EA025904B1 - Способ радиационной защиты биосферы - Google Patents

Abstract

Изобретение предотвращает неконтролируемое наполнение биосферы газоаэрозольными выбросами от опасных промышленных объектов. Область применения: предприятия ядерного топливного цикла, тепловые электростанции, предприятия металлургической и химической индустрии. Способ использует ветроэнергетические агрегаты мегаваттного класса, возводимые вокруг промплощадки опасного объекта. В штатных условиях окружной ветропарк работает на нагрузки собственных нужд контролируемого объекта. Регистрация опасных выбросов от объекта ставит ветропарк под автоматизированное управление для защиты биосферы. Синхронно с перемещениями ветра над объектом фиксируют ветроагрегаты, на которые смещается факел выбросов, и переводят их генераторы в двигательный режим. В двигательном режиме мощные ветроагрегаты используют как высотные промышленные вентиляторы, создающие направленные воздушные потоки. Управляя турбулентностью воздушных потоков, стимулируют коагуляцию и осаждение аэрозолей, ограничивают ветровое рассеивание выбросов пределами санитарно-защитной зоны опасного объекта, где выбросы локализуют и утилизируют, предотвращая хаотический разброс токсичных материалов по поверхности Земли. Затраты на осуществление изобретения - нового эшелона защиты от опасных антропогенных выбросов, причиняющих среде обитания практически невосполнимый ущерб, - окупаются в процессе промышленной эксплуатации ветропарка.

Description

Изобретение относится к технологиям активной защиты земной поверхности от стихийного разброса радиоактивных и химических токсикантов, поступающих в планетарную атмосферу с потоками аварийных газоаэрозольных выбросов мощных индустриальных объектов.

Способ предназначен для использования на АЭС и других предприятиях ядерного топливного цикла, где полностью не исключена вероятность запроектных аварий, осложнённых неуправляемым выходом в свободную атмосферу потоков радиоактивных газоаэрозольных выбросов. Тепловые электростанции, работающие на низкосортном угольном топливе, предприятия нефтехимической, металлургической и строительной индустрии, поставляющие в атмосферу тысячи тонн абиогенных веществ (в том числе ионизирующих), используя предложенный способ, смогут предотвращать трансграничный перенос и рассеивание токсикантов по земной поверхности.

Уникальность и совершенство ядерных энергетических установок создают предпосылки для теоретического обоснования бесконечно малой вероятности возникновения тяжёлых аварий в ходе процессов нормальной эксплуатации. На практике, под защитными оболочками энергоблоков АЭС сосредоточены: гигантская потенциальная энергия теплосодержания, энергия компрессии теплоносителя, потенциальная химическая энергия реагентов, десятки тонн ядерных материалов, включающих сотни различных изотопов с накапливаемой радиоактивностью, измеряемой сотнями миллионов кюри. При некотором совпадении неблагоприятных исходных событий, высвобождение этой энергии может приводить к различным последствиям, опасность которых для персонала, населения и среды обитания разделена специальной Международной шкалой ядерных событий (1ИЕ§-1и1егпаРоиа1 Иис1еаг ЕусШ §са1е) на семь уровней предельных состояний. Разрушение корпуса реактора, расплавление активной зоны и выход радиоактивности за последний барьер реакторной защиты соответствуют наиболее опасному - седьмому уровню. Аварии на Чернобыльской станции и на АЭС Фукусима-Дайичи отнесены к седьмому - высшему уровню опасности. Результаты исследований в сфере надёжности ядерных технологий и методы из смежных областей техники [1] не позволяют предопределить, когда и на какой из множества действующих во всём мире ядерных энергетических установок возникнет незначительный инцидент или произойдёт катастрофическая авария. Наряду с напряжёнными технологическими режимами, дополнительные проблемы в сфере ядерной безопасности и радиационной защиты вызывают угрозы опасных природных явлений, ядерного терроризма, социальных и военных конфликтов, а также неопределённость относительно факторов и событий, которые могут возникнуть в будущем.

Правила промышленной эксплуатации АЭС требуют, чтобы все виды выбросов с повышенной против установленных норм активностью не выносились ветрами в сторону ближайших городов и населённых пунктов. Условия для соблюдения этого правила начинают создавать на этапе предпроектных изысканий с поиска необходимых для размещения АЭС территорий. Одно из важнейших направлений этого поиска - углублённое метеорологическое исследование аэрологических характеристик искомых территорий и особенностей многолетней атмосферной циркуляции над ними [2]. Данные о высотном распределении скорости ветров и особенностях хода ветровых потоков, за длительные периоды наблюдений, существенно влияют на окончательное решение о пригодности территорий к размещению АЭС. В результате геофизических и метеорологических изысканий, выбор останавливают чаще всего на побережьях, возвышенностях или протяжённых открытых пространствах. Природные ветры над такими территориями не встречают препятствий. На высотах от 100 м влияние силы трения воздушных масс о подстилающую поверхность незначительно, и природные атмосферные потоки подвижны максимальное число дней и часов в году. В режимах нормальной эксплуатации АЭС энергия ветров работает на достижение радиационной безопасности персонала станции дважды. Изначально, постоянный приток свежих воздушных масс к вентиляционному центру обеспечивает многократное обновление воздуха во всех помещениях энергоблока, что жизненно важно для оперативного удаления из помещений даже самых незначительных объёмов активных газов, которые образуются в результате различных протечек, сдувок с поверхностей оборудования и ремонтных работ. Вентиляционный центр энергоблока обрабатывает и прокачивает через вентиляционные трубы использованный воздух, чистота которого может ситуационно изменяться. Вентиляционные трубы АЭС выводят более 100000 м³/ч отработавшего воздуха на высоту 100-130 м в атмосферные ветровые потоки. Ветры открытой атмосферы произвольно относят вентиляционный воздух с остаточными токсикантами на неконтролируемые расстояния от устья труб, вторично обеспечивая радиационную защиту промплощадки и персонала. Этот способ обращения с опасными газоаэрозольными потоками монотонно превращает свободную атмосферу - и всю среду обитания - в бесконечный резервуар техногенных токсичных отходов, но остаётся основным способом радиационной защиты большинства опасных предприятий. Наблюдаемые последствия использования способа характеризует известный вывод: Суммарная величина только лицензионных (разрешённых и запланированных) выбросов от всех существующих в мире АЭС, на протяжении всего срока их эксплуатации, превышает общую величину выбросов от аварии на ЧАЭС [3]. Плановые выбросы многочисленных предприятий других отраслей индустрии, например, тепловых электростанций средней мощности, наносят биосфере существенно больший ущерб, чем плановые выбросы мощных АЭС [4]. Последствия исключительно редких аварийных выбросов мощных ядерных объектов представляют наивысшую из индустриальных опасностей. Среда обитания - и биосфера в целом - беззащитны перед одномоментным выбросом в атмо- 1 025904 сферу радиоактивных продуктов в промышленных объёмах и с активностью составляющей миллионы кюри. Действенный способ для автоматического удержания потоков аварийных выбросов в пределах территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) опасного предприятия неизвестен.

При возникновении запроектных состояний, аварийные газоаэрозольные факелы прорываются сквозь трещины в агрегатах и разломы в строительных конструкциях, минуя все системы фильтров и газгольдеры выдержки, и выходят непосредственно в открытую атмосферу. Неуправляемые атмосферные течения захватывают факелы аварийных газоаэрозольных выбросов, несущих смеси облучённых материалов и многочисленных радионуклинов. Чрезвычайно высокая радиоактивность стихийно рассеивается ветром над земной поверхностью. Ветры, над тщательно выбранными для АЭС территориями, при нормальном режиме эксплуатации станции работавшие на радиационную защиту, в процессе аварии хаотически разбрасывают ионизирующие вещества по планете, работают на умножение катастрофических масштабов ущерба. Эффективные при нормальной работе вентиляционные центры в запроектной ситуации бесполезны. Электроприводы оборудования вентиляционных центров, как показала практика, могут быть обесточены наряду с другими потребителями из-за потери источников собственного и аварийного энергообеспечения.

В процессе аварии на Чернобыльской АЭС угол ветровых перемещений над промплощадкой за десять суток составил более 270°, а шлейф ионизирующих материалов был вынесен ветровыми потоками далеко за границы континента. При стоимости разрушенного энергоблока около $1 млрд, внешний ущерб от аварии по данным МАГАТЭ [5] превысил $300 млрд, но окончательная ликвидация последствий аварии всё ещё требует значительных усилий, средств и времени. В процессе аварии на АЭС Фукусима-Дайичи, ветровые перемещения, наряду с инициирующими тектоническими и гидравлическими воздействиями, привели к рассеиванию нуклидов на трансграничных пространствах. Ущерб, масштабы которого предстоит изучать, по предварительным оценкам совпадает по порядку величин с потерями от аварии на Чернобыльской станции [6].

Практическая необходимость обоснования размеров капитальных вложений в разработку и реальное разрешение проблем радиационной и ядерной безопасности привела к возникновению различных концепций и системных подходов при оценке соотношений радиационных рисков, ущербов, угроз и уместных затрат. Согласно одному из них, известному как принцип ЛЬЛРА - ак 1о\у ак ргасбсаЫс асЫеуаЫе, любые затраты допустимы, если за ними стоит здоровье человека, т.к. оно бесценно. Другой принцип: ак Ιον ак геакопаЫу асЫеуаЫе - ЛЬЛКА, состоит в стремлении к обеспечению разумно достижимых наиболее низких уровней опасности. Еще один подход, известный как концепция беспороговой дозы (ип (НгеЧюИ боке сопсерйоп), утверждает наличие линейной зависимости между величиной дозы облучения и биологическим эффектом. Адепты этого подхода утверждают, что не существует таких доз облучения, к воздействию которых человеческий организм безразличен [7], и далее, без учёта реальных обстоятельств, делают вывод о необходимости немедленного закрытия всех объектов ядерной энергетики. Практическое осуществление такого подхода могло бы потребовать остановки всех существующих реакторов, выгрузки топливных сборок, демонтажа, разборки, разделки крупных агрегатов и деталей, их последующей дезактивации и уничтожения. Такие процессы сопряжёны с высокими уровнями радиационных рисков и требуют огромных материальных затрат, но подлежат последовательному осуществлению в предстоящие периоды. Реальность такова, что, после истечения плановых или продленных сроков, через процессы вывода из эксплуатации уже в этом веке должны пройти сотни энергетических установок. Это обстоятельство многократно повышает насущную потребность в гарантированной защите биосферы от притока ионизирующих и химических токсикантов, от их выхода за пределы санитарно-защитных зон опасных объектов, проходящих через многосложные и опасные процессы вывода из эксплуатации. В ряду подходов, ориентированных на рациональное сочетание экономических методов и конструктивных решений, нет данных о таком способе радиационной защиты биосферы, посредством которого достижение необходимого уровня защиты дополнялось бы экономической рентабельностью на уровне самоокупаемости. В настоящее время затраты на создание систем ядерной и радиационной безопасности составляют более половины всех затрат на создание энергоблока. Среди известных из информационных источников и практики способов, направленных на радиационную защиту биосферы, например, [8, 9, 10], не представилось возможности выявить способ, который, выполняя целевую функцию, был бы экономически рентабельным и создавал резервный источник энергоснабжения собственных нужд. Ещё одним недостатком известных способов осаждения, локализации, блокирования, удаления газоаэрозольных токсикантов можно считать отсутствие в арсенале их возможностей такой важной функции, как автоматическое реагирование на выход в воздушный бассейн объекта радионуклидов в результате незначительных инцидентов или предельных состояний третьего-пятого уровней. Наиболее близким по направленности можно принять патент ΙΤΤ020110763 (А 1) - 2013-02-12 ЗуЧет Юг аЫаЮтеШ οί похюик ет188ЮП8 ίη (Не а1то8рНеге &от шби51па1 ог пис1еаг ро\\ег р1ап(. Опубликован как ^02013021308 и Τ\ν201308351. Основной недостаток этой дорогостоящей системы - в её зависимости от температуры воздуха. Другая сложность в применении системы состоит в её зависимости от внешнего энергоснабжения, потери которого свойственны большинству аварийных ситуаций.

Задача предложенного изобретения состоит в создании способа радиационной защиты биосферы от

- 2 025904 притока промышленных масс ионизирующих и химических токсикантов. Технология способа, согласно предмету изобретения, должна автоматически блокировать газоаэрозольные выбросы в воздушном бассейне над санитарно-защитной зоной особо опасного объекта, сохранять эту функцию на всех этапах жизненного цикла объекта, служить источником коммерческого электроснабжения, обеспечивая рентабельность и самоокупаемость в процессе эксплуатации, ситуационно обеспечивать резервное или аварийное электроснабжение собственных нужд объекта.

Технический результат изобретения направлен на удержание и обезвреживание максимального объёма активных газов и массы летучих ионизирующих токсикантов, поступающих в воздушный бассейн над особо опасным объектом с газоаэрозольными выбросами, предотвращение возможного возникновения и развития ядерных аварий, инициированных полным или частичным обесточиванием энергоблока. Ещё одна часть технического результата состоит в возможности использования основного оборудования, реализующего технологию способа, для коммерческой генерации электроэнергии и получении прибыли, компенсирующей капитальные затраты.

Практическая осуществимость предложенного способа базируется на правилах планирования территорий особо опасных объектов, располагающих санитарно-защитными зонами, площади которых позволяют (в большинстве применений) рационально разместить и эффективно применять технологическое оборудование, необходимое для радиационной защиты всей остальной Земли. Кинетическая энергия ветров, питаемая силами атмосферной циркуляции, в предложенном способе парадоксальным образом не рассеивает токсиканты по земной поверхности, а ограничивает их разброс и блокирует на ограниченной территории, предназначенной и приспособленной для обращения с опасными веществами. В осуществлении способа используют также особенности сжатия и турбулентности воздушной среды при обтекании препятствий, стимулируют коагуляцию и седиментацию частиц наиболее летучих форм и, следовательно, наиболее опасных для среды обитания. Фундаментальное свойство обратимости электрических машин (ЭМ), применённых в составе ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) мегаваттного класса, используют для ситуационного переключения ЭМ из генераторного режима в двигательный. Переводят необходимое в каждый момент времени число ВЭА из флюгерного в вентиляторный режим. Управляя исходящими от вентиляторов воздушными потоками, контролируют все перемещения газо-аэрозольных выбросов в воздушном бассейне над станцией. Универсальность предложенного способа приводит к необходимости привязки по месту с полным учётом уникальности каждого объекта. Дальнейшее описание предложенного способа дано применительно к условной АЭС.

В описании использованы иллюстрации - фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3. Способ радиационной защиты биосферы включает, как это показано на фиг. 1, промплощадку АЭС, ограниченную контуром 6, с расположенными в пределах промплощадки корпусами энергоблоков 2, вентиляционными трубами 5. Контурной линией 1 обозначена вычисляемая линия, вдоль которой размещают ВЭА 4. По территории санитарнозащитной зоны станции проложена специально или используется существующая окружная железная дорога 7, для применения мобильных платформ 9, несущих вспомогательное оборудование высотных привязных ВЭА 8. ВЭА воздушного размещения связаны с платформами удерживающими тросами с токоведущими кабелями 10. На мобильных платформах установлены блоки управления приводами движения 11, блоки управления ВЭА воздушного размещения 12, перезаряжаемый источник энергообеспечения мобильности 13. На фигуре 2, пунктирные линии 19, 20 обозначают потоки входящей атмосферной циркуляции, лини 22 обозначают ветровые потоки, обтекающие промплощадку после потери мощности потоком на лопастях ВЭА 4. Линии 21 обозначают поток, потерявший мощность после привода ВЭА. Линии 15 обозначают потоки вентиляционных газо-аэрозольных смесей АЭС, линии 16 - смесь вентиляционных потоков с потоком 21, линии 18 - поток от ВЭА воздушного размещения, линии 14 - поток от ВЭА, расположенного с подветренной стороны, при его работе в двигательно-вентиляторном режиме. На фигуре 3 показан пневмоаккумулирующий узел, связанный с приемным окном 3 через привод 22 и нагнетатель 23, загружающий газгольдеры 24 с управляющими клапанами 25, 27 и линией связи 26, с турбиной 28, генератором 29 и автономным блоком управлении 30. Так же на фигуре 3 представлена метеостанция 31, датчики ионизирующего излучения 32, размещение которых должно специально согласовываться, т.к. они не входят в состав какого-либо оборудования, относящегося к собственно системам АЭС. Для осуществления способа, на территории санитарно-защитной зоны АЭС выделяют замкнутую окружную полосу шириной от 200 метров. Окружную полосу делят на 16 метеорологических румбов. Под установку ВЭА за пределами промышленной площадки опасного объекта, например, АЭС, на территории санитарно-защитной зоны выделяют замкнутую окружную полосу шириной от 200 метров. Окружную полосу под установку ВЭА размечают, например, на 16 метеорологических румбов, в полученных кольцевых секторах устанавливают ВЭА и размещают дополнительное оборудование для сбора и удаления токсикантов. Гондолы ВЭА монтируют на несущих башнях, устанавливая центры вращения лопастей выше верхней отметки устья вентиляционных труб. Окружной ветропарк сформированный из, по меньшей мере, одного пояса ВЭА наземного и/или воздушного размещения, при нормальной работе АЭС используется штатно - для генерации и выдачи электрической мощности на плановые нагрузки. Любые нарушения в нормальной работе АЭС, осложнённые выбросами газовых потоков с повышенной радиоактивностью, автоматически переводят ветропарк в режим последнего барьера радиационной защиты

- 3 025904 (БРЗ). В этом режиме перед потоками атмосферных ветров, которые, перемещаясь над промплощадкой АЭС, смешались с потоками газоаэрозольных выбросов и выносят их в свободную атмосферу, в воздушном бассейне над окружной полосой создают вибрирующую аэродинамическую преграду, как это показано на фиг. 2. При столкновении потоков 16 и 14 возникают нормальные смещения, обтекания и торможения встречных потоков. Для исключения выхода потока 16, с наибольшей концентрацией токсикантов, выше верхней кромки потока 14, включают мобильный привязной ветроагрегат высотного размещения 17, известный как вентилятор Дайсона. Падающий напорный поток 18 прижимает поток 33 с высокой концентрацией токсикантов к приёмному окну пневмоаккумулирующего узла. В рассмотренном примере согласно возможностям способа удаляют токсиканты, поступающие через вентиляционную трубу, что относится к наиболее распространённым состояниям. Однако при неожиданном и крайне редком состоянии, связанном с выходом активности не в таком фиксированном месте как вентиляционная труба, автоматический алгоритм удаления токсикантов и всего потока газовых аэрозолей сохранится. В ситуациях, не требующих мгновенной реактивности, управление процессами ликвидации выбросов допустимо в автоматизированном операторном режиме. В сложных метеорологических условиях при необходимости учёта изменений направления ветра над промплощадкой, где газоаэрозольные выбросы диффундируют в воздушные потоки, вводят дополнительное управление углами атаки и частотой вращения лопастей ВЭА, работающих в режиме вентиляторов, создают воздушный поток, напор которого преграждает выход потокам аварийных газоаэрозольных выбросов за пределы приёмных окон, стимулирует коагуляцию опасных аэрозолей и их осаждение. В широком диапазоне производственных ситуаций, от незначительных инцидентов до предельных состояний высокого уровня, технология способа автоматически блокирует потоки газоаэрозольных выбросов, ограничивает их рассеивание пределами узкой полосы внутри санитарно-защитной зоны предприятия, предотвращая хаотический разброс ионизирующих, радиомиметических и других токсичных материалов по поверхности Земли. Ещё одна возможность, которую не сложно осуществить в составе предложенного способа, связана с загрузкой газгольдеров 24 потоками вентиляционных газов под высоким давлением. При неблагоприятных ситуациях, вызванных потерей электроснабжения собственных нужд, по цепочке: газгольдер 24 - клапаны 27 - турбина 28, направляют газы в атмосферу через вент. трубу, а электроэнергию от генератора 29 на схемы аварийного питания. При этом по мере разгрузки газгольдеров их заполняют ситуационно наиболее токсичными газами для выдержки и ликвидации.

Список использованной литературы:

[1] Под ред. ч-кор. РАН Н.А. Махутова. Анализ риска и повышение безопасности водо-водяных энергетических реакторов// Москва, Наука, 2009.

[2] Ό.Ι. Эегеп/о. νίηά ро\\ег гесеи! беуе1ортеи18// N.1., и.З.А., 1979.

[3] И.Н. Бекман. Ядерная индустрия. Курс лекций, ууу.рго1Ьесктаи.иагоб.ги/№Т17.

[4] Под ред. проф. В.В. Бушева. Мировая энергетика состояние проблемы перспективы// Москва,

2007.

[5] Под ред. академика В.Е. Форитова. Энергетика России: проблемы и перспективы// Труды научной сессии РАН, Москва, 2006.

[6] Последствия Фукусимы будут гораздо серьезнее Чернобыля, ууу.бу.бе/эксперт.

[7] А.В. Яблоков. Миф о безопасности малых доз радиации// Москва, 2002.

[8] Способ локализации газоаэрозольного выброса, КИ 2081466.

[9] Способ осаждения вредных аэрозолей, КИ 2082234.

[10] Ме1йоб о! йеа! 1теа1шд а табюасйуе кшТасе, ИЗ 5425072.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ радиационной защиты биосферы, заключающийся в том, что наиболее токсичные летучие формы частиц и аэрозолей из состава аварийных выбросов особо опасного предприятия блокируют в пределах его воздушного бассейна посредством стимуляции процессов коагуляции и седиментации частиц и аэрозолей в потоках воздушных масс, которые нагнетают навстречу фронту факела аварийных выбросов посредством ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) мегаваттного класса, которые размещают вокруг промышленной площадки особо опасного объекта на высотных башнях и устанавливают оси вращения лопастей выше уровня устья дымовых и вентиляционных труб, расстояния между смежными ВЭА определяют из расчета взаимного перекрытия фланговых полей воздушных потоков, нагнетаемых смежными ВЭА в вентилятором режиме, чем исключают фронтальный прорыв потоков аварийного факела, а обтекание факелом встречного потока сверху блокируют нагнетанием нисходящих воздушных потоков от работающих в вентилятором режиме привязных ВЭА высотного размещения, блокированный с трех сторон газоаэрозольный поток факела аварийных выбросов всасывают в приемные окна пневмоаккумулирующего узла, закачивают в газгольдеры выдержки, предварительно сбрасывают из газгольдеров на турбину находящиеся в них газоаэрозольные вентиляционные смеси, при этом турбина вращает генератор, который служит дополнительным источником электроэнергии, необходимым в аварийной ситуации.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме нормальной эксплуатации особо опасного объ- 4 025904 екта ВЭА, расположенные вокруг объекта, используются в генераторном режиме регулярного ветропарка, выдающего мощность на коммерческие нагрузки.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ВЭА, работающие в режиме генерации, при потере особо опасным объектом электроснабжения собственных нужд используют мощности ВЭА, не расположенных по фронту аварийных выбросов, как источник аварийного электроснабжения, чем снижают риск возникновения и возможного развития ядерной аварии.