10.2. Техногенные чрезвычайные ситуации

Источник техногенной чрезвычайной ситуации   аварийный взрыв в промышленной зоне

Вопрос Что следует понимать под аварийным взрывом?

Ответ Аварийный взрыв, происходящий в воздушной среде, есть практически мгновенное преобразование энергии, связанное с изменением физико-химического состояния веществ, сопровождающееся образованием воздушной ударной волны с избыточным давлением на фронте волны, выше порогового значения. При давлениях, ниже порогового значения, воздушные волны не являются взрывными, а относятся к звуковым.

Все аварийные взрывы по характеру изменения состояния вещества можно разделить на взрывы физические и химические. Физический взрыв вызывается изменением физического состояния вещества, характеризующегося высокими, относительно окружающей среды, значениями температуры или давления. Химические взрывы связаны с химическими превращениями веществ.

К физическим взрывам относятся взрывы сосудов под давлением и паровые взрывы. Взрыв сосуда под давлением происходит вследствие снижения прочности стенок ёмкости; заполнения ёмкости веществом сверх установленного предела, приводящего к возникновению внутреннего давления, которое превышает предельно допустимые значения; нагрева герметизируемого в сосуде вещества до температур, превышающих предельно допустимые значения; химических превращений веществ, находящихся в ёмкости, которые приводят к росту внутреннего давления до значений, превышающих предельно допустимые.

Паровой взрыв возникает при смешении двух жидких веществ с разными температурами при условии, что температура одного из них значительно превышает температуру кипения другого.

Химические взрывы вызываются быстрыми химическими превращениями веществ. Химические превращения происходят в результате реакций взрывчатого разложения вещества; окислительных реакций; реакций полимеризации, изомеризации и конденсации сложных химических соединений; реакций в сложных смесях.

По характеру развития взрывного процесса в пространстве все химические взрывы подразделяются на сосредоточенные (точечные) или объёмные. Сосредоточенный взрыв есть взрыв твёрдого или жидкого вещества, занимающего малый, относительно зоны воздействия, объём. Объёмный взрыв есть дефлаграционный или детонационный взрыв газовоздушного, паровоздушного или пылевоздушного облака, занимающего значительный, относительно зоны воздействия, объём. Под облаком понимают рассеяние в атмосфере какого-либо вещества в твёрдом жидком или газообразном состоянии.

Химические взрывы классифицируют также по плотности взрывчатого вещества. Различают взрывы конденсированного и неконденсированного вещества. Взрывы конденсированных веществ вызываются твёрдыми и жидкими веществами, такими как тринитротолуол C₆H₂CH₃(NO₂)₃ и нитроглицерин C₃H₅ (ОNO₃)₃. Взрывы неконденсированных веществ наблюдаются в смесях воздуха с горючими газами, парами или пылью.

Вопрос Какие поражающие факторы могут возникнуть в результате аварийных взрывов и каково их поражающее воздействие?

Ответ В процессе аварийного взрыва энергия взрывной системы переходит в энергию взрывного процесса, а именно в энергию ударной волны; энергию разлетающихся осколков, образующихся при разрушении оболочки, которая ограничивает взрывающееся вещество; энергию переносимых предметов и тел, вовлечённых во взрывной процесс динамическим напором воздушного потока; энергию теплового излучения раскаленных продуктов взрыва; остаточную энергию взрывной системы.

В зависимости от того, как распределится энергия во взрывном процессе, поражающими факторами взрыва могут стать параметры: воздушной ударной волны; движущихся осколков, обломков, предметов и тел; раскалённых продуктов взрыва и теплового излучения центральной зоны взрыва.

Действие взрыва на людей можно подразделить на прямое и побочное. Прямое действие связано с существенным увеличением давления воздуха окружающей среды в результате прихода фронта ударной волны. Человек как приёмник этой волны наиболее восприимчив к скорости повышения давления, к величине избыточного давления на фронте волны и к длительности воздействия. Части организма, отличающиеся существенной разницей в плотностях соседних тканей, наиболее поражаемы.

Лёгкие человека содержат множество альвеол, поэтому обладают меньшей плотностью, чем окружающие ткани, и, следовательно, очень чувствительны к действию взрывной волны. Повреждения лёгких являются прямой или косвенной причиной многих патофизиологических эффектов, среди которых лёгочные кровотечения и отёк, разрыв лёгких, закупорка кровеносных сосудов воздухом, потеря дыхательного запаса, образование мелких рубцов на лёгких.

Слуховой анализатор человека также проявляет очень высокую чувствительность к изменению давления. Ухо может откликаться на очень низкие величины потока акустической энергии, которые вызывают отклонение барабанной перепонки на расстояние, меньшее диаметра молекулы водорода. Однако ухо не способно верно реагировать на импульсы, период которых меньше 0,3 мс. При большой величине потока акустической энергии такие импульсы вызывают отклонение барабанной перепонки большой амплитуды. Именно такая реакция может стать причиной разрыва барабанной перепонки, повреждений среднего уха и т.п. Границей временной потери слуха [10.1] при нормально падающей волне для импульса фазы сжатия i_S > 4 Па с является уровень звукового давления в 160 дБ, 50 %-я вероятность разрыва барабанной перепонки наблюдается для i_S > 80 Па с при 195 дБ. К другим последствиям прямого действия взрыва относятся повреждения гортани, трахеи, брюшной полости, нервных окончаний спинного мозга и т.д.

Побочное действие взрыва связано с образованием осколков и обломков, переносом предметов и тел, с нагревом продуктов взрыва и тепловым излучением. Осколки образуются при разрыве твёрдой оболочки взрывной системы. Их характеристиками, определяющими степень поражения, являются: масса, форма, плотность, площадь миделева сечения, скорость и угол падения при ударе. К патофизиологическим последствиям действия осколков относятся рваные раны кожи, проникающие ранения внутренних органов, грубые травмы, переломы черепа и проломы костей.

К побочным эффектам взрыва относится перенос тела и последующий тормозящий удар. В этом случае под действием давления фронта волны и динамического напора воздушного потока, создаваемого этой волной, тело может быть оторвано от твердой опоры и перенесено на некоторое расстояние. Повреждения могут возникнуть либо на стадии ускорения, либо во время тормозящего удара о твёрдую преграду. При подобных ударах наиболее уязвимой оказывается голова человека, кроме того, возможны травмы жизненно важных органов и переломы костей. К побочному действию взрывной волны относятся также поражения горячими продуктами взрыва и тепловым излучением. При взрывах пыли, паров или газов это может стать основной причиной гибели людей.

Вопрос Какими параметрами характеризуется воздушная ударная волна?

Ответ После инициирования взрыва расширяющиеся продукты взрывной системы образуют зону сжатого воздуха, которая в виде ударной волны перемещается в атмосфере. Ударная волна представляет собой область сжатия – разрежения воздуха со скачкообразным изменением давления на фронте волны. К параметрам, описывающим её характеристики, относятся: избыточное давление на фронте ударной волны; максимальное давление разрежения; продолжительность фазы сжатия; продолжительность фазы разрежения. Интегральная характеристика ударной волны, объединяющая в себе изменяющееся во времени давление и продолжительность фазы сжатия, называется импульсом фазы сжатия. Перемещающаяся зона сжатия ударной волны вовлекает в движение частицы воздуха. Они движутся с определённой скоростью и создают динамическое давление на любую преграду.

Давление на фронте волны по мере удаления от центра взрывной системы снижается. Фронт волны последовательно проходит центральную зону, т.е. зону разлёта продуктов взрыва; ближнюю зону взрыва; дальнюю зону взрыва; зону вырождения ударной волны в звуковую.

Основными параметрами, характеризующими поражающую способность воздушной ударной волны, являются избыточное давление на фронте ударной волны и импульс фазы сжатия.

Взрыв резервуара высокого давления с химически инертным газом

При взрыве резервуаров высокого давления с химически инертными газами могут образовываться ударные волны, способные привести к серьёзным разрушениям и травмам. Энергию взрыва сосуда под давлением можно оценить по величине работы адиабатического расширения сжатого газа:

где Р₁ – абсолютное давление газа в резервуаре до взрыва, Па; Р₀ – атмосферное давление, Па; k_r – показатель адиабаты газа, находящегося в резервуаре; V_r – объём резервуара, м³.

Предполагаем, что математическое описание газодинамики взрывного процесса исходит из теории точечного взрыва [10.4]. Математическая модель ударной волны будет основываться на приближенных аналитических выражениях с использованием безразмерных величин. Безразмерное расстояние от центра взрыва до фронта ударной волны можно получить из выражения:

динамический параметр

где R_пр – расстояние от центра взрыва до приёмника ударной волны, м; k_у.в. – коэффициент перехода энергии взрывного процесса в энергию ударной волны (в первом приближении k_у.в. = 0,5).

Давление на фронте ударной волны можно определить по следующим уравнениям

где k – показатель адиабаты для газообразной среды, в которой образуется ударная волна;  – энергетический параметр.

Для вычисления энергетического параметра взрыва можно использовать формулы вида

Значения коэффициентов а₁, а₂, а₃ приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Коэффициенты для вычисления энергетического параметра

№ п/п	Параметр симметрии, 	Показатель адиабаты, k	а1	а2	а3
1	1	1,1-3	0,36011	-1,2700	-0,17912
2	1	1,2-2	0,36594	-1,2537	-0,18471
3	2	1,1-3	0,34649	-1,19796	-0,14134
4	2	1,2-2	0,35246	-1,1768	-0,13945
5	3	1,1-3	0,30774	-1,1598	0,11917
6	3	1,2-2	0,31246	-1,1409	-0,11735

Скорость частиц газа за фронтом ударной волны вычисляется по формулам:

Скорость звука при атмосферном давлении

Скорость движения фронта ударной волны

Плотность воздуха при давлении сжатия

Значение импульса фазы сжатия ударной волны определяется из приближенного выражения:

,

Динамическое давление воздушного потока, следующего за фронтом ударной волны, составляет

Уровень звукового давления, соответствующего давлению на фронте ударной волны

Для сферической симметрии ( =3) и воздушной среды (k=1,4):

энергетический параметр

давление на фронте при 0 < R_S < 2

давление на фронте при R_S  2

скорость воздушного потока при 0 < R_S < 2

скорость воздушного потока при R_S  2

импульс фазы сжатия

Задача В сферическом резервуаре радиусом 1 м давление азота в момент взрыва составило 3,2 МПа. Определить минимальное расстояние, начиная с которого не происходит временной потери слуха.

Решение Объём сосуда с азотом составляет:

Энергия взрыва

Динамический параметр

Задаёмся значением расстояния от центра взрыва до приёмника ударной волны R_пр = 40 м. Безразмерное расстояние от центра взрыва до фронта ударной волны

Скорость звука при атмосферном давлении

Импульс фазы сжатия

Границей временной потери слуха для i_S > 4 Па с является уровень звукового давления L = 160 дБ. Из соотношения

получаем p_S = 2000 Па.

При R_пр = 40 м, когда R_S  2

Полученное значение p_S меньше 2000 Па, потому задаёмся новым значением R_пр и повторяем расчёт. В итоге получим R_пр=37,1 м.

Источник техногенной чрезвычайной ситуации  пожар в промышленной зоне

Вопрос Какие поражающие факторы могут образоваться при пожарном горении?

Ответ В Федеральном законе "О пожарной безопасности" [10.8] даётся следующее определение понятию пожар: "Пожар есть неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства". Подобное определение позволяет считать пожар опасным происшествием, которое может стать источником чрезвычайной ситуации, сопровождающейся возникновением и реализацией поражающих факторов воздействия на человека, объекты народного хозяйства и окружающую природную среду. Горением называется физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества с окислителем, приводящий к высвобождению энергии и образованию продуктов горения.

К поражающим факторам пожара, способным воздействовать на человека, относятся: концентрация токсичных веществ в продуктах сгорания; оптические свойства дыма, проявляющиеся в повышенном светопоглощении; недостаточное количество кислорода во вдыхаемом воздухе, разбавленном продуктами горения; высокая температура и интенсивный лучистый тепловой поток зоны горения; параметры ударной волны при горении, протекающем по взрывному механизму.

Вопрос Какое поражающее воздействие оказывают поражающие факторы пожара на человека?

Ответ В соответствии со статистическими данными 60-70 % смертей при пожарах происходит в результате отравления и удушья. К токсичным веществам, образующимся при пожарном горении относятся: угарный газ (СО), цианиды (HCN), хлорсодержащие вещества (СОСl₂), альдегиды (С₃Н₆О) и другие продукты неполного горения и пиролиза.

Микрочастицы сажи, золы, капельки смол и кислот, входящие в состав дыма, рассеивают и поглощают свет. При концентрации дисперсной фазы дыма более 0,1 г/м³ видимость в задымлённой среде составляет менее 10 метров. Ограничение видимости способно привести человека в паническое состояние, при котором вероятны действия, неадекватные складывающейся обстановке.

В помещениях при пожаре могут образовываться зоны, в которых концентрация токсичных веществ незначительна, в то же время концентрация кислорода существенно понижена. Известно, что содержание кислорода во вдыхаемом воздухе менее 15 % вызывает асфиксию и может привести человека к гибели.

Непосредственное воздействие пламени на человека способно привести к его быстрой гибели в результате болевого шока, т.е. вследствие нарушений функционирования жизненно важных органов.

Высокая температура зоны горения приводит к генерации интенсивного теплового излучения. Поражающее действие теплового излучения на человека приводит к ожогу открытых участков кожи и сетчатки глаза. Ожоги кожных покровов по тяжести разделяют на 4 степени (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Степени тяжести ожогов кожных покровов

Степень ожога	Результат воздействия теплового излучения на кожный покров
I	Покраснение и отёк кожи
II	Образование пузырей, наполненных плазмой крови
IIIA	Неполное омертвение (некроз) кожного покрова
IIIБ	Полный некроз, поражение всех слоёв кожи
IV	Обугливание кожного покрова и некроз подлежащих тканей

Ожоги I, II, IIIA степени являются поверхностными, заживление которых может происходить без хирургического вмешательства. Ожоги IIIБ и IV степени являются глубокими, они требуют для заживления пересадок кожи, взятой с других участков тела. Ожоги до 15 % от всей поверхности тела называют ограниченными. Если обожжено более 15 % поверхности тела, то изменения, возникающие при этом в организме, называют ожоговой болезнью.

При ожогах II степени, охвативших более половины поверхности тела человека, вероятность летального исхода превышает 50 %. Количественным критерием ожога II степени может служить повышение температуры тела на глубине 0,1 мм от поверхности кожи до значения, равного 44,8  С [10.1].

Ожог сетчатки глаза происходит при изображении на ней высокотемпературной зоны горения. Параметрами, определяющими степень воздействия теплового излучения на сетчатку, являются энергия падающего потока (тепловой импульс), время облучения сетчатки и размер изображения зоны горения на сетчатке. Количественная взаимосвязь указанных параметров установлена экспериментально [10.1].

Аварийное горение углеводородного газа с образованием огневого шара

При разрушении резервуара с углеводородными газами С_mH_n выброс горючего вещества в атмосферу приводит к образованию облака. Облако смеси газов с воздухом, переобогащённой горючими веществами, неспособно гореть в детонационном режиме. Оно начинает гореть с внешней оболочки, горит по дефлаграционному механизму и образует огневой шар. Высокотемпературные продукты горения светятся и излучают тепловую энергию, что может стать причиной ожогов кожных покровов людей, находящихся на опасных расстояниях. Огневой шар зарождается в момент контакта облака с источником зажигания. Поднимаясь, шар, образует грибовидное облако, ножка которого – восходящие конвективные потоки воздуха. Вовлекаемый воздух разбавляет и охлаждает газы, радиационные потери также вносят свой вклад в процесс быстрого охлаждения. Горение газов и вовлечённого воздуха продолжается до тех пор, пока температура горения не становится меньше температуры воспламенения.

Стехиометрическое уравнение горения углеводородов имеет вид:

где m – количество атомов углерода, n – количество атомов водорода.

Диаметр огневого шара можно определить по следующей формуле [10.6]:

где М – масса углеводородов, образовавших облако, т.

Время существования огневого шара

Верхний концентрационный предел распространения пламени

Коэффициент расхода окислителя для огневого шара, при котором происходит дефлаграционное горение, определяется значением верхнего концентрационного предела:

.

Состав продуктов горения в огневом шаре определяется соотношением горючих веществ и окислителя, а также температурой горения. При расчёте состава продуктов горения ограничимся определением удельных количеств основных компонентов, содержание которых в продуктах сгорания превышает 0,1 %. При  < 1 к ним относятся СО₂, СО, Н₂О, Н₂, N₂. Предварительно составляется система уравнений, которая включает в себя:

1. уравнения материального баланса по углероду, водороду, кислороду, азоту;

2. уравнение константы равновесия реакции водяного газа

которое имеет вид

где t_Г – температура горения,  С.

Удельное количество углекислого газа определится из выражения

где  ₁,  ₂,  ₃ – вспомогательные величины.

Удельное количество окиси углерода определится из выражения

.

_____________________

* Здесь и далее м³ компонента горения отнесен к м³ углеводородного газа.

Удельное количество водяного пара определится из выражения

Удельное количество водорода определится из выражения

Удельное количество азота определится из выражения

Удельное количество продуктов горения определится из выражения

Процентный состав продуктов горения

При расчёте состава продуктов неполного горения необходимо знать температуру горения. Если исходить из того, что радиационные потери из зоны горения компенсируются теплотой вторичного горения, а зависимость теплоёмкости от температуры носит линейный характер, то выражение для температуры горения имеет вид

Теплота сгорания углеводородных газов может быть определена по следующему выражению

Энтальпия продуктов горения при 2200  С составит

Теплота химического недожога продуктов неполного горения определится из выражения

Расчёт горения носит итерационный характер, т.к. константа равновесия зависит от температуры горения.

Высокая температура зоны горения приводит к генерации интенсивного теплового излучения. Излучателями являются многоатомные газы. Интегральный поток собственного излучения зоны горения, образованной излучающими газами, определяется по следующей формуле

где  _о = 5,67 10^-8 Вт/(м^2 К⁴) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; t_г – средняя температура зоны горения,  С; F – площадь условной поверхности, ограничивающей зону горения, м²;  _г – степень черноты зоны горения.

Для огневого шара степень черноты

;

где k_г – коэффициент ослабления лучей, 1/м; S_эф – эффективная длина луча, м.

Значение коэффициента ослабления можно определить по следующей формуле

где "СО₂", "Н₂О" – процентное содержание углекислого газа и водяного пара в продуктах горения.

Эффективная длина луча для сферического объёма

где D – диаметр зоны горения, м.

Удельный тепловой поток, падающий на приёмника теплового излучения, определяется по формуле:

F_пр. – площадь поверхности условной сферы, образованной радиусом, равным расстоянию от центра зоны горения до приёмника теплового излучения, м².

Облучённость тепловой энергией огневого шара, находящегося у поверхности земли, выражается:

где R – радиус огневого шара, м; t_Г – средняя температура зоны горения, К; R_пр – расстояние от центра зоны горения до приёмника теплового излучения, м.

Поражающее действие теплового излучения на человека выражается в ожогах открытых участков кожи. Зависимость облучённости тепловой энергией от времени облучения при ожогах II степени приведена в табл. 10.3 [10.1].

Таблица 10.3

Облучённость тепловой энергией при ожогах II степени

Время облучения  , с	Облучённость q, Вт/м2	Время облучения  , с	Облучённость q, Вт/м2
2	18000	30	3000
3	14000	40	2500
4	10500	50	2000
6	8500	60	1850
10	6200	80	1600
20	3800	 100	1400

Задача При разрушении резервуара с углеводородами в атмосферу выброшено 18,25 т горючего вещества, горение которого привело к образованию огневого шара. Состав горючего вещества: 70 % пропана и 30 % бутана. Определить минимальное расстояние, начиная с которого не будет происходить ожогов II степени открытых участков кожи.

Решение Число атомов углерода в горючем веществе

.

Число атомов водорода в горючем веществе

.

Теплота сгорания углеводородных газов

кДж/м³

Диаметр огневого шара

Время существования огневого шара

Верхний концентрационный предел распространения пламени

Коэффициент расхода воздуха

Задаёмся температурой горения в первом приближении t_Г = 1250  С. Константа равновесия

.

Вспомогательные величины

Удельное количество углекислого газа

Удельное количество окиси углерода

Удельное количество водяного пара

Удельное количество водорода

Удельное количество азота

Удельное количество продуктов горения

Процентный состав продуктов горения

Энтальпия продуктов горения

Теплота химического недожога

Температура горения

Задавались значением t_Г =1250  С, расхождение с вновь полученным превышает 3 %, поэтому необходимо провести пересчёт. В итоге получаем t_Г=1100  С; "СО₂"=1,24 %; "Н₂О"=3,36 %.

Эффективная длина луча

Коэффициент ослабления

Степень черноты

Облучённость тепловой энергией огневого шара, находящегося у поверхности земли, при времени облучения  =10 с (табл. 10.3) составляет q = 6200 Вт/м². Минимальное расстояние, начиная с которого не происходит ожогов II степени, составит

Источник техногенной чрезвычайной ситуации – химическая авария в промышленной зоне

Вопрос Какие вещества относятся к числу аварийно химически опасных веществ?

Ответ В соответствии с стандартом [10.3] под химической аварией понимается авария на химически опасном объекте, сопровождающаяся утечкой, проливом или выбросом опасных химических веществ, способная привести к гибели людей или химическому заражению окружающей природной среды. Химически опасный объект есть объект, на котором обращаются опасные химические вещества, при аварии на котором может произойти гибель людей или химическое заражение окружающей природной среды. Химическое заражение представляет собой распространение опасных химических веществ в окружающей природной среде в концентрациях, создающих угрозу для людей в течение определённого времени.

Опасное химическое вещество есть техногенное химическое вещество, прямое или опосредованное воздействие которого на людей может вызвать острые или хронические заболевания, или гибель. Под техногенным химическим веществом понимают вещество, которое получается, используется, перерабатывается, образуется, хранится, транспортируется, уничтожается, т.е. обращается в техносфере.

Согласно перечню сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), утверждённому в 1988 году, к СДЯВ отнесены 34 опасных химических вещества, среди которых: аммиак, сероводород, синильная кислота, фосген, хлор и т.д. В руководстве по аварийно химически опасным веществам (АХОВ) к ранее названным добавлены ещё 17 опасных химических веществ, среди которых: все боевые отравляющие вещества, диоксин, метиловый спирт, фенол, бензол, ртуть и др. Критериями отнесения вещества в разряд аварийно химически опасных являются:

• принадлежность опасного химического вещества к 1-му и 2-му классам опасности по значению коэффициента возможности ингаляционного отравления (1-й класс: КВИО>300, 2-й класс: КВИО=30-300);

• наличие опасного химического вещества на объекте народного хозяйства в количестве, которое превышает пороговое значение, установленное нормативными документами (для аммиака пороговое значение 500 т, для хлора – 25 т).

Аварийно химически опасное вещество есть опасное химическое вещество, применяемое на химически опасном объекте в таком количестве, при котором вследствие химической аварии на этом объекте может произойти химическое заражение окружающей среды в поражающих живые организмы концентрациях.

Вопрос Какие поражающие факторы могут образоваться при химической аварии?

Ответ Факторами воздействия при химической аварии являются количество токсичного вещества, способное поступить из окружающей среды в организм, а также время действия этого вещества на человека. Поражающие факторы объединяются в одну величину, называемую токсической дозой.

Токсическая доза выражает собой количество опасного химического вещества, которое при попадании в организм человека вызывает определённый токсический эффект. В зависимости от эффекта различают смертельные, выводящие из строя и пороговые токсические дозы. Смертельная или летальная токсическая доза (LD) есть минимальное количество вещества, вызывающее при попадании в организм человека смертельный исход. Выводящая из строя токсическая доза (ID) – минимальное количество вещества, вызывающее при попадании в организм человека потерю дееспособного состояния. Пороговая токсическая доза (PD) – минимальное количество вещества, вызывающее при попадании в организм человека начальные симптомы поражения.

Опасные химические вещества попадают в организм человека через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, кожные покровы и слизистые оболочки. В зависимости от способа попадания аварийно химически опасные вещества подразделяют на вещества ингаляционного действия (АХОВ ИД), вещества перорального действия (АХОВ ПД) и вещества кожно-резорбтивного действия (АХОВ КРД).

Кожно-резорбтивная токсическая доза представляет собой массу жидкого или твёрдого вещества, воздействующего на человека через кожу, слизистые оболочки и кровь и вызывающего определённый токсический эффект, отнесённую к 1 кг массы тела или к полной массе тела человека; измеряется в мг/кг или в мг. Пероральная токсическая доза представляет собой массу вещества, воздействующего на человека при его заглатывании и вызывающего определённый токсический эффект, отнесённую к 1 кг массы тела или к полной массе тела человека. Ингаляционная токсическая доза представляет собой массу вещества, воздействующего на человека при вдыхании его с воздухом и вызывающего определённый токсический эффект. Ингаляционная токсическая доза определяется следующим выражением:

где М_Т – масса тела человека, кг; V_Д – интенсивность дыхания человека, м³/с; t₁, t₂ – время начала и окончания воздействия опасного химического вещества, с; С(t) – переменная во времени концентрация ОХВ во вдыхаемом воздухе. При постоянной во времени концентрации опасного химического вещества

где t – время воздействия опасного химического вещества. Для людей, находящихся в одинаковых условиях, отношение V_Д/ М_Т  пост., поэтому токсичность вещества можно выразить через значение коэффициента токсичности:

При острых поражающих воздействиях под ингаляционной токсической дозой часто понимают коэффициент токсичности D^'=T=C t. Исходя из этого, ингаляционная токсодоза есть произведение концентрации токсичного вещества, воздействующего через органы дыхания, и времени экспозиции, т.е. продолжительности периода вдыхания зараженного воздуха. Для характеристики уровней токсичности АХОВ при воздействии через органы дыхания используют среднепороговую токсодозу – PCt₅₀, средневыводящую токсодозу ICt₅₀ и среднесмертельную токсодозу LCt₅₀, где число 50 указывает на пятидесятипроцентную вероятность поражения человека токсичным веществом. Для хлора летальная токсодоза составляет LСt₅₀=6 мг мин/л.

Выброс аварийно химически опасного вещества в окружающую среду

Аварийно химически опасные вещества попадают в окружающую среду в результате:

• утечек из сосудов под давлением, при которых потеря веществом рабочего состояния происходит за относительно большой промежуток времени;

• выбросов из сосудов под давлением, при которых потеря веществом рабочего состояния происходит за относительно малый отрезок времени;

• испарений жидкости, пролитой из герметичной ёмкости.

Параметры рабочего состояния аварийно химически опасного вещества и последствия потери этого состояния позволяют разделить АХОВ на 4 категории:

1. Вещества, у которых критическая температура ниже температуры окружающей среды. Их рабочему состоянию соответствует состояние сжатого газа или реже сжиженное состояние с большим избыточным давлением. Выброс таких веществ сопровождается образованием газовоздушного облака, которое называют первичным, утечка приводит к образованию атмосферной струи.

2. Вещества, у которых критическая температура выше, а температура кипения ниже температуры окружающей среды. Их рабочему состоянию соответствует сжиженное состояние, реже состояние сжатого газа. При выбросе сжиженного вещества часть жидкости мгновенно испаряется, образуя первичное паровоздушное облако. Оставшаяся часть проливается, охлаждается до температуры кипения, затем испаряется, образуя вторичное облако. Утечка из ёмкости с большим избыточным давлением вещества приводит к образованию двухфазной струи.

3. Вещества, у которых температура кипения близка к температуре окружающей среды, а критическое давление выше атмосферного. Их рабочему состоянию соответствует сжиженное состояние, потеря которого приводит к образованию и первичного, и вторичного облака. в зависимости от температуры окружающей среды эти вещества при атмосферном давлении ведут себя либо как жидкости, либо как газы.

4. Вещества, у которых температура кипения выше температуры окружающей среды, а критическое давление выше атмосферного. Их рабочему состоянию соответствует парообразное, жидкое и твёрдое состояние. Эта категория включает в себя вещества, находящиеся при атмосферном давлении в жидком состоянии. Выброс этих веществ в окружающую среду приводит к их проливу. Испарение пролитого вещества сопровождается образованием вторичного облака. Вещества, находящиеся при нормальных условиях в твёрдом состоянии, также входят в эту категорию; в воздушную среду они поступают в диспергированном состоянии.

Выброс АХОВ первой, второй и третьей категории сопровождается образованием первичного облака. Радиус первичного облака полусферической формы можно определить по следующей формуле

где М_охв – масса опасного химического вещества, потерявшего рабочее состояние в результате выброса, кг;  _о – плотность опасного химического вещества при нормальных условиях, кг/м³; k_исп – доля опасного химического вещества, испарившегося в момент выброса.

Плотность опасного химического вещества можно определить по следующей формуле:

где М , – молярная масса вещества, кг/кмоль; V – молярный объём вещества, м³/кмоль.

Значение коэффициента испарения зависит от категории вещества и его свойств: для веществ первой категории k_исп = 1; для веществ четвёртой категории k_исп = 0; для веществ второй и третьей категории:

где i_н – энтальпия вещества в условиях рабочего состояния, i_к – энтальпия вещества в точке кипения, r_исп – удельная скрытая теплота парообразования при температуре кипения.

Для определения энтальпий необходимо использовать следующую формулу:

где с_ж – коэффициент теплоёмкости опасного химического вещества в жидкой фазе; t_охв – температура опасного химического вещества,  С.

Коэффициент теплоёмкости жидкости можно определить по формуле [10.12]:

где R – индивидуальная газовая постоянная вещества, Дж/кг/К; Т_пр – приведённая температура опасного химического вещества;  – фактор ацентричности; с_р^о – идеальногазовая теплоёмкость вещества, Дж/кг/К.

Приведённая температура вещества

где Т_кр – критическая температура вещества, К.

Фактор ацентричности определяется по следующему выражению:

где  – приведённая температура кипения, Р_кр – критическое давление, МПа.

Приведённая температура

где Т_к – температура кипения при нормальных условиях, К.

Идеальногазовая теплоёмкость

где t - температура,  С; A, B, C, D – константы, значения которых определяются в зависимости от типа вещества (табл. 10.4).

Таблица 10.4

Характеристики некоторых АХОВ

ОХВ	Тк	A	B	C	D
Аммиак	239,7	1604	1,399	1,003 10-3	-0,6957 10-6
Хлор	238,9	379,8	0,4772	-0,5456 10-3	0,2181 10-6

Теплоту парообразования при температуре кипения можно определить по следующей формуле:

Время образования парового облака

С₁ – скорость звука при атмосферном давлении.

Задача В резервуаре находился хлор в количестве 1 т при давлении насыщения и температуре 18  С. При его разрушении произошёл выброс токсичного вещества, который привёл к проливу хлора и образованию первичного облака. Определить начальный радиус первичного облака.

Решение Хлор относится к веществам 2-й категории, т.к. его критическая температура выше, а температура кипения ниже температуры окружающей среды (табл. 10.4), поэтому доля опасного химического вещества, испарившегося в момент выброса, 0 < k_исп < 1.

Приведённая температура кипения

Числитель выражения для фактора ацентричности

Знаменатель выражения для фактора ацентричности

Фактор ацентричности

Приведённая температура вещества

Идеальногазовая теплоёмкость в условиях рабочего состояния

Идеальногазовая теплоёмкость при температуре кипения

Коэффициент теплоёмкости жидкости в условиях рабочего состояния

Коэффициент теплоёмкости жидкости при температуре кипения

Энтальпия вещества в условиях рабочего состояния

Энтальпия вещества в точке кипения

Теплота парообразования

Коэффициент испарения для хлора

Плотность хлора при нормальных условиях

Радиус первичного облака полусферической формы

Источник техногенной чрезвычайной ситуации – радиационная авария

Вопрос Какой объект называют радиационно опасным?

Ответ Радиационная обстановка на территории индустриально-селитебного комплекса определяется: природной радиоактивностью косного вещества, включая излучения, приходящие из космоса; радиоактивным фоном, обусловленным проводившимися ранее испытаниями ядерного оружия; наличием территорий, загрязнённых радиоактивными веществами; эксплуатацией радиационно опасных объектов.

Радиационно опасным объектом называют объект, на котором хранят, перерабатывают, используют или транспортируют радиоактивные вещества, при аварии на котором может произойти облучение ионизирующим излучением или радиоактивное загрязнение людей, сельскохозяйственных животных и растений, объектов народного хозяйства, а также окружающей природной среды. Радиационная авария есть авария на радиационно опасном объекте, приводящая к выходу или выбросу радиоактивных веществ или ионизирующих излучений за предусмотренные проектом для нормальной эксплуатации данного объекта границы в количествах, превышающих установленные пределы безопасности его эксплуатации. Радиоактивное загрязнение есть загрязнение земной поверхности, атмосферы, воды, продовольствия, пищевого сырья, кормов и различных предметов радиоактивными веществами в количествах, превышающих уровни, установленные нормами радиационной безопасности и правилами работы с радиоактивными веществами.

К радиационно опасным объектам относятся: исследовательские ядерные установки различного назначения; судовые ядерные энергетические установки; предприятия, использующие в своих технологиях радиоактивные материалы; предприятия ядерного топливного цикла. Ядерный топливный цикл предусматривает добычу руды, обогащение урана, изготовление тепловыделяющих элементов, использование ядерного топлива в реакторах атомных электрических станций, регенерацию ядерного топлива. Цикл завершает утилизация и захоронение радиоактивных отходов.

Вопрос Как происходит облучение при радиационных авариях?

Ответ Облучение возникает при воздействии на людей ионизирующего излучения. Облучение может быть внешним – от источников, находящихся вне тела человека, или внутренним – от источников, попавших внутрь организма. Аварийное облучение можно разделить на облучение, осуществляемое по прямым путям воздействия, и облучение, осуществляемое по непрямым путям воздействия. К облучению при прямом воздействии относятся:

• внешнее облучение фотонами и  -частицами от радионуклидов, содержащихся в воздухе окружающей среды;

• внешнее облучение фотонами и  -частицами от радионуклидов, осевших на земную поверхность;

• внешнее контактное облучение от радионуклидов, осевших на кожные покровы организма;

• внутреннее облучение, создаваемое радионуклидами, поступившими в организм со вдыхаемым воздухом;

• внутреннее облучение, создаваемое радионуклидами, поступившими в организм с загрязнёнными продуктами питания и воды.

К облучению при непрямом воздействии относится внутреннее облучение от радионуклидов, попавших в организм человека в результате их миграций по пищевым цепочкам.

Вопрос Какие факторы воздействия способны образоваться при радиационных авариях?

Ответ Факторами воздействия, способными возникнуть при радиационной аварии, являются:

• мощность ионизирующего излучения, воздействующего на организм;

• время воздействия ионизирующего излучения.

Названные факторы объединяют в один фактор, называемый дозой облучения. Величина дозы облучения может быть выражена величиной дозы ионизирующего излучения, в частности, величиной эффективной эквивалентной дозы ионизирующего излучения.

Облучение фотонами от радионуклидов

Ожидаемую поглощённую дозу на всё тело человека от фотонного излучения веществ, загрязнивших земную поверхность, можно определить по следующей формуле [10.4]:

, Гр;

t – время облучения, с; А_S – поверхностная активность радионуклида, загрязнившего земную поверхность в момент оседания примеси

А – активность радионуклида, Бк; F – площадь, загрязнённая радионуклидом, м²;  _ЭФ – эффективная постоянная распада

 – постоянная распада;  _В – постоянная выведения нуклида из поверхностных слоёв вследствие биосферных процессов, по закону В_S – дозовый коэффициент внешнего облучения от радиоактивных веществ, осевших на земную поверхность.

Если источник представлен бесконечной поверхностью с косинусоидальным распределением излучения, то дозовый коэффициент определяется по формуле:

где r=1,09; k_г – безразмерный коэффициент, учитывающий глубину и характер распределения радионуклидов в приповерхностном слое, для поверхностного загрязнения k_г=1; Г – керма-постоянная, Гр· м²/c/Бк.

Керма-постоянная радионуклида характеризует мощность кермы в воздухе при стандартных условиях, содержание которых следующее: источник излучения – точечный изотропный; активность в источнике – 1 Бк; расстояние от источника до точки детектирования – 1 м. В табл. 10.5 приведены значения кермы-постоянной для некоторых нуклидов.

Принятие решений о защитных мерах основывается на определённых принципах и критериях. Принцип обоснования вмешательства основан на том, что предполагаемое вмешательство должно приносить облучаемым лицам больше пользы, чем вреда. Принцип оптимизации вмешательства исходит из того, что масштаб и длительность вмешательства должны быть оптимизированы таким образом, чтобы чистая польза от снижения дозы облучения была максимальной. При определённых обстоятельствах, сложившихся в результате радиационной аварии, необходимо применять срочные меры защиты. В табл 10.6 приведены прогнозируемые уровни облучения, при которых безусловно необходимо срочное вмешательство [10.7].

Таблица 10.5

Керма-постоянная радионуклидов

№ п/п	Нуклид	Период полураспада	Керма-постоянная, аГр м2/c/Бк
1		2,062 года	57,14
2		30, 14 года	21,24
3		371, 6 суток	7,55
4		285,8 суток	1,782
5		63,98 суток	27,12

Таблица 10.6

Уровни облучения, при которых безусловно необходимо срочное вмешательство

№ п/п	Орган или ткань	Поглощённая доза в органе или ткани за двое суток, Гр
1	Всё тело	1
2	Лёгкие	6
3	Кожа	3
4	Щитовидная железа	5
5	Хрусталик глаза	2
6	Гонады	3

При аварии, повлекшей за собой радиоактивное загрязнение обширной территории, устанавливается зона радиационной аварии. Зона радиационной аварии определяется как территория, на которой суммарное внешнее и внутреннее облучение в единицах эффективной дозы может превышать 5 мЗв за первый после аварии год.

Задача Авария на радиационно опасном объекте привела к выбросу в атмосферу радиоактивных веществ и загрязнению территории цезием-134 с активностью А_S=8,5 ГБк/м². Определить по величине поглощенной дозы, приходящейся на всё тело, необходимость применения срочных мер защиты.

Решение Постоянная распада цезия-134 с периодом полураспада Т_1/2 =2,062 года

Эффективная постоянная распада

Дозовый коэффициент

Прогнозируемая поглощённая доза на всё тело человека

Поглощённая доза за двое суток при которой безусловно необходимо срочное вмешательство составляет 1 Гр, т.е. необходимо применять срочные меры защиты, например, проводить эвакуацию населения.