Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

а с удалением от датчика погрешность может возрастать. Чтобы проверить это предположение или доказать его несостоятельность для заданного на оси следа выброса распределения мощности дозы внешнего облучения проводили перерасчет, нормируясь на значение мощности дозы из указанного распределения при соответствующих значений абсциссы x для y = 0.

Результаты расчетов представлены в табл. 6.4. Анализ данных таблицы показывает, что при нормировке на показания датчиков, расположенных как на малых (№ 3, 5), так и на больших (№ 8, 9) расстояниях от источника функция распределения мощности дозы

внешнего облучения D′( X ) практически не изменяется (погреш-

ность расчета составляет не более 1 %). Последнее говорит о том, что нормировка на показания датчиков, расположенных как на промплощадке, так и в СЗЗ или зоне наблюдения, практически дает одно и то же распределение, что указывает на отсутствие необходимости установки дополнительных детекторов в зоне наблюдения и уж совершенно однозначно – на отсутствие экономической целесообразности их установки, хотя, несомненно, установка датчиков в населенных пунктах в рамках демографического принципа их расстановки при проведении корректной нормировки не ухудшит результатов прогностических оценок радиоактивного загрязнения окружающей среды при радиационных авариях на радиационноопасных предприятиях.

Контрольные вопросы и задания

1.Какой характер имеет воздушный поток при своем распростране-

нии?

2.Какую роль играют модели приземного и пограничного слоев атмосферы в задачах прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды при радиационных авариях на ОИАЭ? Назовите характерные отличия этих моделей.

3.Что такое масштаб приземного, пограничного слоев атмосферы? Каковы их характерные размеры?

4.Что вы понимаете под метеопараметрами атмосферы?

161

5.Какие два главных параметра необходимо знать, чтобы определить зависимости скорости ветра и коэффициента турбулентной диффузии как функции высоты?

6.Как называется и к какому типу относится уравнение, описывающее перенос субстанции (например, радиоактивной примеси) в атмосфере?

7.Пусть в результате радиационной аварии в атмосферу поступило N радионуклидов с различными периодами полураспада. Какое допущение позволяет проводить расчеты переноса радиоактивной примеси, не прибегая каждый раз к решению уравнения для каждого радионуклида?

8.Дайте определения и укажите, какие возможности дают среднеэффективные значения энергии фотонов, постоянной распада и периода полураспада фотонного излучения радионуклидов при решении задач переноса радиоактивной примеси в атмосфере и оценки радиоактивного загрязнения окружающей среды? В чем заключается недостаток такого подхода.

9.В чем заключается физический смысл метода уточнения величины мощности выброса радиоактивной примеси в атмосферу? Какие величины должны быть использованы, чтобы получить оценку характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды не хуже 15–25 %?

162

Глава 7. ПРИБОРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСКРО

7.1Датчик определения мощности выброса

ввентиляционных трубах АЭС, основанный на методе регистрации магнитного поля, создаваемого

движущимся ионизированным воздушным потоком

Одним из наиболее важных параметров, который характеризует загрязнение окружающей среды радиоактивной примесью (радиоактивными газами, аэрозолями), поступающей в атмосферу при выбросах из вентиляционных труб АЭС и других предприятий атомной промышленности, является мощность выброса PВ [Ки/с], определяемая как произведение секундного расхода вентиляционной трубы G [см3/с] на объемную активность Q0 [Ки/смэ]. Этот параметр при штатной работе АЭС, проектных и запроектных авариях в случае использования автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) должен оцениваться в автоматическом режиме.

В настоящее время секундный расход находят как сумму расхода отдельных вентиляционных систем, входящих в нее, что является неудобной и дорогостоящей процедурой при автоматизации измерения расхода. Объемную активность примеси в автоматическом режиме измеряют аспирационными установками типа «Калина», радионуклидный состав штатных выбросов в соответствии с технологическим регламентом – в лабораторных условиях. Если зависимость скорости газового потока в вентиляционной трубе как функция радиуса известна, то, нормируя функцию скорости на значение, измеренное в точке, т.е. определяя скорость в абсолютных единицах, расход можно найти как интеграл от скорости потока по сечению трубы при постоянной плотности, а объемную активность

– по мощности дозы, создаваемой радиоактивной примесью. Таким образом, если с помощью датчика можно измерить ско-

рость воздушного потока в некоторой точке вентиляционной трубы и мощность дозы β, фотонного излучения радиоактивной примеси, то поставленная задача может быть успешно решена. Автором разработана конструкция такого датчика и способ определения мощности выброса радиоактивной примеси, в основе которого лежит

163

измерение индукционного и ионизационного токов, создаваемых ионизированным газовым (воздушным) потоком, движущимся в поперечном (относительно направления скорости потока) электрическом поле межэлектродного промежутка канала датчика (рис. 7.1). В этой главе рассматрим теорию метода и приведем результаты измерения индукционного и ионизационного токов как функции скорости воздушного потока или внешнего напряжения, демонстрирующие работу датчика.

Рис. 7.1. Принципиальная схема конструкции датчика для измерения скорости и мощности дозы радиоактивного воздушного потока в вентиляционных трубах АЭС: 1 – измерительный канал (корпус); 2 – электроды; 3 – индукционная катушка (соленоид); 4 – прибор для регистрации индукционного тока; 5 – магнитный экран; 6 – источник переменного напряжения; 7 – блок регистрации ионизационного тока

Физическая сущность метода заключается в следующем [1,2]. Датчик помещают в ионизированный воздушный поток, образующийся в вентиляционной трубе в результате ионизации воздуха радиоактивной газоаэрозольной примесью, поступающей в вентиляционной трубу из вентиляционных систем АЭС. Поступая в рабочий объем ионизационной камеры, поток ионов разделяется в электрическом поле межэлектродного промежутка и создает электрический ток, причем в приэлектродных областях концентрация ионов одного знака значительно больше противоположного. Но поскольку продольный воздушный поток в вентиляционной трубе увлекает и ионы, постольку он создает продольную составляющую их скорости, определяющей продольный ток, который в свою очередь возбуждает магнитное поле, имеющее максимальное значение в центре между электродами. При подаче на электроды импульсного униполярного напряжения в межэлектродном промежутке будет

164

возникать импульсный ток, регистрируемый внешним устройством. При постоянной или медленно меняющейся скорости воздушного потока импульсный продольный ток индуцирует переменное магнитное поле, которое регистрируется соленоидом, размещенным в центре межэлектродного промежутка. Рассмотрим более подробно принцип работы датчика.

7.1.1. Теория метода

Пусть газовый поток, содержащий радиоактивную примесь, движется в вентиляционной трубе со скоростью U0 и поступает в измерительный канал между двумя электродами, на которые подается напряжение V0. С учетом эффекта прилипания электронов, возникающих в результате ионизации воздуха, к атомам и молекулам кислорода можно считать, что заряд переносится только ионами, для которых выполняется условие зарядового равновесия

L∫0 q+ (xdx) = L∫0 q− (xdx). При выполнении условия |Е0| D/μqLd, где

0 0

Е0 – напряженность внешнего поля в межэлектродном промежутке; D, Ld – коэффициент диффузии ионов и диффузионная длина соответственно; μq – подвижность ионов, диффузионным током ионов можно пренебречь. Кроме того, если U0 Vдр = μqE0 = μqV0/L, где Vдр – дрейфовая скорость ионов; L0 – межэлектродное расстояние, в межэлектродном промежутке течет дрейфовый ионизационный ток и за время t > τ = L0/μqE0 устанавливается стационарное распределение заряда в соответствии с решением системы уравнений:

165

где Dγ′,β – мощность дозы ионизирующего излучения, обусловлен-

ная как γ-, так и β-излучением радиоактивной примеси, Р/с; GI – радиационный выход носителей заряда, (Р см3)-1; Kр – коэффициент рекомбинации зарядов, см3/с; Е, Eвн – напряженность эффективного поля и поля, обусловленного пространственным зарядом соответственно, В/см; q+, q– – концентрация положительных и отрицательных зарядов соответственно, см-3; ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85 10-14 Ф/см; ε – диэлектрическая проницаемость среды; μ+, μ– – подвижность положительных и отрицательных ионов, см2/(В.с). Из системы уравнений (7.1)–(7.4) при μ+ = μ– = μq с учетом результатов работы [3] получаем Kp = 2eμq/εε0 и после несложных преобразований имеем следующее уравнение для напряженности эффективного электрического поля:

где С, С3 – постоянные интегрирования.

Если положить, что E(x) слабо изменяется относительно E на интервале [0,L0], то u мала, что дает возможность пренебречь величиной u2 в знаменателе левой части (7.10), а числитель разложить

по малому параметру: u +C ≈ C (C +u2C ) . Вычисляя, получим уравнение

166

решение Кардано которого [5] позволяет найти E(x) как функцию x:

где

Распределение концентраций носителей заряда будет определяться выражениями (7.8), (7.9).

На рис. 7.2 и 7.3 приведено распределение концентрации отрицательных ионов и напряженности эффективного электрического поля.

Распределение положительных ионов симметрично относительно прямой x = 2. Если ограничиться малыми значениями мощности дозы, при которых имеет место неравенство

следующее из условия E02 >> 3bL02/5, то решение (7.12) можно линеаризовать:

что упростит вычисление мощности дозы по измеряемому ионизационному току, среднее значение которого с учетом условия зарядового равновесия и при нулевой скорости воздушного потока равно

где Sn = Ll; L, l – ширина и длина электрода соответственно. Значе-

ние iион при Dγ,β = 0,1 Р/с, E0= 100 В/cм, L = L0 = 2 см, l = 10 см, μq = = 1 см2/В с составляет 7 10-9 А.

167

Из рис. 7.2 и 7.3 следует, что отличие концентрации носителей зарядов, рассчитанных при использовании уравнений (7.12) и (7.14), наблюдается лишь в приэлектродных областях и растет с увеличением мощности дозы, при котором расчет по формуле (7.14) дает завышенную оценку. Спад поля в центре межэлектродного промежутка обусловлен экранированием заряда, возрастание на периферии – избыточным внутренним полем, увеличивающимся с ростом мощности дозы (концентрации заряда). Для радиоактивной примеси, состоящей из смеси N радионуклидов, являющихся γ- и β-активными со средними значениями Kγ и энергии β-излучения, соответственно равными:

где Kγ,i – суммарная γ-постоянная i-го нуклида; Eβ,i – эффективная

энергия β-излучения i-гo нуклида; Qi – активность i-го нуклида, суммарная мощность дозы Dγ,β, создаваемая обоими компонентами в воздухе, при расположении датчика в устье вентиляционной трубы и выполнении неравенства H/r0 ≥ 10, где H – высота трубы; r0 – ее внутренний радиус, равна

Dγ,β = Q010−34πKγr0 f1 (k, p,μ0 ,r0 ) +Q0 0.23 106 Eβ, (7.16)

где Q0 – объемная активность радиоактивной примеси, Ки/см3. Множитель Q0 10-34πKγr0 в первом слагаемом уравнения (7.16) представляет собой мощность дозы от непоглощающего (μ0r0 = 0) источника (цилиндра, заполненного радиоактивным газом), а самопоглощение в источнике учитывает функция f1(k, p, H0, r0) где k, p – безразмерные параметры [6]. Второе слагаемое в уравнении (7.16) оценивает мощность дозы, создаваемую β-излучением [7]. Определяя Dγ,β, объемную активность Q0 из формулы (7.16) находят как

Из характера распределения заряда (см. рис. 7.2) ясно, что наибольший вклад в ток продольного переноса вносят заряды, располагающиеся в приэлектродных областях. Это позволяет аппроксимировать ток продольного переноса носителей заряда в виде плоских ленточных токов, сосредоточенных в точках

169

При выполнении неравенства

l >Umax L0 μq E0 > lmin ≈ 3(x0− − x0+ ),

где Umax – максимально допустимая скорость воздушного потока в вентиляционной трубе, «ленточные» токи можно считать бесконечными. Помещая систему координат, как показано на рис. 7.4, и определяя в ней плотность такого тока выражением

где U = f(U0) – средняя скорость воздушного потока в канале датчика; δ(x) – дельта-функция; η(у) – единичная функция, магнитное поле, создаваемое бесконечным ленточным током, найдем по формуле

Рис. 7.4. Геометрия расчета магнитного поля «ленточного» тока, создаваемого продольным

переносом положительных ионов

Раскрывая векторное произведение в подынтегральном выражении (7.18) и вычисляя компоненты магнитного поля Hx, Hy в точке M(x1, y1) для плотности тока, создаваемого положительными ионами, находим:

170