Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
А. П. Елохин
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2012
УДК 681.327
ББК 31.4н
Е53
Елохин А.П. Автоматизированные системы контроля радиационной обста-
новки окружающей среды: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 316 с.
Рассматривается проблема автоматизированных систем контроля радиационной обстановки окружающей среды (АСКРО) в районе размещения АЭС или других объектов использования атомной энергии (ОИАЭ).
Формулируются основная цель АСКРО и задачи, решение которых позволяет достигнуть указанной цели. Проводится анализ существующих систем радиационного мониторинга окружающей среды, используемых на различных этапах развития систем телеметрии в атомной энергетике. Рассмотрены особенности измерения метеопараметров атмосферы и способы их уточнения, вопросы оценки необходимого и достаточного количества гамма-датчиков АСКРО и обосновывается оптимизации их количества. Формулируются принципы расстановки постов контроля в регионе АЭС, а также принципы и методы определения параметров выброса радиоактивной примеси из вентиляционных труб АЭС.
Дается краткая характеристика приборному обеспечению АСКРО. Рассматриваются перспективные методы дистанционного контроля радиоактивных облаков и их следа на подстилающей поверхности. Формулируются принципы оптимизации прогностических расчетов по оценке радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности при радиационных авариях на АЭС.
Пособие предназначено для студентов, преподавателей технических университетов с ориентацией учебного процесса на развитие атомной промышленности, а также для инженерно-технического персонала АЭС и других ОИАЭ, проходящего курсы повышения квалификации по радиационной безопасности, для инженеров проектных и научных сотрудников научно-исследовательских институтов, ведущих разработки в области развития и использования атомной энергии.
Может быть полезным при изучении курсов, в структуру которых включены вопросы ядерной энергетики и охраны окружающей среды, например, «Безопасность жизнедеятельности», «Прикладная экология».
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. А.И. Ксенофонтов.
ISBN 978-5-7262-1716-1 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие .................................................................................................. |
6 |
Перечень сокращений ................................................................................ |
10 |
Термины и определения ............................................................................. |
11 |
Введение ...................................................................................................... |
18 |
Глава 1. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом ..... |
23 |
1.1. Взаимодействие фотонов с веществом....................................... |
23 |
1.2. Общий характер взаимодействия фотонов с веществом........... |
31 |
Контрольные вопросы и задания ......................................................... |
34 |
Глава 2. Вопросы прохождения фотонного излучения в различных |
|
средах ............................................................................................. |
35 |
2.1. Основные понятия ......................................................................... |
35 |
2.2. Активность радионуклида ............................................................. |
36 |
2.3. Прохождение фотонного излучения в гомогенной среде. |
|
Фактор накопления. Теорема Фано ............................................ |
39 |
2.4. Дозиметрические характеристики поля излучения и единицы |
|
их измерения ................................................................................. |
48 |
2.5. Особенности переноса фотонного излучения вблизи границы |
|
раздела сред воздух–земля ........................................................... |
53 |
Контрольные вопросы и задания ......................................................... |
57 |
Глава 3. Проблемы контроля окружающей среды при эксплуатации |
|
атомных электростанций и других радиационно-опасных |
|
предприятий атомной промышленности и методы |
|
их решения ...................................................................................... |
58 |
3.1. Методы и средства решения задач контроля окружающей |
|
среды в различные этапы развития атомной энергетики ........... |
59 |
3.2. Концепции построения систем автоматизированного контроля |
|
радиационной обстановки окружающей среды .......................... |
61 |
3.3.Методы повышения точности прогностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды
при радиационных авариях ........................................................... |
68 |
Контрольные вопросы и задания ......................................................... |
76 |
Глава 4. Общие принципы построения автоматизированных систем |
|
радиационного мониторинга внешней среды для АЭС............. |
77 |
4.1. Измерение метеопараметров атмосферы и способы |
|
их уточнения .................................................................................. |
77 |
4.2. Оптимизация количества датчиков фотонного излучения |
|
АСКРО ............................................................................................ |
88 |
4.3. Принципы размещения датчиков фотонного излучения |
|
во внешней среде ........................................................................... |
93 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
101 |
3
Глава 5. Методы определения параметров выброса газоаэрозольной |
|
радиоактивной примеси из вентиляционных труб |
|
АЭС .............................................................................................. |
102 |
5.1.Комплект технических средств и условия их размещения
ввентиляционных трубах АЭС при определении параметров
выброса радиоактивной примеси в атмосферу.......................... |
102 |
5.2.Метод оценки мощности выброса инертных радиоактивных газов, выходящих из реактора через его систему пассивной
фильтрации ................................................................................... |
103 |
5.3. Метод оценки мощности выброса газоаэрозольной |
|
радиоактивной примеси из вентиляционных труб АЭС .......... |
118 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
127 |
Глава 6. Методы повышения точности прогностических оценок |
|
радиоактивного загрязнения окружающей среды при |
|
радиационных авариях ............................................................... |
129 |
6.1. Расчет метеопараметров атмосферы .......................................... |
129 |
6.2. Модель переноса радиоактивной примеси в атмосфере .......... |
140 |
6.3. Оценка мощности дозы внешнего облучения ........................... |
144 |
6.4. Оценка уровней радиоактивного загрязнения подстилающей |
|
поверхности ................................................................................. |
147 |
6.5. Оценка мощности дозы внешнего облучения от подстилающей |
|
поверхности ................................................................................. |
151 |
6.6. Оценка дозы при ингаляции ....................................................... |
151 |
6.7. Оценка и уточнение радиационных характеристик |
|
радиоактивного загрязнения окружающей среды .................... |
156 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
161 |
Глава 7. Приборное обеспечение АСКРО........................................... |
163 |
7.1.Датчик определения мощности выброса в вентиляционных |
|
трубах АЭС, основанный на методе регистрации магнитного |
|
поля, создаваемого движущимся ионизированным воздушным |
|
потоком........................................................................................... |
163 |
7.2. Метод повышения чувствительности датчика, определяющего |
|
мощность выброса в вентиляционной трубах АЭС ................... |
178 |
7.3. Экспериментальные и расчетные данные характеристик |
|
высокотемпературного датчика фотонного излучения, |
|
определяющего мощность радиоактивных выбросов АЭС |
|
с реактором, содержащим систему пассивной фильтрации, |
|
в условиях радиационных аварий ................................................ |
182 |
7.4. Безынерционный метод измерения скорости воздушного |
|
потока .............................................................................................. |
210 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
230 |
4
Глава 8. Перспективные методы определения радиационных |
|
характеристик радиоактивного загрязнения подстилающей |
|
поверхности ............................................................................... |
232 |
8.1. Использование радиолокационных станций |
|
для дистанционного определения выбросов АЭС .................. |
233 |
8.2. Определение мощности источника радиоактивных выбросов |
|
по коэффициенту отражения электромагнитных волн ............ |
246 |
8.3. Метод определения концентрации радионуклидов, |
|
распространяющихся в атмосфере, на основе беспилотного |
|
дозиметрического комплекса в условиях радиационных |
|
аварий ............................................................................................ |
274 |
8.4. Метод определения поверхностной активности подстилающей |
|
поверхности в следе радиоактивного облака на основе |
|
беспилотного дозиметрического комплекса в условиях |
|
радиационных аварий ................................................................... |
289 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
303 |
Приложение .............................................................................................. |
303 |
Список литературы ................................................................................... |
306 |
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рост технического прогресса и интенсивное строительство промышленных предприятий сопровождается, к сожалению, увеличением промышленных выбросов, загрязняющих окружающую среду. Развитие атомной энергетики и связанных с нею производств также затрагивает проблему загрязнения внешней среды, которая резко обостряется в условиях радиационных аварий. Поэтому одной из наиболее актуальных проблем атомной энергетики является повышение радиационной безопасности действующих АЭС, связанных с ними производств атомной промышленности и других объектов использования атомной энергии (ОИАЭ).
Даже при хорошо отработанной (бесконтактной с внешней средой) технологии производства существует определенная вероятность радиационной аварии и радиоактивного загрязнения внешней среды. Убедительными примерами могут служить радиационные аварии, произошедшие в различное время:
на химкомбинате НПО «Маяк» (Челябинская область, СССР) 29 сентября 1957 г., где в результате взрыва емкости с радиоактивными отходами тысячи квадратных километров были загрязнены радиоактивными аэрозолями. Подхваченное ветром, радиоактивное облако разнеслось по площади более 20 тыс. км² Челябинской, Свердловской и Тюменской областей. Территория, подвергшаяся радиоактивному загрязнению в результате аварии, позднее получила название «Восточно-Уральский радиоактивный след» (ВУРС). Этот след существует до сих пор. В 1957 г. в зоне ВУРС проживали 270 тыс. человек. До середины 1970-х гг. информация об аварии тщательно скрывалась. Тогда с карт исчезли названия более 30 деревень. Но жители некоторых из них …остались;
на заводе Селлафильд (Уиндскейл, Великобритания) 10 октября 1957 г., где во время профилактических работ на одном из реакторов, производящем плутоний для британского ядерного оружия, загорелись три тонны урана. В результате пожара также произошел выброс радиоактивных аэрозолей. Радиоактивное облако накрыло половину Европы: часть достигла Норвегии, другая часть – Швейцарии. Последствия аварии тщательно скрывались. Только по истечении 30 лет стали известны некоторые подробности;
6
на АЭС «Tree Mile Island» (штат Пенсильвания, США) 28 марта 1979 г. из-за ошибок персонала произошло частичное расплавление активной зоны реактора. Это вызвало выброс радиоактивных газов в атмосферу и жидких радиоактивных отходов в реку Сукуахана;
на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Эта авария характеризовалась значительным выходом радионуклидов в атмосферу, большими площадями радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности с эвакуацией населения из 30 – км зоны на Украине. Сильно загрязненными зонами также оказались некоторые районы Гомельской и Могилевской областей Белоруссии и Брянской области России, которые расположены примерно в 200 км от АЭС, причем плотность загрязнения по цезию в ряде населенных пунктов этих областей составила более 40 Ки на квадратный километр (Ки/км2). Еще одна, северо-восточная зона, расположена в 500 км от АЭС, в нее входят некоторые районы Калужской, Тульской и Орловской областей. Плотности загрязнения здесь были ниже, и, как правило, не превышали 15 Ки/км2;
на заводе по переработке ядерного топлива Tokaimura (неподалеку от Токио, Япония) 30 сентября 1999 г., где по вине сотрудников предприятия началась неуправляемая ядерная реакция, которую не удалось вовремя остановить. Прилегающие районы подверглись сильному радиоактивному заражению. Двое сотрудников предприятия погибли. Более 400 человек получили сильные дозы радиации.
Эти примеры показывают, что задача радиационного контроля внешней среды, осуществляемая автоматизированной системой контроля радиационной обстановки (АСКРО), действительно, является важной и актуальной, причем настолько, что без сдачи в эксплуатацию АСКРО на атомной станции не дают разрешение даже на физпуск.
Цель предлагаемого учебного пособия состоит в том, чтобы познакомить читателей с современными методами проектирования и разработки оптимизированных автоматизированных систем контроля радиационной обстановки (АСКРО), осуществляющих радиационный контроль окружающей среды вокруг атомных электростанций и других ОИАЭ.
В представленном учебном пособии рассматривается проблема автоматизированных систем контроля радиационной обстановки окружающей среды (радиационного мониторинга) в районе размещения АЭС или других ОИАЭ, основы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, а также термины и определения дозиметрических характеристик полей излучений.
Формулируются основная цель АСКРО и задачи, решение которых позволяет достигнуть указанной цели. Проводится анализ существующих систем радиационного мониторинга окружающей среды, используемых на различных этапах развития систем телеметрии в атомной энергетике. Рас-
7
смотрены особенности измерения метеопараметров атмосферы и способы их уточнения. Рассматриваются вопросы оценки необходимого и достаточного количества гамма-датчиков АСКРО и обосновывается оптимизации их количества. Формулируются принципы расстановки постов контроля в регионе АЭС, а также принципы и методы определения параметров выброса радиоактивной примеси из вентиляционных труб АЭС.
Рассматривается метод оценки величины мощности выброса инертных радиоактивных газов, осуществляемого через выходные патрубки системы пассивной фильтрации межоболочечного пространства в рамках проектов реакторов ВВЭР-1500, АЭС-2006, а также мощности газоаэрозольных радиоактивных выбросов, осуществляемых через вентиляционные трубы АЭС.
Дается краткая характеристика приборному обеспечению АСКРО. Показано, что использование проточной и непроточной ионизационных камер, которые располагаются либо в выходных патрубках системы пассивной фильтрации межоболочечного пространства реактора, либо в вентиляционных трубах АЭС, а также ксенонового гамма-детектора, для оценки величины мощности выбросов позволяет получать информацию о последней в режиме реального времени (on-line).
Рассматриваются перспективные методы дистанционного контроля радиоактивных облаков и их следа на подстилающей поверхности.
Формулируются принципы оптимизации прогностических расчетов по оценке радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности при радиационных авариях на АЭС.
Учебное пособие состоит из предисловия, введения, терминов и определений, наиболее характерных для задач радиационного мониторинга окружающей среды, перечня сокращений и 8 глав текста. Список литературы составлен в соответствии с главами.
В главе 1 рассматриваются вопросы взаимодействия фотонного излучения с веществом; в главе 2 – вопросы переноса фотонного излучения в различных средах, дозиметрические характеристики поля излучения и их единицы измерения. Главе 3 посвящена проблемам контроля окружающей среды при экплуатции атомных электростанций и других радиацион- но-опасных предприятий атомной промышленности и методам их решения. В главе 4 рассматриваются общие принципы построения автоматизированных систем радиационного мониторинга внешней среды для АЭС. В главе 5 рассматриваются методы определения параметров выброса газоаэрзольной радиоактивной примеси из вентиляционных труб АЭС. Главе 6 посвящена вопросам повышения точности прогностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды при радиационных авариях. Глава 7 посвящена вопросу приборного обеспечения АСКРО. В главе 8 рассматриваются перспективные методы определения радиационных
8
характеристик радиоактивного загрязнения воздушной среды и подстилающей поверхности.
Учебное пособие подготовлено на основе курса лекций, читавшихся автором в течении ряда лет в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» на кафедре «Автоматика». Материал книги рассчитан на читателя, знакомого с атомной и ядерной физикой, с эффектами взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и методами регистрации ионизирующих излучений. Поэтому указанные вопросы затронуты лишь в степени, необходимой для понимания соответствующих разделов курса. Более подробно изложены вопросы разделов курса, касающихся переноса радиоактивной примеси в атмосфре и перспективных методов оценки уровней радиоактивного загрязнения окружающей среды.
Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей технических университетов с ориентацией учебного процесса на развитие атомной промышленности, а также для инженерно-технического персонала АЭС и других ОИАЭ, проходящего курсы повышения квалификации по радиационной безопасности. Для инженеров проектных и научных сотрудников научно-исследовательских институтов, ведущих разработки в области развития и использования атомной энергии.
Пользуясь случаем, автор выражает искреннюю благодарность рецензенту – кандидату физико-математических наук, доценту НИЯУ МИФИ Ксенофонтову А.И. за ценные советы по улучшению содержания книги и устранению ряда ее недостатков, а также своим коллегам – сотрудникам лаборатории «Анализ радиационных последствий аварий» отдела радиационной безопасности НТЦ ЯРБ, оказавшим неоценимую техническую помощь в подготовке рукописи.
9
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
АСКРО − автоматизированная система контроля радиационной обстановки (окружающей среды);
АСРК − автоматизированная система радиационного контроля; БДК − беспилотный (радиоуправляемый) дозиметрический ком-
плекс; ДМРВ − датчик мощности радиоактивных выбросов;
ОИАЭ – объект использования атомной энергии;
ПС |
− |
программное средство; |
ПО |
– |
программное обеспечение; |
РЛС |
− радиолокационная станция; |
|
PВ |
– |
мощность выброса радиоактивной примеси. |
10