Оптимизация радиационной защиты (принцип "ALARA")

Оптимизация радиационной защиты (принцип "ALARA")

130

1 КОНЦЕПЦИЯ ПРИЕМЛЕМОГО РИСКА

Любой вид деятельности связан с определенной степенью вредного воздействия (риском). При этом должно быть обеспечено условие безопасности - т.е. условия приемлемого риска. В идеале приемлемый риск должен соответствовать условию равновесия между риском и пользой от этого вида деятельности.

На основании критического анализа существующих подходов для обоснования критериев обеспечения безопасности человека отмечается:

• вероятностный характер потенциальных источников опасности;

• индивидуальная вариабельность последствий воздействий различных техногенных факторов;

• беспороговый характер стохастических проявлений воздействия неблагоприятных техногенных факторов;

• комбинированное воздействие различных техногенных факторов;

• ограниченность доступных ресурсов для обеспечения безопасности.

При этом основные принципы концепции приемлемого риска можно сформулировать в виде положений :

1. Принимается мера опасности - риск.

2. Утверждается, что любому уровню воздействия соответствует некоторый уровень риска.

3. Признается наличие опасных сочетаний источников воздействия.

4. Предполагается существование некоторого уровня приемлемого риска.

5. Считается, что уровень приемлемого риска можно установить с учетом экономических, социальных и других условий.

6. Постулируется, что уровни приемлемого риска стихийно формируются в обществе и проявляются в масштабах риска.

7. Постулируется, что уровнем приемлемого риска можно управлять, воздействуя на условия его формирования.

8. Предполагается использование концепции замещения «старых» рисков «новыми» при условии снижения общего уровня достигнутого риска.

Проблема определения приемлемого риска имеет социальные, экономические, психологические и другие аспекты.

Социальные проявляются в различиях пользы и вреда от конкретного вида деятельности для различных социальных групп.

Психологические проблемы очень сложны и недостаточно изучены. Каждый человек имеет свою шкалу оценки риска.

Экономические аспекты можно выявить как при рассмотрении затрат, связанных со снижением риска, так и при анализе потерь из-за недостаточно низкого уровня риска.

Выражая затраты и потери в одинаковых единицах, что само по себе представляет непростую задачу, и суммируя их, можно оценить экономическую целесообразность защитных мер. В этом случае, в принципе, возможно отыскать минимум суммы потерь и затрат, соответствующий оптимальным условиям реализации мер.

Уровень риска, обеспечивающий минимум суммы потерь и затрат, можно условно назвать приемлемым.

Однако на практике затраты и потери зачастую выражаются в разных единицах (представлены в разных шкалах), поэтому сведение их к единой шкале представляет собой нетривиальную задачу и не всегда возможно.

Условия минимума и, соответственно, уровня приемлемого риска можно найти, анализируя масштабы риска в жизни человека. Это мнение основывается на признании стихийно реализуемых в обществе тенденций установления приемлемого равновесия между пользой и затратами для различных видов деятельности. Общество движется в направлении такого равновесия эмпирическим путем, путем проб и ошибок.

2 ОСОБЕННОСТИ РИСКОВ, СВЯЗАННЫХ С ТЕХНОГЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Быстрое развитие техногенных объектов является неотъемлемой чертой современного этапа развития человечества. Их эксплуатация позволяет решать многочисленные задачи повышения уровня и качества жизни людей, обеспечения безопасности индивидуумов, сообществ и государств. Сооружение, эксплуатация и демонтаж техногенных объектов порождают факторы опасности, обусловливающие возможность негативного воздействия на людей и окружающую природную среду. Многие экологические проблемы современности связаны с резким ростом производства и потребления энергии, использованием ядерной энергии, экстенсивным использованием вредных химический веществ.

Очевидное загрязнение окружающей среды, ряд катастроф на техногенных объектах приводят к человеческим жертвам, поэтому вопросы техногенной безопасности выдвинуты на передний план -- они привлекают внимание законодательных и регулирующих органов.

Первым побуждением было требование сделать техногенные объекты "настолько безопасными, насколько это практически достижимо" - в западной литературе это получило название принципа ALARA.

Оно отражение в законодательных и нормативных документах многих промышленных стран.

Постепенно становилось ясно, что принцип "чем больше, тем лучше" применительно к системам промышленной безопасности - не оптимально: чем больше тратится средств на технические системы безопасности, тем меньше их остается на здравоохранение и повышение качества жизни. Снижение техногенной опасности до нуля вообще невозможно - это предполагало бы прекращение всей промышленной и сельскохозяйственной деятельности. Поэтому в современных условиях все большее предпочтение отдается принципу разумной оптимизации затрат на промышленную безопасность, известному также как принцип ALARA: следует стремиться к обеспечению уровня воздействия на население и окружающую среду "настолько низкого, насколько это разумно достижимо" с учетом экономических и социальных факторов. При этом обеспечивается распределение затрат, обеспечивающее наибольший выигрыш общества.

Эффективным инструментом оптимизации затрат в обеспечение безопасности является анализ риска и установление уровня приемлемого риска.

Для значительной части членов общества риск, связанный с деятельностью техногенных объектов, является вынужденным, обусловленным решениями, принятыми без их участия и прямого согласия.

3 ПРОЦЕДУРА ALARA

В 1990 году Международная Комиссия по радиологической защите (МКРЗ) выпустила рекомендации, в которых были определены три фундаментальных принципа, лежащие в основе современной системы радиационной защиты:

- никакая практическая деятельность, связанная с облучением, не должна приниматься, если польза от нее для облученных лиц или общества в целом не превышает ущерба от вызванного ею облучения;

- для любого отдельного источника в рамках данной практической деятельности значения индивидуальных доз, число облученных лиц и возможность подвергнуться облучениям, которые не- обязательно случатся, должны поддерживаться на столь низких уровнях, какие только могут быть разумно достигнуты с учетом экономических и социальных факторов;

- облучение отдельных лиц от сочетания всех соответствующих видов практической деятельности должно ограничиваться пределами дозы или контролем риска в случае потенциального облучения.

Эти три принципа, называемые «обоснование, оптимизация и нормирование - кульминационный момент перехода от ограничения индивидуальных доз к снижению доз до оптимального уровня. Концепция оптимизации уровней облучения или ALARA (сокращение "As Low As Reasonably Achievable" - "настолько низко, насколько разумно достижимо") стала основным принципом в современной радиационной защите. Однако вследствие качественной природы концепции, которая предлагает учитывать "экономические и социальные факторы", возникла необходимость выработать ясные и недвусмысленные правила для ее интерпретации.

Ниже приведены основные положения концепции.

Принятие решений есть часть повседневной жизни.

Каждый день нам приходится принимать множество решений. Мы стараемся поступить оптимальным образом. Часто процесс принятия решений происходит на подсознательном уровне. В случае, когда мы имеем дело со сложными ситуациями, может потребоваться осознанная оценка доводов «за» и «против» различных вариантов решений. Процедура взвешивания достоинств и недостатков конкретного решения и определение лучшего известна как оптимизация. В основе оптимизации лежит здравый смысл. Здесь мы сфокусируем внимание на оптимизации радиационной защиты.

Оптимизация радиационной защиты часто называется принципом "ALARA". Таким образом, по сути: ALARA = ОПТИМИЗАЦИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ.

Концепции, положенные в основу принципа ALARA

В начальные годы становления радиационной защиты бытовало мнение о том, что если индивидуальная доза не превысит определенного порогового уровня, то вреда здоровью человека не будет. Это мнение основывалось на наблюдениях детерминированных эффектов при больших дозах рентгеновского излучения или излучения радиоактивных нуклидов, которые вызывали определенные повреждения тканей человека, в то время как при низких дозах таких эффектов не наблюдалось. Исходя из этого, ранние системы радиационной защиты были направлены на поддержание индивидуальных доз ниже предельных, которые определялись в соответствии с пороговыми значениями для этих эффектов.

Позже выяснилось, что существуют и другие последствия для здоровья от радиационного облучения: соматические (возникающие у облученного человека) и генетические (у его потомства), для которых, по-видимому, не существует наблюдаемого дозового порога.

Признание того, что не существует безопасного уровня радиационного облучения, привело к мысли о необходимости его уменьшения насколько это возможно. Радиационная защита подчиняется "закону убывающей эффективности". Закон гласит: первоначальные затраты на защиту могут привести к значительному снижению доз, однако последующие затраты дают все меньший и меньший эффект. «Закон убывающей эффективности» в радиационной защите проиллюстрирован на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Закон убывающей эффективности

В соответствии с рис. 2.10 увеличение расходов с Po до P1 приводит к уменьшению дозы облучения с D0 до D1, однако эквивалентное увеличение расходов с Р1 до Р2 приводит к существенно меньшему уменьшению дозы облучения с D1 до D2. Необходима оптимизация радиационной защиты.

Таким образом, две основные предпосылки: отсутствие наблюдаемой пороговой дозы и ограниченность доступных для защиты ресурсов, являются мотивом для разработки принципа ALARA.

Данный принцип содержит два момента. Во-первых: не следует минимизировать дозы любой ценой, во-вторых подход ALARA основан на отсутствии наблюдаемой пороговой дозы для стохастических эффектов.

Реализация принципа ALARA

Для того чтобы полностью реализовать принцип ALARA, необходимо добиться от каждого работающего с радиацией четкого осознания принципа и его требований.

Решение по радиационной защите может быть принято подсознательно, но всегда полезно применять последовательный системный подход - процедурой ALARA. Одной из основных ее функций является структурирование и стандартизация оценок различных людей. Процедура должна помочь в получении согласованных и последовательных решений.

Существуют различные методы, применяющиеся в рамках процедуры ALARA. Одним из этих методов является анализ «затраты - выгода».

Процедура ALARA является полезной при выработке решений. Сама по себе она не принимает решения. Принятие решений - прерогатива лица принимающего решения (ЛПР).

Процедура ALARA - обзop

Процедура ALARA - это простой перечень шагов, который определяет структуру подхода и решения любой задачи радиационной защиты. Общая схема, иллюстрирующая эти шаги, представлена на рис. 2.11.

Для пояснения реализуемости процедуры ALARA на практике, рассмотрим устройство защитного ограждения вокруг клапана и насоса на трубопроводе с радиоактивной водой. Клапан управляется вручную раз в неделю, насос же требует обслуживания раз в году.

Сам трубопровод хорошо защищен, но около клапана и насоса можно получить значительную дозу облучения. На рис. 2.12 показан предлагаемый план ограждения. Будем считать его исходным вариантом.

Актуален вопрос - являются ли дозы столь малыми, насколько возможно разумно достичь с учетом экономических и социальных факторов. Задача, которую нужно решить: должны ли быть модифицированы план и порядок работы для достижения лучшего уровня защиты при данных условиях.

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть возможные варианты; собрать информацию о каждом варианте, а также установить критерии отбора.

Можно провести этот анализ на основе взвешивания «за» и «против», но лучше применить процедуру ALARA.

Рис 2.11. Последовательность шагов процедуры ALARA

Рис. 2.12. Устройство защитного ограждения вокруг трубопровода с радиоактивной водой (Вариант А)

Процедура ALARA

Постановка задачи

Этот первый шаг процедуры ALARA. Для того чтобы правильно и легко поставить задачу, необходимо:

1. Сформулировать цели исследования так, чтобы с самого начала добиться четкого понимания желаемого результата.

2. Определить область исследований и ее границы с тем, чтобы знать, когда необходимо остановиться.

3. Консультации. Специалист по анализу для проверки правильности постановки задачи, должен проконсультироваться со специалистом, принимающим решение. Если постановка задачи будет признана правильной, то специалист по анализу может приступать к работе.

4. Для большинства задач, кроме самых простых, целесообразно записать постановку задачи на бумаге, чтобы сконцентрировать внимание.

Для нашего примера "клапан-насос", опираясь на вышеприведенные подпункты (1), (2) и (3), можно сформулировать задачу следующим образом:

* Задача "клапан-насос" является сравнительно простой.

• Предполагается, что схема рис. 2.12 реализована; задача состоит в том, чтобы оценить, согласуется ли данная схема с принципом ALARA.

• Решено ограничить исследование дозами ремонтных рабочих, которые будут управлять механизмами внутри защитного.

• Предполагается, что приемлемыми будут затраты, соответствующие верхней границе диапазона, определенного государственными организациями для стоимости чел.-Зв.

• Для этой задачи высокий уровень точности не нужен.

• Нет необходимости консультироваться и согласовывать постановку задачи с кем-либо еще.

Задание вариантов и факторов

Следующая стадия процедуры - задание вариантов и факторов. Варианты представляют собой альтернативные действия, являющиеся возможными решениями задачи. Фактор задается как определенная мера или качество, с помощью которого различаются варианты.

Любая задача радиационной защиты должна учитывать дозы облучения (эффективную дозу) и для определения возможных вариантов полезна простейшая запись уравнения для коллективной дозы

S=HtN

где S - коллективная доза, H - средняя мощность дозы, t - время работы, N- число рабочих.

Варианты защиты будут получены изменением одного или нескольких (из трех) компонент уравнения.

После консультации с разработчиками специалист по анализу получает две другие возможные схемы защитного ограждения. Они показаны на рис. 2.13 и 2.14.

Возможные варианты:

(A) Не предпринимать вообще никаких действий и оставить существующую схему, показанную на рис.2.12. (Этот вариант часто называется "базовым случаем", "нулевым уровнем защиты" или "вариантом нулевой защиты".)

(Б) Поставить свинцовую перегородку так, как показано на рис.2.13. Теперь рабочий, управляющий клапаном, защищен некоторым образом от насоса и, аналогично, рабочий, обслуживающий насос, лучше защищен от клапана.

(B) Поставить разделяющую стену между клапаном и насосом, получая две отдельные комнаты, каждую со своей входной дверью, как показано на рис.2.14. Мощность дозы в обеих комнатах становится теперь еще ниже.

Определив варианты, обратим внимание на факторы. В большинстве задач радиационной зашиты факторы принадлежат одной из двух основных групп:

Дозы: Расходы:

Коллективные дозы Инвестиции

Распределение индивидуальных доз Эксплуатация и ремонт

Распределение мощности дозы во времени Распределение затрат во времени. Соотношение общественных и профессиональных Взаимозависимость затрат интересов

Для более сложных задач могут учитываться и другие факторы. Существуют решения очень высокого политического статуса (например: выбор площадок для размещения радиоактивных отходов), где должны приниматься во внимание социальные факторы, в частности, общественное мнение и экологические факторы:

Рис. 2.13. Возможная схема ограждения (Вариант Б)

Рис. 2.14. Возможная схема ограждения (Вариант В)

Количественное определение факторов для вариантов

Дозы

Коллективная доза определяется мощностью дозы и количеством человеко-часов, затраченных на выполнение работ в условиях облучения с данной мощностью дозы. Для нашего примера достаточно адекватным приближением будет использование значений эффективной дозы за год.

Частота работ:

клапан - раз в неделю (40 рабочих недель) за год;

насос - раз в год.

Продолжительность работ:

клапан - 15 минут (0.25 часа),

насос - 5 часов.

Следовательно, время, проведенное за выполнением каждой из этих работ за год:

клапан - 0,25* 1 *40 = 10 человеко-часов;

насос - 5 человеко-часов.

Полученные при работе с клапаном и насосом дозы различны. Таким образом, годовые коллективные дозы, соответствующие трем вариантам, будут, соответственно, равны:

вариант А - никаких действий, (схема на рис. 2.12);

(1.5x10) + (1.0x5) = 20 чел мЗв год -1

вариант Б - введение свинцовой защиты, (схема на рис. 2.13);

(1.1х10) + (0.7x5) = 14.5 чел мЗв год-1;

вариант В - отдельные помещения, (схема на рис. 2.14);

(0.9x10) + (0.6x5) = 12 чел мЗв год-1 .

Таким образом, снижение годовой коллективной дозы на 5.5 чел мЗв год-1 достигается при переходе от варианта А к варианту Б. Дальнейшее снижение на 2.5 чел мЗв год-1 достигается при переходе от варианта Б к В.

Расходы

Для цели сравнения расходы должны быть определены для того же промежутка времени, что и дозы, т.е. за год. Расходы в этом случае должны учитывать начальные капиталовложения, время эксплуатации оборудования и годовые расходы на его ремонт и обслуживание.

Поэтому примем, что капиталовложения распределяются равномерно по времени в течение эксплуатации оборудования. (В более детальных исследованиях изменение индекса цен во времени может учитываться посредством анализа таких экономических понятий, как амортизация, скидка, обесценивание.)

Примем для нашего примера, что время эксплуатации оборудования составляет 20 лет. Капиталовложения для варианта А, очевидно, являются нулевыми, т.е. дополнительных расходов на защиту не будет. Стоимость введения свинцового экрана в варианте Б - 1200 € (Евро - Европейская денежная единица). Стоимость добавления двери и стенки для создания двух помещений составляет 4100 €.

Введение свинцового экрана увеличивает годовую стоимость эксплуатации на 5 € для варианта Б. Более сложная схема варианта В потребует дополнительно 15 € на эксплуатацию ежегодно.

Таким образом, годовые расходы, соответствующие трем вариантам, являются следующими:

вариант А - нет действий, нет дополнительных расходов;

вариант Б - свинцовый экран

1200/20 + 5 = 65 €. год1;

вариант В - раздельные помещения

4100/20+ 15 = 220 €. год1.

Для принятия решений в радиационной защите существует стандартное значение, известное многим как параметр а - стоимость чел-мЗв или денежный эквивалент единицы коллективной дозы. Его значение либо рекомендовано государственными организациями, ответственными за радиационную защиту в стране, либо устанавливается внутри организаций. Существуют различные методы, помогающие оценить такое стандартное значение. В этом примере термин "параметр а" используется как синоним значения "величина чел-Зв"; однако параметр а имеет более специфическое определение, которое здесь не обсуждается.

Сравнение и выбор вариантов

Решения многих задач радиационной защиты могут быть получены путем простых рассуждений и здравого смысла, основанных на опыте. Однако для некоторых задач нужен более тщательный подход, и они могут потребовать письменного анализа. Для этого существуют методы поддержки принятия решений. Независимо от того, использовались ли эти методы или нет, специалисту по принятию решения важно записать задачу на бумагу для того, чтобы прояснить для самого себя процесс осмысления задачи, или чтобы обосновать другому человеку принятие данного решения.

Методы поддержки принятия решений включают в себя три наиболее широко известных:

• анализ «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА»;

• дифференциальный анализ «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА»;

• многофакторный анализ эффективности.

Aнализ «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА»

Методика анализа «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА» основывается на уравнении, которое определяет лучшее или оптимальное решение как вариант, минимизирующий общую стоимость, т.е. итог финансовых расходов и расходов, связанных с причинением ущерба здоровью. Он также называется методом итоговой стоимости для анализа «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА».

База данных для анализа «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА»

(*) - значение единицы коллективной дозы (б) составляет 30 € (чел-мЗв)-1.

Из табл. 2.16 следует, что оптимальным вариантом является вариант Б, имеющий самую низкую итоговую стоимость.

На рис. 2.15 эти же результаты представлены графически: приведен графики зависимостей стоимости Х, стоимости дозы бS и график их суммы. Как следует из графиков, оптимальным является вариант Б, соответствующий минимуму.

Дифференциальный анализ «ЗАТРАТЫ-ВЫГОДА»

Альтернативным методом работы с данными является дифференциальный анализ «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА». Этот метод заключается в анализе различий между соседними вариантами. Для этого данные должны быть ранжированы по возрастанию расходов. В таблице 2.17 приведены данные, относящиеся к нашему примеру.

Рис 2.15. Графики анализа «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА»

Оптимальным вариантом следует считать вариант с минимальным отношением X/S. В нашем случае это вариант Б, т.е. тот же что и в предыдущем случае. Таким образом, полученное нами решении с не зависит от используемого метода поддержки принятия решений.

Данные для дифференциального анализа «затраты - выгода»

Анализ чувствительности

Анализ чувствительности - это системный способ ответа на вопрос "Что будет, если..." для того, чтобы проверить устойчивость решения для настоящего времени и обозримого будущего. Повлияют ли изменения внешних условий, которые можно ожидать в реальной жизни, на выбор решения?

Этот шаг может выполняться в самом начале процедуры ALARA качественно (даже если остальная часть анализа включает количественную оценку) или количественно, используя один из имеющихся методов.

Существует несколько специальных методов для выполнения сложного или расширенного анализа чувствительности, таких как метод Монте - Карло и метод гистограмм. Но для решения задач они применяются редко.

Простейший способ анализа чувствительности заключается в изменении значения одного из параметров (при остальных фиксированных) для оценки его влияние на результаты.

Например, в нашей задаче «клапан-насос» можно было бы оценить влияние изменения расходов на годовую эксплуатацию или нормативной стоимости чел-Зв .

Для ускорения проведения анализа удобно пользоваться компьютерными программами. Написание таких программ имеет смысл для сложных задач. Графики и рисунки также могут быть полезны для иллюстрации влияния, которое параметры оказывают на результаты анализа. Например, на рис.2.16 изображен график влияния изменения значения параметра а на итоговую стоимость.

Рис. 2.16. Влияние значения а на итоговую стоимость

Оптимальным решением при анализе «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА» является решение с наименьшей итоговой стоимостью (с учетом финансовых и радиологических факторов), поэтому самая нижняя кривая на графике представляет собой оптимальное решение. При значении а ниже 11 € (чел мЗв)-1 оптимальным становится вариант А, а при значении а превышающих 63 € (чел мЗв)-1 оптимальным становится вариант В.

Представление результатов

В зависимости от природы и сложности задачи процедура ALARA может занять от нес. минут до нес. дней.

Представление результатов является заключительным шагом процедуры ALARA.

Решение

Применение процедуры ALARA приводит к получению оптимального результата, обычно с различными оговорками. Однако этот результат ALARA не является автоматически "конечным решением", он может рассматриваться только как рекомендация, помогающая ответственному лицу принять действительно оптимальное решение. Окончательная ответственность за его принятие остается за ним.

Резюме

• Процедура ALARA является простым перечнем этапов анализа, обеспечивающим структуризацию подхода к любой задаче или решению в радиационной защите. Основная цель процедуры - оградить эксперта от принятия поспешных решений.

• Точное следование процедуре ALARA дает уверенность, что никакие важные факторы не были пропущены и все возможные варианты были рассмотрены.

• В основе структуризации процедуры ALARA лежит здравый смысл - она не заключает в себе ничего.

• Процедура ALARA в равной мере применима к оптимизации вопросов радиационной безопасности как на стадии эксплуатации, так и на стадии проектирования..

• Были обсуждены только два метода поддержки принятия решений - метод итоговой стоимости анализа «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА» и дифференциальный анализ «ЗАТРАТЫ - ВЫГОДА». Если рассматриваемые факторы и их числовые значения останутся неизменными, то результат ALARA не будет зависеть от того, по какой из обсуждаемых методик проводились расчеты. Для сложных задач, включающих дополнительные факторы, помимо расходов и дозы может потребоваться использование других методов.