Разработка радиометрических систем и методов полевых и дистанционных измерений радиоактивного загрязнения
Скачать 0.62 Mb.
|
На правах рукописи ПОТАПОВ Виктор Николаевич Разработка радиометрических систем и методов полевых и дистанционных измерений радиоактивного загрязнения Специальность 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва – 2010 Работа выполнена в Российском научном центре «Курчатовский институт» Официальные оппоненты: д.т.н. Б.А. Бенецкий, ИЯИ РАН д.ф-м.н. И.М. Капитонов, НИИЯФ МГУ д.т.н. В.Т. Самосадный, НИЯУ МИФИ Ведущая организация: ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк, Московская область Защита состоится «_____» _________________________ 2010 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН Автореферат разослан «____» ______________________ 2010 года. Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.119.01 к.ф.-м.н. Б.А. Тулупов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В процессе становления и отработки технологий, используемых на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) бывшего СССР, были загрязнены пойменные ландшафты рек: Течи, Исети, Енисея, Томи. Так, например, в результате имевших место радиационных аварий и инцидентов на объектах ПО «Маяк» к концу 1960-х гг. произошло радиоактивное загрязнение не только территории промышленной площадки, санитарно-защитной зоны вокруг предприятия, но и части территорий Челябинской, Свердловской и Курганской областей. Наибольшие радиоэкологические и радиологические последствия имели сбросы ЖРО в Течу и авария 1957 г. – взрыв емкости-хранилища РАО (Восточно-Уральский радиоактивный след). В результате только аварии 1957 г. в окружающую среду (за пределами промплощадки) поступило около 2 МКи. В 1949–1956 гг. жидкие радиоактивные отходы радиохимического производства сбрасывались непосредственно в малую реку Теча. В результате испытаний ядерного оружия в 60-х годах на поверхности земли северного полушария присутствует большое количество радиоактивных веществ, определяющее так называемое глобальное фоновое загрязнение. К 1986 году (до Чернобыльской аварии) общая активность 137Cs и 90Sr, находившаяся на территории северного полушария, составила десятки МКи. Авария на ЧАЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г., по масштабам радиоактивного загрязнения окружающей среды превзошла все предшествующие радиационные инциденты. На основе аэрогамма-съемки и наземных обследований были созданы и изданы карты загрязнения Европейской части России радионуклидами 137Cs, 90Sr и 239Pu. Наиболее загрязненными в России являются Брянская (11 800 км2 загрязненных территорий), Калужская (4 900 км2), Тульская (11 600 км2) и Орловская (8 900 км2) области. Радиоактивное загрязнение рек и озер обусловлено, главным образом, смывом радионуклидов с поверхности почвы территории водосбора, причем влияние смыва особо ощутимо в зонах, загрязненных после аварий на ЧАЭС и ПО "Маяк". Однако, загрязнение воды и донных отложений практически во всех реках и водоемах России не представляет опасности для водопользования, т.к. в целом происходит довольно интенсивный процесс самоочищения поверхностных вод и донных отложений. Радиоэкологическая обстановка загрязненных территорий является важным элементом системы радиационной безопасности. Как правило, радиоэкологические работы включают в себя детальное картирование уровней загрязнения и проведение систематических наблюдений за радиационной обстановкой. Очевидно, что выполнять исследования наземных и водных экосистем необходимо с использованием современных подходов и методов, которые требуют постоянного совершенствования и развития. Анализ потребления энергии в мире показывает, что в ближайшие десятилетия глобальное производство энергии может быть увеличено в 2 – 3 раза, поэтому на первое место выходит вопрос о сырьевом ресурсе топлива. Ядерная энергетика способна к расширенному воспроизводству топлива, что обеспечивает ее неисчерпаемыми ресурсами при замкнутости топливного цикла и, по-видимому, приведет к крупномасштабному использованию атомной энергии в будущем. Однако наращивание ядерных мощностей требует обеспечения ядерной и радиационной безопасности на всех этапах жизненного цикла ядерных установок. Это относится и к конечной стадии жизненного цикла ядерных установок – их выводу из эксплуатации и обращению с радиоактивными отходами, образующимися в процессе работы ядерных объектов. В результате многолетней производственной деятельности научно-исследовательских центров страны, обладающих ядерно-техническими установками, также накопилось большое количество радиоактивных отходов, которые помещались в специально сооруженные временные хранилища. Все эти события и процессы привели к изменению радиоэкологической обстановки на некоторых территориях страны, которые требуют, в зависимости от ситуации, проведения обследования загрязненных территорий или осуществления реабилитационных работ, радиационного контроля или вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии. Цель и задачи исследования. Для проведения широкомасштабного обследования загрязненных территорий, повышения эффективности реабилитационных работ на объектах использования атомной энергии потребовалась разработка приборов, систем и новых методов измерений. Такие средства и методы должны не только обеспечить эффективное и безопасное проведение работ по реабилитации, но также сделать обследование загрязненных территорий оперативным, дешевым, т.е. экономически целесообразным. В аварийных ситуациях, например, таких как обследование центрального зала IV блока ЧАЭС, для уменьшения вредного воздействия на персонал должны применяться дистанционные методы измерений и мониторинга ионизирующего излучения, аппаратные и программные средства, позволяющие оценивать радиационную обстановку, давать оценку активности распределенных источников излучения, определять их изотопный состав и другие характеристики. Совершенствование и обновление технологий, используемых при выполнении работ по выводу из эксплуатации ядерных реакторов, требуют развития новых технических решений с применением более совершенных методов и средств радиационных измерений. Подобные средства также должны обеспечивать получение различного вида информации (визуальной, графической или цифровой) в реальном масштабе времени в виде, удобном для дальнейшего использования, обеспечивать повышение чувствительности и оперативности измерений, осуществлять прогноз радиационной обстановки в различных рабочих или аварийных ситуациях. Объекты и предмет исследования. Авария 1986 г. на ЧАЭС явилась крупнейшим радиационным инцидентом прошлого столетия и привела к разрушению объектов IV блока и крупномасштабным радиоактивным загрязнениям окружающей среды. Ряд территорий Брянской области оказался в зоне высокого уровня загрязнения, что привело даже к отселению жителей некоторых населенных пунктов. Для таких населенных пунктов требовалось детальное обследование на предмет определения как уровней, так и характера их загрязнения, что позволило бы дать оценку путей и способов реабилитационных мероприятий на этих территориях. Вопросы обследования являлись актуальными и для разрушенных объектов IV блока ЧАЭС. Эти чернобыльские объекты в силу своей специфики тоже нуждались в обследовании с использованием нестандартных приборов и систем радиационного контроля, что потребовало их разработки. Они оказались востребованными и при выполнении других работ, в частности, при ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов. Пойменные участки рек Течи и Енисея, загрязненные в результате сброса в их гидросистему радиоактивных отходов предприятиями ЯТЦ, являются объектами постоянного радиоэкологического мониторинга, для обследования которых также необходимы разработка методов и создание на их основе приборов оперативного измерения радиоактивных загрязнений. РНЦ «Курчатовский институт» – один из крупнейших научно-исследовательских центров страны, обладает комплексом ядерно-физических установок. Экспериментальная база РНЦ «Курчатовский институт» состояла из 12 исследовательских установок с реакторами различного типа, 19 критических стендов и других радиационно опасных объектов, включая горячие лаборатории, облучательные установки, временные хранилища ядерного топлива и радиоактивных отходов. В результате многолетней производственной деятельности на его территории накопилось значительное количество радиоактивных отходов, которые направлялись во временные хранилища, расположенные на территории центра. Эти временные хранилища отходов образовались на начальном этапе работ института, и по современным меркам они не соответствовали нормам и правилам радиационной безопасности. С развитием Москвы территория института оказалась со всех сторон окруженной жилой застройкой и площадки с размещением хранилищ оказались расположенными в нескольких десятках метров от жилых домов. В рамках проекта «Реабилитация» в 2002-2007 годах были проведены работы по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов на территории института. В настоящее время в РНЦ «Курчатовский институт» продолжают эксплуатироваться шесть из двенадцати реакторных установок. Остальные шесть остановлены для вывода из эксплуатации и частично или полностью демонтированы. В рамках работ по Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности России на 2008 год и на период до 2015г.» осуществляется вывод из эксплуатации многоцелевого петлевого материаловедческого реактора МР, одного из наиболее сложных ядерных объектов. Другой важной и актуальной задачей является радиационное обследование объектов топливного цикла. В 2007-2008 гг. специалистами РНЦ «Курчатовский институт» были проведены обследования радиоактивно загрязненных объектов и территории Кирово-Чепецкого химического комбината (КЧХК), на котором осуществлялась переработка уранового сырья. Загрязнение территории и производственных объектов происходило на ранних стадиях отработки технологии переработки гекса- и тетрафторида урана. Радионуклидное загрязнение любого объекта или территории проще всего обнаружить по регистрации гамма-излучения. Трудности обследования объектов и территории КЧХК заключались в том, что их загрязнение было обусловлено, в основном, мелкодисперсной фракцией неравновесного урана. Уран и его ближайшие дочерние радионуклиды (торий и протактиний), находящиеся с ним в равновесии, либо не являются гамма-излучающими, либо выход гамма-квантов на распад у них очень мал. Поэтому в этих ситуациях требуется развитие новых методов и подходов при радиационном обследовании подобных объектов. Методы исследований. Традиционными методами обследования загрязненных радионуклидами территорий являются авиационная гамма-съемка (аэрогамма-съемка), метод пробоотбора и методы полевой радиометрии. Аэрогамма-съемка широко используется при обследовании загрязненных территорий. Начиная с середины 50-х годов, аэрогамма-съемка использовалась при обследовании территорий, прилегающих к полигонам испытания ядерного оружия. Так, например, в 1956 г. была проведена аэрогамма-съемка прилегающих к Семипалатинскому полигону районов на расстояниях до 500 км от центра опытного поля, аналогичные исследования проводились при испытаниях на Новой Земле и позже – после аварии на ЧАЭС. И в настоящее время этот метод широко используется в ведущих научных и научно-производственных организациях и структурах и совершенствуется на базе развития новых приборных средств. Авиационная гамма-съемка имеет ряд достоинств и предназначена, в основном, для проведения крупномасштабных измерений огромных территорий, загрязненных в результате испытаний ядерного оружия или аварийных инцидентов. Однако для обследования загрязнения населенных пунктов, пойменных участков рек аэрогамма-съемка не всегда подходит, т.к. пространственное разрешение этого метода невысокое и недостаточное для получения детальной информации, необходимой для проведения реабилитационных мероприятий на этих территориях. Методы полевой радиометрии тоже применяются при обследовании загрязненных радионуклидами территорий. Недостатком ранее известных методик полевой гамма-радиометрии была необходимость получения предварительной дополнительной информации о характере заглубления радионуклидов в почве в окрестности 10-15 м от спектрометрического детектора, расположенного на высоте ~1м над поверхностью почвы. Здесь предполагалось осуществление процедуры отбора пробы с последующим спектрометрическим анализом ее на предмет оценки характера распределения радионуклидов по глубине, для того чтобы учитывать самопоглощение излучения заглубленных в почве радионуклидов. Для этого предполагается наличие мобильного передвижного спектрометрического комплекса, с помощью которого в полевых условиях (in-situ) осуществлялись бы процедура отбора пробы и ее анализ. Это обстоятельство делало этот подход трудоемким и неэффективным. Поэтому развитие методов полевой радиометрии, которые обеспечивали бы измерения в полевых условиях без какой-либо предварительной информации о характере заглубления радионуклидов в почве, – актуальная задача при проведении обследований загрязненных территорий населенных пунктов, пойменных участков рек и т.п. Метод пробоотбора является классическим способом определения характеристик загрязнения почвы. Как правило, традиционным является измерение активности гамма-излучающих радионуклидов счетных образцов почвы спектрометрическими полупроводниковыми или сцинтилляционными детекторами в геометриях сосуда Маринелли, «геологического кольца» или «Дента». Метод пробоотбора включает в себя три этапа: 1 – отбор проб (счетных образцов) на местности; 2 – радиохимическое выделение и концентрирование определяемого радионуклида (при необходимости); 3 – спектрометрический анализ счетных образцов и определение активности находящихся в них радионуклидов. Такой подход является достаточно трудоемким, требующим длительного времени и достаточно дорогостоящим. Наиболее ярким примером этого может быть определение 90Sr, являющегося b-излучающим радионуклидом, требующим радиохимического выделения из исследуемых образцов. 90Sr занимает особое место из-за своей высокой подвижности в водной и почвенных средах. Являясь химическим аналогом стабильного кальция, 90Sr может через пищевые цепочки попадать в организм человека и накапливаться в костных тканях (90Sr – остеотропный радионуклид), что делает его достаточно опасным с радиологической точки зрения. Это обстоятельство требует постоянного контроля над содержанием 90Sr в почве и воде на загрязненных территориях. Альтернативой традиционным радиохимическим методам может служить радиометрический метод определения содержания 90Sr. Основным недостатком радиометрического метода является его низкая чувствительность, однако он вполне конкурентно способен, если измеряемые уровни активности 90Sr выше предела его чувствительности. При эксплуатации различных ядерных реакторов возникает необходимость определения радиационных характеристик ОЯТ как в процессе пребывания его в реакторе, так и в процессе хранения после выгрузки. Знание радиационных характеристик ОЯТ также важно при его транспортировке и утилизации, при радиохимической и металлургической переработке ТВЭЛов. Поскольку ОЯТ представляет собой высокоактивный материал, обращение с которым не позволяет проводить какие-либо операции по оценке его характеристик разрушающими методами, перспективным представляется применение спектрометрического метода, относящегося к методам неразрушающего анализа. Основой спектрометрического метода является измерение аппаратурного спектра излучения как материалов самого ядерного топлива, так и продуктов деления. Для этих целей необходимо использовать спектрометрическую аппаратуру высокого разрешения, т.к. в облученном топливе могут содержаться радионуклиды со сложным спектром излучения, требующие предварительной идентификации для количественной оценки. Однако получение аппаратурного спектра является необходимым, но не достаточным условием для определения характеристик топлива. Как правило, нужна дополнительная информация (значения различных калибровочных констант, необходимых зависимостей и т.д.), позволяющая по результатам спектрометрических измерений получать количественную оценку основных характеристик облученного топлива (глубины выгорания, времени выдержки, величины обогащения и т.д.). Такая дополнительная информация может быть получена расчетным путем с использованием метода Монте-Карло для условий реальной геометрии спектрометрического измерения. Метод Монте-Карло порой является единственным способом получения дополнительной информации, т.к. создание эквивалентного калибровочного источника либо не представляется возможным, либо не является универсальным в силу постоянно изменяющейся геометрии измерения (изменение формы, размера, структуры источника излучения). Поэтому использование метода Монте-Карло позволяет существенно расширить возможности спектрометрического способа оценки характеристик ОЯТ. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Пояснительная записка на курсовой проект по дисциплине «Разработка... Целью данной работы является разработка программы для автоматизации проектирования систем молниезащиты на базе сапр компас 3D, с... |  | Руководство по методам полевых и лабораторных исследований снежного... Руководство по методам полевых и лабораторных исследований снежного покрова для изучения Закономерностей длительного загрязнения... |
| Методическая разработка Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... | | Программа bde administrator 28 Обязательной является разработка вопросов системного анализа объектов проектирования, оптимизации и выбора наилучших вариантов решений,... |
| Разработка урока с использованием новых педагогических технологий... Игра «Кто хочет стать миллионером» по информатике с использованием системы Learningapps org», 7 класс | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Основные типы радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Последовательный радиоактивный распад |
| Разработка моделей и Методов мониторинга сервис-ориентированных информационных систем Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Разработка и исследование моделей устойчивых систем инерциальной навигации Работа выполнена в лаборатории прецизионных оптических методов Института автоматики и процессов управления дво ран |
| Разработка методов контроля систем электрохимической защиты магистральных... Использование интерактивной доски Smart Board и программного обеспечения Notebook | | Методические рекомендации по изучению дисциплины «теория измерений... Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... |
| Реферат на тему: Шумы приемно-усилительных устройств на полевых транзисторах Вследствие этого коэффициент шума полевых транзисторов может иметь очень малую величину, менее | | Отчет о научно-исследовательской работе разработка методов макроэкономической... «Разработка методов макроэкономической оценки расходов федерального бюджета», шифр темы 0111-03-09 |
| Программа дисциплины сд. 03. Разработка Интернет-приложений Рекомендуется... Целью дисциплины является изучение основных понятий и методов теории информации и кодирования, используемых при описании, проектировании... | | Материалы для самостоятельной работы по дисциплине Введение Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Государственная... |
| Материалы для самостоятельной работы по дисциплине Введение Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Государственная... | | Разработка методов информационной защиты в экономических информационных... Динамическая эквивалентность как способ преодоления различий в национальных картинах мира |
