Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

виями осуществлялось стандартной программой, основанной на методе Рунге–Кутта. Результаты расчетов модуля коэффициента отражения ||R|| = u2 + v2 как функции длины волны λ приведены на рис. 8.17. На рис. 8.17, а приведена расчетная зависимость ||R|| = = f(λ), а на рис. 8.17, б приведено сравнение расчетной зависимости ||R|| = f(λ) с экспериментальной, заданной в виде эффективной пло-

щади рассеяния σэпр( ), непосредственно определяемой из уравнения радиолокации для сантиметрового диапазона длин волн [1].

Рис. 8.17. Зависимость модуля коэффициента отражения ||R|| от длины волны (а) и сравнение результатов (б) расчета автора (1) и экспериментальных данных работы [1] (2)

271

Как следует из приведенной зависимости расчетные и экспериментальные данные имеют один и тот же характер – рост модуля коэффициента отражения с ростом длины волны. Из рис. 8.17, а следует, что наиболее эффективным диапазоном длин волн, в котором величина ||R|| быстро возрастает, является диапазон от 1 до 10 м.

В заключение найдем зависимость коэффициента отражения R от ионизированного слоя, возникновение которого обусловлено радиоактивным загрязнением подстилающей поверхности с поверхностной плотностью q0, предполагая ее величиной постоянной.

Основываясь на том, что фронт радиального распределения ионов, представленный на рис. 8.11, имеет достаточно резкий характер, воспользуемся представлением коэффициента отражения в виде скачка производной на границе раздела воздушной среды и ио-

производную от концентрации заряженных капель из уравнений (8.32), (8.33), ограничиваясь только членами химической кинетики, при условии Nk+ ≈ Nk− и N0+ ≈ N0− = N0± :

(Nk± )2 + Nk±N0± − N0± (kcp Nks + kcn Nng )2kr = 0.

Полагая N0± = G Hkr , при небольших мощностях доз, т.е. при

272

Записывая выражение для мощности дозы от диска с равномерно распределенными по поверхности точечными изотропными источниками с удельной активностью q0 и гамма-постоянной Kγ [33] и представляя его в виде H(r, z) = Kϕ(r, z) при z = z0 (z0 – фиксированно), для |R| получаем:

грязнения. Из последнего следует, что коэффициент отражения прямо пропорционален корню четвертой степени из плотности поверхностного радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности q0, что и позволяет по измеренным |R| и другим параметрам атмосферы определить эту величину [34–36]. Нетрудно показать, что при выполнении условия (8.58) зависимость коэффициента отражения от мощности выброса Pв объемного источника выбросов также пропорциональна корню четвертой степени из Pв (R ~(Pв)1/4), а в общем случае эта зависимость с учетом температурновлажностного режима пограничного слоя атмосферы будет иметь степенной характер: R ~ (Pв) , где 0,25 ≤ ≤ 0,5. Аналогичная зависимость будет иметь место и относительно плотности поверхностного загрязнения q0.

Таким образом, решение рассмотренной выше задачи дает возможность непосредственно сформулировать метод дистанционного определения радиационных характеристик радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности, сводящийся к проведе-

нию измерений следующих параметров в регионе:

1)относительной влажности D %;

2)спектрального состава фотонного излучения радиоактивной примеси или радионуклидного состава радиоактивной примеси

(для определения величин Kγ);

3) температуры Т, давления P (для вычисления концентрации водных капель в единичном объеме

273

N = 3DPнас( (T) )μ V , k 4πr3ρ T RT ед

вычисления коэффициента захвата kс (8.31) и вычисления концентрации Nk±). Следует также иметь ввиду, что подвижности аэроионов и их коэффициенты диффузии тоже зависят от температуры D±

=kTμ±/e, где k – постоянная Больцмана [14];

4)вертикальной скорости воздушного потока U0 (величина U0 в формулу (8.59) непосредственно не входит, но если производную

dN ±k /dr определять исходя из расчетной концентрации, т.е. на ос-

новании решения уравнений переноса ионов, то эту величину также необходимо измерять);

5) коэффициента отражения электромагнитной волны – величине, непосредственно измеряемой РЛС |R| или эффективной площади рассеяния σэпр (из основного уравнения радиолокации).

Проведенные измерения далее позволяют оценить плотность поверхностного загрязнения подстилающей поверхности или мощность выброса объемной активности. Несомненно, что реальное воплощение методики потребует внесения поправочных коэффициентов, но в целом, основу методики должны определять указанные измерения параметров.

8.3. Метод определения концентрации радионуклидов, распространяющихся в атмосфере, на основе беспилотного дозиметрического комплекса

в условиях радиационных аварий

Анализ эффективности систем радиационного мониторинга АЭС показывает, что эффективность подобных систем определяется наличием специального дозиметрического и спектрометрического оборудования, точностью прогнозирования радиационных нагрузок на население, погрешностью определения уровней радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности в условиях радиационных аварий, а также уровнем принятия решений, определяющих оптимизацию последствий радиационных аварий. Кроме того, в условиях запроектных аварий возникает необходимость визуального анализа источников выброса радиоактивной примеси в атмосферу, чего невозможно достичь при отсутствии систем ви-

274

деонаблюдения, а также специального дозиметрического и спектрометрического оборудования. С целью устранения подобных недостатков и решения такого рода проблем предлагается мобильный дозиметрический комплекс, содержащий две видеокамеры; гаммадетектор с диапазоном измерения от 0,1 мкЗв/ч до 10 Зв/ч и спектрометрический датчик, показания которых выводятся на экран монитора оператора в режиме on-line, установленные на беспилотном радиоуправляемом носителе типа вертолета рис. 8.18 [37,38].

Рис. 8.18. Принципиальная схема размещения на носителе γ-детекторов дозиметрической разведки, обеспечивающих определение концентрации радионуклиов в воздухе

Работа комплекса основана на измерении спектра и мощности дозы фотонного излучения, создаваемого радионуклидами, распространяющимися в воздухе в виде ИРГ и аэрозолей. Спектр фотонного излучения измеряют цилиндрической ионизационной камерой с экранирующей сеткой, наполненной сжатым ксеноном (рис. 8.19) [39].

Мощность дозы измеряют штатным датчиком типа УДМГ. После обработки приборного спектра (рис. 8.20) получают амплитудное распределение семейства “монолиний” (рис. 8.21), каждая из которых характеризуется амплитудой A(Ei) по шкале амплитуд и энергией по шкале энергий (см. рис. 5.9). Амплитудное распределение обработанного спектра характеризуется также и полушириной пика Ei, измеряемой на его полувысоте. Ниже повторим ме-

275

тод определения абсолютной величины концентрации газоаэрозольной радиоактивной примеси, определяемой с помощью беспилотного дозиметрического комплекса (БДК), частично рассмотренный в гл.5.

Рис. 8.19. Общая схема ксенонового γ-спектрометра [39]:

1 – зарядочувствительный усилитель; 2 – вентиль; 3 – высоковольтный источник питания; 4 – металлокерамический гермоввод; 5 – ионизационная камера;

6 – экранирующая сетка; 7 – тепловая изоляция; 8 – корпус-катод; 9 – внешний герметичный кожух

Рис. 8.20. Измеренный спектр γ-источника 133Ba [39]

276

При этих условиях вес нуклида в примеси при ограниченном времени счета (для осуществления передачи информации в режиме on-line) найдем как отношение:

Запишем выражение для мощности дозы фотонного излучения, создаваемой радионуклидом с энергией Ei с квантовым выходом νi в точке расположения детектора фотонного излучения [40].

D′(x, y, z, Ei ) =1,458 103 γ(Ei )Eiν(Ei )×

где γ(Ei ),μ(Ei ) – коэффициенты поглощения и линейного ослабления фотонного излучения соответственно; B(Ei , R) – дозовый

фактор накопления фотонного излучения в гомогенной среде (воздухе); R – радиус-вектор, проведенный из элементарного источника

dV в точку детектирования, R = (x − x0 )2 +( y − y0 )2 +(z − z0 )2 ;

x0 , y0 , z0 – координаты точки детектирования из области интегрирования V; x, y, z – текущие координаты.

Если в пределах пробега фотона считать, что пространственное распределение радиоактивной примеси любого нуклида имеет один и тот же характер f(x, y, z), то вес pi не будет зависеть от координа-

Это утверждение справедливо для небольших расстояний от источника выбросов, когда радиоактивная примесь любого дисперсного состава еще находится в воздухе сразу после выброса, и на очень больших расстояниях от источника, когда тяжелые примеси уже осели.

278

где pi определено формулами (8.63), (8.68), а распределение f(x, y, z) задается либо аналитическим, либо численным решением уравнения переноса примеси в атмосфере.

Следует обратить внимание, что вес pi (относительная величина концентрации радиоактивной примеси в смеси) определяется через амплитудное распределение спектрального состава нуклидов (8.63) и через концентрацию радиоактивной примеси в воздухе (8.68). Очевидно, что в любом случае значения pi, полученные тем или иным образом, должны быть одинаковы. Но значение величины Q0, определяемой формулой (8.69), и аналогичная ей величина, определяемая знаменателем формулы (8.63), могут различаться, поскольку, например, увеличение времени счета может привести к изменению амплитудных характеристик приборного и обработанного спектров фотонного излучения, а концентрация примеси при стационарных условиях ее распространения в атмосфере должна оставаться неизменной. Поэтому для определения Q0 целесообразно воспользоваться некоторыми интегральными характеристиками радиоактивной примеси, распространяющейся в воздушной среде, которые выражались бы непосредственно через концентрацию радиоактивной примеси.

Воспользуемся выражением для мощности дозы фотонного излучения, регистрируемой γ-детектором, например УДМГ, и для определения величины Q0 подставляем (8.70) в (8.65):

D′(x, y, z, Ei ) =1,458 103 γ(Ei )Eiν(Ei )β(Ei )Q0 pi ×

279

где β(Ei ) – энергетическая чувствительность гамма детектора, оп-

ределяемая экспериментально. Если каждый нуклид характеризуется своей энергией фотонного излучения, то мощность дозы смеси будет определяться суммой:

Вычисляя интеграл в правой части равенства (8.71), и, подставляя в левую его часть показание детектора фотонного излучения, находим величину

Кроме того, если ограничить область интегрирования сферической поверхностью с центром, в котором находится детектор, то, полагая, что газоаэрозольная примесь равномерно распределена по

объему шара радиусом R ≈1 μ(Eγ =1,0 МэВ), т.е. f (x, y, z) = = f (x, y, z) ≡const и принимая фактор накопления для гомогенной

среды (воздуха) в виде формулы Бергера [41], нетрудно вычислить интеграл в знаменателе формулы (8.72), вынося за знак интеграла

Неравномерность распределения концентрации газоаэрозольной примеси может быть обусловлена двумя причинами: 1) разбавлением концентрации примеси при переносе ее по ветру (по горизонтали) в атмосфере; 2) неравномерностью, связанной с различием в дисперсном составе примеси, обуславливающей различие в гравитационной скорости ее оседания. От первого мы избавляемся, ограничиваясь R=1/μ, а во втором случае считаем примесь однородной по дисперсному составу. В противном случае нам нужны оперативные измерения (в режиме on-line) дисперсного состава примеси, что в настоящий момент трудно обеспечить технически.

280