторов деформационного поля в измерительной точке объекта мониторинга. Пожары, взрывы, обрушения на промышленных объектах.

Рис. 2. Информативность скалярного и векторного-фазового методов

Учитывая, что будущее за атомной энергетикой, и достойной альтернативы нет, на первое место выдвигается вопрос масштабности проблемы. Значительное усиление позиции ядерной энергетики может произойти в связи с экспериментами, проведенными 24 ноября 2015 г. на 4–м энергоблоке Белоярской АЭС, Свердловской области. Сенсация состоит в том, что российские атомщики предложили использовать на 4-м блоке в реакторе на быстрых нейтронах БН-800 в качестве топлива не редкий 235U, как на обычных АЭС, а «отвальный» изотоп 238U, составляющий 99% добывающего урана и 94% отходов традиционной атомной энергетики. Научно-технический прогресс, который состоится в случае данного эксперимента, способен обеспечить страну доступной и в меру дешевой электроэнергией на несколько сотен лет вперед. Это очень важно для страны в настоящее время, когда происходит падение цены на нефть.

Распространенность изотопов урана в природе известна: 234U (2,44×105лет) 0,005%; 235U (7,04×108лет) 0,7%; 238U (4,47×109лет) 99%. Ученые многих стран Мира мечтают использовать 238U в качестве топлива для АЭС. Из наших экспериментов известно, если 238U бомбардировать быстрыми нейтронами, он превращается в плутоний 239Pu(2,439×104лет) т.е. в новое, готовое топливо для АЭС. Этот факт был использован на 4-м блоке БН-800, Белоярской АЭС. Тогда реактор на быстрых нейтронах работает в качестве размножителя, когда нового топлива оказывается больше, чем загруженного первоначально. С такими реакторами добывать свежий уран уже не требуется, обогащать его тоже не нужно. Безопасность такого реактора значительно повышается. И всегда имеется оружейный плутоний.

Другим перспективным направлением исследований ядерной энергетики с использованием реакции(238U+n)239Pu становится электроядерный способ производства энергии и трансмутации долгоживущих радиоактивных изотопов подкритическими системами. Этот метод в атомной энергетике основан на делении ядер либо 235U, либо по новой методике 239Pu в подкритических системах, управляемых внешними источниками быстрых нейтронов.

Уран – полиэтиленовая подкритическая сборка (максимальный коэффициент умножения ×0,975) представляет собой куб с ребром 120 см. Сборка собирается из кубиков полиэтилена с готовыми каналами для установки ТВЭЛов, расположенных в прямоугольной решетке с шагом, равным 20 мм. В центре сборки размещается нейтронно-производящая мишень Pb 80×80×580мм. В активной зоне подкритической системы предусмотрены экспериментальные каналы ø20 мм для размещения мишеней (в том числе и каналы для мониторирования плотности потока нейтронов). Инициирование сложной цепочки ядерных

Электронное научное издание «Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление»

том 12 № 1 (30), 2016, ст. 2

превращений осуществляется пучками нейтронов, падающих на мишень, окруженную подкритической средой (бланкет), в которой происходит умножение нейтронов и, в которой, собственно, и происходит крупномасштабное выделение энергии (рис. 3).

В настоящее время в мире еще нет ни одной электроядерной установки, однако такие устройства с различным уровнем тепловой мощности проектируются и уже близки к началу строительства в нескольких странах. Главным достоинством электроядерных мини-АЭС является их безопасность и безотходность. С выключением пучка заряженных частиц, падающих на мишень, прекращается ядерная реакция. Облучение исследуемых образцов в экспериментальных каналах с ø20 мм, расположенных на расстоянии от центра сборки на 10 см. Сборка окружена графитовыми брусками (графит высокой чистоты), которые являются боковыми рефлекторами (ширина бруска 300мм). Мини-АЭС более удобны в эксплуатации, безопасны и, в отличие от используемых сегодня АЭС, не несут той гигантской разрушительной силы и заражения радиоактивностью. Мини-АЭС можно размещать вблизи поселков, воинских гарнизонов, деревень и даже крупных городов. Мини-АЭС можно размещать также на судах и доставлять в нужное место. В программе создания мини-АЭС рассмотрен вопрос пролонгированных, снятых с АЭС отработанных ТВЭЛов, так называемого облучённого ядерного топлива (ОЯТ). Выработка ТВЭЛов в такой конструкции составляет не 5%, а 95%. Производство электроэнергии мини-АЭС будет в сотни раз дешевле, чем на действующих АЭС.

I -влЗ* |-|К1фитс»«иЯ

2 • оклей капмиеемй

3 - сбиимм

4 - клал нейтронного ниочниа

5 - блочок голиотнлемового зачедзитела

6 - блочок касссгм СУ З

7 - дагчик нейтронал

К - блочок аииценой Ml шея и

9 • пластина крепежная

10 - шпал з«лгр|;ь№итш1Ы1ый

11 • к!яал гнекмопочты

12 ■ коипсн:ир>о<хцне стержиа

13 - сероопрнвод нейтрон ноге неточника

14 ■ nuunnaii куктСЙИнр нейг|»нн1Хо мстсчинха

15 • нтйтроений 1СТОЧННК

16-вибер •

17 - еср|кк|;«вод шибере

Рис. 3. Прототип мини-АЭС уран-полиэтиленовой подкритической сборки мощностью от 10 до 500 кВт

При создании локальных и резервных источников энергии на базе мини-АЭС (коэффициент использования ТВЭЛов возрастает с 5% до 95%).

Известно, что в 31 стране мира эксплуатируется 470 ядерных энергоблоков и еще 53 строится. Например, Япония подтвердила строительство 20 новых ядерных энергоблоков, Китай наметил к 2020 году довести суммарную мощность до 50ГВт. Россия ведёт строительство АЭС в Иране, Индии, Белоруссии. Все атомные электростанции Мира производят 375 гигаватт электроэнергии. Большинство энергоблоков, находящихся в эксплуатации, необходимо модернизировать. Поэтому многие страны вкладывают миллиарды долларов в научные разработки нового поколения АЭС.

Следует также отметить, что с учетом всей энергетической цепочки производства и потребления электричества АЭС дают выход СO 2 в 40–100 раз меньше по сравнению с современными энергетическими цепочками углеводородного топлива. Отличительной чертой ядерной энергетики является включение во внутренние издержки производства расходов на обеспечение безопасности, обращение с радиоактивными отходами (РАО) и снятие энергоблоков с эксплуатации. Эти расходы включаются в цену энергии АЭС.

Все выше изложенное свидетельствует не только об огромном экономическом эффекте, но и об экологическом аспекте исследуемой проблемы. Финансовая выгода от вложения средств в это направление будет огромна, нужны финансовые вложения только на первом этапе создания мини-АЭС.

В последние годы уделяется много внимания системам мониторирования чрезвычайных ситуаций и достоверной реконструкции деформационных полей среды обитания, измерения и контроля основных параметров, характеризующих состояние атмосферных процессов а также решения ряда экологических проблем (снижение риска эксплуатации АЭС и других объектов ядерно-топливного цикла и прогнозирование радиологической обстановки вблизи АЭС и на большом удалении от неё).Технический результат–расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата проводятся экспресс-измерения непосредственно на месте реального исследования. При этом определяются концентрации радиоактивных инертных газов криптона и радона в атмосфере на уровне низких природных фоновых значений концентраций этих исследуемых изотопов. Измерение радиоактивных инертных газов криптона и радона в атмосфере осуществляется с помощью гамма-спектрометрического анализа.

Система мониторирования по концентрации радиоактивных инертных газов криптона и радона успешно используется во многих чрезвычайных ситуациях, связанных с извержениями вулканов, движением океанских плит и землетрясениях.

Известно, что в горячей текучей мантии Земли идёт медленная конвекция. Верхний холодный твёрдый литосферный слой Земли этими течениями расколот на движущиеся плиты. На стыках этих плит и происходят землетрясения. Горячие потоки магмы, выходящие на поверхность, инициируют извержение вулканов, а застревающие потоки, охлаждающиеся на глубине, создают рудные месторождения. Все указанные процессы сопровождаются выделением инертных газов криптона (36Kr), ксенона (54Xe) и радона (222Rn). Чем выше концентрация этих газов в атмосфере, тем интенсивнее идёт процесс землетрясения или извержения вулкана.

Чрезвычайно интересно отметить, что, зная историю перемещения плит, можно восстановить, где были ранее на Земле вулканы и месторождения в момент их образования, до их перемещения с океаническими плитами и континентами.