Παρακολούθηση Περιβάλλοντος Πυρηνικού σταθμού με τηλεπισκοπικές μεθόδους

Από RemoteSensing Wiki

Satellite Remote sensing for nuclear power plant environment’s Maria Zoran, National. Institute of R&D for Optoelectronics , Remote Sensing Department.

1. Εισαγωγή

Η πυρηνική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Cernavoda 1, η οποία χρησιμοποιεί την τεχνολογία CANDU, τέθηκε σε λειτουργία από το 1996, με συνολική αποδιδόμενη ισχύ 706,5MW. Την περίοδο αυτή είναι υπό κατασκευή και δεύτερη μονάδα με το όνομα Cernavoda 2, η οποία αναμένεται να λειτουργήσει το 2007. Η εγκατάσταση εχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να πληρή τα αυστηρότερα μέτρα και πρότυπα ασφαλείας που επιβάλλονται από την Διεθνή Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας (ΙΑΕΑ). Στο μέλλον προβλέπεται και η κατασκευη περαιτέρω μονάδων παραγωγής 9μονάδες 3, 4 και 5), στα πλαίσια της στρατηγικής της Ρουμανίας επί της αξιοποίησης της πυρηνικής ενέργειας. Με αυτό τον τρόπο επιδιώκεται η αυξηση της παραγωγής «καθαρής ενέργειας» στην Ρουμανία, με σκοπό την μείωση των εκπομπών CO2 και των υπόλοιπων ρύπων, του όγκου των στερεών αποβλήτων από την καύση άνθρακα καθώς και την μείωση της εξάρτησης της χώρας από εισαγόμενα καύσιμα όπως φυσικό αέριο και πετρέλαιο, με σκοπό την αυξηση της ασφάλειας του ενεργειακού σχεδιασμού. Παρόλα αυτά, σημειώνεται πως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι προτιμότερες από την πυρηνική για να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες της χώρας, καθώς δεν περιέχουν τον κίνδυνο ατυχημάτων τα οποία μπορεί να αποβούν καταστροφικά για τον πληθυσμό.

Και οι 2 ανωτέρω μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού από πυρηνική ενέργεια έχουν σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαιτέρα μετεωρολογικά χαρακτηριστικά του τόπου εγκατάστασης, όπως θερμοκρασία, άνεμος, κατακρημνίσματα (βροχή και χιόνι) και επίπεδα υγρασίας. Ο χώρος εγκατάστασης έχει επιλεγεί ώστε να βρίσκεται σε υψηλότερο σημείο από τα επίπεδα πλημμύρας ενώ επίσης έχουν σχεδιαστεί να αντέχουν και σε μεγάλους σεισμούς.

Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της πυρηνικής ενεργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού σε σχέση με τις υπόλοιπες συμβατικές πηγές ενέργειας είναι πολλά. Οι εκπομπές σωματιδίων, ρύπων και CO2 είναι ελάχιστες συγκρινόμενες με την τεχνολογία των ορυκτών καυσίμων, ενώ πρόσθετα απαιτούνται μικρότερες εκτάσεις, και επομένως μικρότερες επεμβάσεις στο περιβάλλον, σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές ενέργειας. Τα κύρια περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με την χρηση πυρηνικής ενέργειας είναι η πιθανή εκπομπή ραδιενεργών σωματιδίων, τα ραδιενεργά απόβλητα και φυσικά ο έστω και πολύ μικρός κίνδυνος ενός πυρηνικού ατυχήματος. Όλοι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες διατρέχουν – έστω και μικρό – κίνδυνο να υποστούν κάποια βλάβη και να προκαλεστεί ατύχημα, όπως απώλεια πυρήνα και συστημάτων ασφαλείας, ή διαρροή ραδιενεργών αποβλήτων. Μολονότι η πιθανότητα είναι εξαιρετικά μικρή, αντίστοιχα οι επιπτώσεις είναι ιδιαιτέρα σημαντικές, οπότε το τελικό αποτέλεσμα κατά την διεξαγωγή της μελέτης κινδύνου δίνει σχετικά υψηλό ρίσκο.

Στο συγκεκριμένο άρθρο θα γίνει αποτίμηση μονάχα των εκπομπών θερμότητας στο περιβάλλον, αγνοώντας πιθανές ραδιενεργές συνιστώσες.

2. Τηλεπισκόπηση για το περιβάλλον πυρηνικών σταθμών

Η τηλεπισκόπηση είναι η επιστήμη να αποκτά κανείς πληροφορίες διαφόρων μορφών για υλικά αντικείμενα, περιοχές ή φαινόμενα, χωρίς να χρειάζεται να έρθει σε φυσική επαφή με το αντικείμενο μελέτης. Για αυτό το λόγο, χρησιμοποιείται η μεταφορά πληροφορίας μέσω του κενού ή του αέρα, μέσω διαφόρων μηκών κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας: οπτικό, εγγυς υπέρυθρο, μέσο υπέρυθρο, ορατό, θερμικό και μικροκυματικό.

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τα νερά (λιμνών, θαλασσών ή ποταμών) είναι τα αιωρούμενα σωματίδια, η χλωροφύλλη, χημικές ουσίες, βιομάζα, θρεπτικά στοιχεία και ποσότητες θερμότητας. Τα ανωτέρω επηρεάζουν το φάσμα της εκπεμπόμενης και ανακλώμενης ακτινοβολίας από τα επιφανειακά νερά, και οι μεταβολές αυτές μπορούν να μετρηθούν και παρατηρηθούν με εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Η δύναμη των εφαρμογών τηλεπισκόπησης έγκειται στην δυνατότητα να παρακολουθούν τα νερά τόσο χωρικά όσο και χρονικά, γεγονός που είναι δύσκολο να επιτευχθεί με επιτόπιες τεχνικές. Με την αξιοποίηση των εργαλειων αυτών, μπορεί να επιτευχθεί κατάλληλος προγραμματισμός και δράσης για την μείωση των παραγόντων εκεινων που προκαλούν ρύπανση στα ύδατα.

Η θερμοκρασία είναι ενας ιδιαιτέρα σημαντικός περιβαλλοντικός παράγοντας, ο οποίος αποτελεί αντικείμενο μελέτης για διάφορες επιστήμες. Η θερμοκρασία των επιφανειακών υδάτων σε πολλές περιπτώσεις συνδέεται με την φυσική κατάσταση των βαθύτερων στρωμάτων νερού. Η εκτίμηση της θερμοκρασίας των επιφανειακών νερών με χρήση τηλεσκοπικών μεθόδων εχει αποτελέσει αντικείμενο πλήθους ερευνών. Η θερμοκρασία των νερών είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς επηρεάζει άμεσα το ποσοστό του διαλυμένου οξυγόνου σε αυτό, και κατά συνέπεια επηρεάζει όλους τους έμβιους οργανισμούς που ζουν σε αυτό καθώς είναι σημαντικός παράγοντας όλων των βιοχημικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε αυτό.

Ειδικότερα, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού, τόσο μειώνεται το ποσοστό του διαλυμένου οξυγόνου σε αυτό, και επομένως υπάρχει η τάση να αυξάνονται οι οργανικοί ρύποι. Η θερμοκρασία επίσης αποτελεί σημαντικό βιολογικό παράγοντα, καθώς καθορίζει την συμπεριφορά του στρώματος επαφής μεταξύ νερού και ατμοσφαίρας, καθώς και των διεργασιών που συμβαίνουν μέσω αυτού.

Οι μέθοδοι παρατήρησης της θερμοκρασίας των επιφανειακών νερών με εφαρμογές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούν το θερμικό υπέρυθρο και τα μικροκύματα. Μερικές από τις συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας μέσω θερμικού καναλιού είναι οι δορυφόροι Landsat TM and ETM (θερμικά κανάλια), τα ραδιομετρα Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) στους NOAA Polarorbiting Operational Environmental Satellites (POES), και μεσης ανάλυσης δορυφορικές φωτογραφίες (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)) από τον δορυφόρο NASA Earth Observing System (EOS). Άλλες πηγές είναι οι Terra και Aqua δορυφόροι, Along-Track Scanning Radiometer (ATSR) στον ευρωπαϊκό δορυφόρο (ERS-2), ο γεωστατικός Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) Imager, και ο ASTER.

Ειδικότερα ο ASTER (The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) τοποθετήθηκε στον Terra της ΝΑΣΑ, και έχει 3 φασματικά κανάλια στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο (VNIR), 6 κανάλια στο μικροκυματικό υπέρυθρο (SWIR) και 5 κανάλια στο θερμικό υπέρυθρο (TIR). Τα μήκη κύματος των θερμικών καναλιών του TIR είναι κατάλληλα για την καταγραφή της θερμοκρασίας των επιφανειακών υδάτων. H διακριτική ικανότητα των ανωτέρω ομάδων καναλιών είναι 15 μέτρα για τα VNIR, 30 μέτρα για το SWIR και 90 μέτρα στο θερμικό υπέρυθρο (TIR).

Τα τελευταία χρόνια τα δεδομένα από τα θερμικά κανάλια γίνονται ολοένα και πιο χρήσιμα στα πεδία των παγκόσμιων κλιματικών μοντέλων και της παρακολούθησης της παγκόσμιας υπερθέρμανσης, Οι μετρήσεις θερμοκρασίας των επιφανειακών υδάτων πραγματοποιούνται με ραδιομετρικές παρατηρήσεις σε μήκη κύματος περί τα 3,7-10μm. Αν και το κανάλι των 3,7μm είναι πιο ευαίσθητο στην θερμοκρασία των νερών, μπορεί και χρησιμοποιείται μονάχα τις νυχτερινές ώρες, καθώς κατά την διάρκεια της ημέρας υπάρχει ισχυρή ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας, γεγονός που παραμορφώνει τις μετρήσεις. Και τα δυο κανάλια είναι ιδιαιτέρα ευαίσθητα στην ατμοσφαιρική ρύπανση, την νεφοκάλυψη και τους υδρατμούς. Για αυτό το λόγο, οι μετρήσεις χρειάζεται αρχικώς να υποστούν ατμοσφαιρικές διορθώσεις και μπορούν να πραγματοποιηθούν μονάχα σε περιοχές δίχως σύννεφα.

Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μια επιφάνεια σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος στο θερμικό υπέρυθρο εξαρτάται από την θερμοκρασία του και τον συντελεστή εκπομπής. Δεδομένου πως η θερμότητα είναι αντιπροσωπευτική για ένα επιφανειακό στρώμα αρκετών εκατοστών, τα θερμικά κανάλια μπορούν να αποτελέσουν συμπληρώματα άλλων τηλεπισκοπικών μεθόδων, και μοναδική ικανότητα στην ανίχνευση επιφανειακών υλικών, εκπομπών θερμότητας, υγρασίας και γεωθερμικών ανωμαλιών. Τα ανωτέρω παρουσιάζονται στο σχήμα 1.

8888888888888888888888888888888888888888888

3. Περιοχή Ελέγχου και δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν

Το πυρηνικό εργοστάσιο Cernavoda βρίσκεται στην επαρχία Κονσταντα στην περιοχη Dobrogea. Οι εγκαταστάσεις βρίσκονται σε απόσταση περίπου 2 χιλιομέτρων νοτιοανατολικά από την πόλη Cernavoda, σε περιοχή του Δούναβη πλησίον της Μαύρης Θάλασσας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

99999999999999999999999999999999999999999999999999

Το κανάλι Δούναβη-Μαύρης Θάλασσας δημιουργήθηκε το 1984. Η θερμοκρασία των νερών του Δούναβη εξαρτάται από τα κλιματολογικά χαρακτηριστικά διαφόρων περιοχών της λεκάνης απορροής του. Για το κομμάτι του που διαρρέει από την Ρουμανία, η θερμοκρασία των νερών του το καλοκαίρι κυμαίνεται από΄22 έως 24 βαθμούς κελσίου, ενώ το χειμώνα οι θερμοκρασία της επιφάνειας του πέφτει κάτω από το μηδέν, όμως δεν παγώνει λογω της τυρβώδους ροής του, εκτός και εάν παρατηρηθούν ιδιαιτέρα χαμηλές θερμοκρασίες. Το οργανικό φορτίο του ποταμού είναι σχετικά χαμηλό, όμως η ρύπανση σε αυτό αυξάνεται καθώς περνάει από διάφορες βιομηχανικές περιοχές. Ομοίως, η χημεία των νερών του μεταβάλλεται λογω των αστικών και γεωργικών αποβλήτων που μεταφέρονται σε αυτόν από τις βρόχινες απορροές.

Το πυρηνικό εργοστάσιο χρησιμοποιεί νερό για την ψύξη του από αυτό το κανάλι του Δούναβη. Τον περισσότερο καιρό το νερό αυτό επιστρέφεται στο ποτάμι του Δούναβη, κατά την διάρκεια όμως του χειμώνα μερικές φορές διοχετεύεται στο κανάλι, έτσι ώστε με την αυξημένη θερμοκρασία του να αποτρέψει το πάγωμα του. Ο χώρος κατασκευής του εργοστασίου δεν ήταν παρθένο έδαφος: Παλιότερα στο σημείο αυτό υπήρχε λατομείο με εργοστάσιο παραγωγής τσιμέντου. Σε ακτίνα 30 χιλιομέτρων από το πυρηνικό εργοστάσιο, κατοικούν περίπου 220.000 άνθρωποι. Οι εκτάσεις της περιοχής είναι κυρίως επίπεδες, με παρουσία ορισμένων λόφων που παρεμβάλλονται μεταξύ της πόλης και του πυρηνικού εργοστασίου. Το κλίμα είναι εν γένει ηπειρωτικό, με κάποια όμως μεσογειακά στοιχεία, λόγω της εγγύτητας με την Μαύρη Θάλασσα. Ως εκ τούτου, τα καλοκαίρια είναι ζεστά και ξηρά, ενώ οι χειμώνες ήπιοι με μέτρια χιονόπτωση.

Τα σημαντικότερα υδατικά συστήματα στην περιοχή είναι το ποτάμι του Δούναβη, το κανάλι του Δούναβη-Μαύρης Θάλασσας και μια σειρά από μικρές λίμνες. Αυτό το αλληλοσυνδεόμενο οικοσύστημα χαρακτηρίζεται από συνθέτες τροφικές αλυσίδες πρωτογενών παραγωγών και τελικών καταναλωτών τροφής. Τα χερσαία οικοσυστήματα της περιοχής περιλαμβάνουν αγροτικές καλλιέργειες σε συνδυασμό με ημιφυσικές περιοχές. Η πανίδα της περιοχής δεν περιλαμβάνει σπάνια είδη, ενώ επίσης δεν αποτελεί περιοχή ανάπαυσης μεταναστευτικών πτηνών. Η περιοχή αποτελεί σημαντικό διεθνές ναυτιλιακό πέρασμα λόγω του Δούναβη και της εξόδου στην Μαύρη Θάλασσα.

Η έρευνα επικεντρώθηκε στην εκτίμηση των εκπομπών θερμικών φορτίων από το πυρηνικό εργοστάσιο, με την χρήση δορυφορικών εικόνων και επίγειων ελέγχων για την θερμοκρασία των επιφανειακών νερών του καναλιού Δούναβη-Μαύρης Θάλασσας, καθώς και την ζώνης εισόδου στο ποτάμι του Δούναβη. Οι δορυφορικές φωτογραφίες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι ακόλουθες: Landsat TM 24/07/1998, Landsat ETM 20/08/2002 ; MODIS data of 3/08/2001, 18/03/2002, 16/09/2002 12/06/2003, 12/08/2003, 20/09/2003 , 16/03/2004 ; ASTER data 31/05/2003. Πρόσθετα πραγματοποιήθηκαν και επίγειες μετρήσεις ορισμένων φυσιοχημικών παραμέτρων των νερών, καθώς και η περιεκτικότητα σε βιομάζα. Οι φωτογραφίες επεξεργάστηκαν γεωμετρικά ώστε να μπορούν να συνδεθούν με τοπογραφικούς χάρτες κλίμακας 1:50.000. Επίσης, πραγματοποιήθηκε καλιμπράρισμα τους και ραδιομετρικές διορθώσεις.

4. Μεθοδολογία

Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε χρησιμοποίησε την επεξεργασία δεδομένων από διάφορες δορυφορικές φωτογραφίες με σύγχρονους αλγόριθμους που αναπτύχθηκαν για την παρακολούθηση των θερμικών φορτίων στο υδατικό σύστημα του Δούναβη και του καναλιού της Μαύρης Θάλασσας πλησίον του πυρηνικού εργοστασίου. Τα δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat TM , ETM ,MODIS και ASTER data επεξεργάστηκαν με τα λογισμικά PCI’s EASI/PACE, ENVI 4.1, ILWIS 3.1 και IDL, μετά από τις ατμοσφαιρικές και γεωμετρικές διορθώσεις. Η χρήση διαφορετικών δεκτών είχε ως αποτέλεσμα την καλύτερη εκτίμηση των επιπτώσεων του πυρηνικού εργοστασίου στην θερμοκρασία των νερών του ποταμού. Τα δεδομένα από τα κανάλια του θερμικού υπέρυθρου μπορούν να μετατραπούν σε θερμοκρασίες με τους κατάλληλους μετασχηματισμούς

Για την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε, τα φατνία της στεριάς έλαβαν την τιμή μηδέν, ενώ για το κομμάτι του νερού, χωρίστηκαν στην κατηγορία νερών με φυσιολογική θερμοκρασία (αδιατάρακτων) και σε νερό το οποίο έχει υποστεί θερμοκρασιακή ανύψωση. Εν συνεχεία υπολογίστηκαν οι μέσες θερμοκρασίες για τις δύο αυτές κατηγορίες επιφανειακών νερών, καθώς και η περιοχή εξάπλωσης αυτών.

Η ταξινόμηση των θερμοκρασιών των επιφανειακών νερών πραγματοποιήθηκε με την χρήση 2 προτύπων ταξινόμησης και εν συνεχεία με συνδυασμό τους, με σκοπό το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ταξινόμηση ήταν δυνατή δίχως την χρήση επίγειων πραγματικών δεδομένων. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων κυμάνθηκε από 76 έως και 90%. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των τηλεσκοπικών μεθόδων σε σύγκριση με τους επίγειους ελέγχους είναι το μεγάλο χωρικό και χρονικό εύρος που μπορούν να καλύψουν, καθώς γίνεται παρακολούθηση καθόλη την διάρκεια του έτους, και σε περιοχές ακόμα και εκτός της περιοχής μελέτης.

Οι χάρτες που παρήχθησαν για την θερμοκρασία των επιφανειακών υδάτων από τις δορυφορικές φωτογραφίες, μετά την κατάλληλη στατιστική επεξεργασία περιέχουν λεπτομερείς πληροφορίες για την διακύμανση των θερμοκρασιών στην περιοχή μελέτης.

5. Αποτελέσματα

Η διασπορά της θερμοκρασίας των επιφανειακών υδάτων καταγράφηκε με το θερμικό κανάλι και συσχετίστηκε με μετεωρολογικές παραμέτρους. Πριν από την λειτουργία του σταθμού, μοντέλα προσομοίωσης προέβλεπαν πως το πυρηνικό εργοστάσιο θα επηρέαζε τα νερά σε μια ακτίνα περί τα 5 χιλιόμετρα από αυτό. Στην άμεση περιοχή της μονάδας 1 του εργοστασίου, η θερμοκρασιακή αύξηση μπορεί να φτάσει μέχρι και 9 βαθμούς κελσίου. Κατά την διάρκεια του χειμώνα, η θερμοκρασιακή επιβάρυνση περιορίζεται σε απόσταση λίγων χιλιομέτρων, και η θερμοκρασιακή διαφορά γίνεται περίπου 1,5 βαθμοί. Κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, η περιοχή που επηρεάζεται μεγαλώνει σε περίπου 6 χιλιόμετρα, με την θερμοκρασιακή αύξηση να είναι περίπου 1 βαθμός κελσίου. Οι διαφορές ανάλογα με την εποχή οφείλονται στην κατακόρυφη μίξη του νερού το χειμώνα, και στο φαινόμενο της αναστροφής της θερμοκρασίας το καλοκαίρι.

0000000000000000000000000000000

Πραγματοποιήθηκε ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (PCA) στα αποτελέσματα από τους δορυφόρους Landsat και ΕΤΜ για να διερευνηθούν οι ανωτέρω μεταβολές. Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται η ταξινόμηση που πραγματοποιήθηκε από την εικόνα Landsat της 24/07/1998. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται ο θερμικός χάρτης του ποταμού από την δορυφορική φωτογραφία Landsat ETM της 20/08/2002. Ανάλογες αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν και για τα υπόλοιπα δορυφορικά δεδομένα, όπως από το MODIS της 20/09/2003 (εικόνα 5)

6. Συμπεράσματα

Τα μεγάλα ποσά θερμού νερού που απορρίπτονται μονίμως στο υδάτινο σύστημα της περιοχής του πυρηνικού εργοστασίου είναι ένας σημαντικός αρνητικός παράγοντας, ο οποίος επηρεάζει την θερμική ισορροπία του νερού και οδηγεί σε μη αναστρέψιμες περιβαλλοντικές μεταβολές, με αντίκτυπο στην ανάπτυξη των αλγών και την αύξηση της θερμοκρασίας. Η μεθοδολογία εκτίμησης των ανωτέρω μεταβολών μέσω εφαρμογών τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιούν το θερμικό υπέρυθρο, έδωσε αρκετά ακριβή αποτελέσματα, τα οποία επιβεβαιώθηκαν και από τις επίγειες μετρήσεις. Η χρήση δορυφορικών εικόνων υψηλής ακρίβειας θα μπορούσε δυνητικά να δώσει ακόμη καλύτερα και ακριβέστερα αποτελέσματα, έτσι ώστε να γίνει καλύτερα κατανοητή η διαδικασία διασποράς των θερμικών φορτίων στο υδάτινο σύστημα της περιοχής του πυρηνικού εργοστασίου. Η δυνατότητα αυτή είναι σημαντική, δεδομένου πως προγραμματίζεται τα επόμενα χρόνια η λειτουργία άλλων τεσσάρων μονάδων στο ίδιο σημείο, και επομένως να μπορέσει να γίνει των προτέρων ασφαλέστερη εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.