Радиометрическая система для дистанционного детектирования повышенной радиоактивности в атмосфере, выбрасываемой предприятиями ЯТЦ

Предложен оригинальный метод дистанционного мониторинга радиоактивных выбросов предприятий ядер-но-топливного цикла (ЯТЦ) по вторичным проявлениям в атмосфере. Раскрыты и выявлены проблемы дистанционного обнаружения аварийных атмосферных выбросов предприятий ЯТЦ. Представлены технические параметры радиометрического комплекса.

Кл. сл. : выбросы, радиоактивность, мониторинг, радиометр

ВВЕДЕНИЕ                   годы станут рекордными по вводу в строй энерго блоков АЭС [5, 6].

Актуальность данного исследования заключается в том, что за последние три десятилетия произошло значительное количество аварий и инцидентов (около двухсот), связанных с предприятиями ядерно-топливного цикла (ЯТЦ). Список наиболее серьезных радиационных аварий от 4-го до 7-го уровней по шкале INES (International Nuclear Event Scale — Международная шкала ядерных событий) включает в себя такие, как атомный комплекс "Селафилд" (Великобритания), АЭС (атомная электростанция) "Три-Майл-Айленд" (США), Чернобыльская АЭС (СССР), АЭС "Фукусима-1" (Япония) и т. п. [1–4]. В результате радиационных аварий в атмосферу Земли было выброшено огромное количество радиоактивного материала, общий объем которого сложно корректно оценить. Длительным периодом полураспада характеризуются основные радионуклиды РБГ (радиоактивные благородные газы), выбрасываемые в атмосферу. В течение продолжительного времени зараженная территория непригодна для проживания человека и ведения сельского хозяйства. Поэтому первостепенной задачей является оперативное оповещение населения в зоне возможного риска радиоактивного загрязнения. Таким образом, одной из важнейших задач дистанционного детектирования радиоактивных выбросов предприятий ЯТЦ является своевременное обнаружение повышенной концентрации радионуклидов в стационарных атмосферных выбросах, а также прогностический мониторинг распространения радиоактивного шлейфа выброса в режиме реального времени. Необходимо также обратить внимание на тот факт, что, несмотря на аварии и инциденты, связанные с атомной энергетикой, последующие

Существующие системы мониторинга радиационного фона основаны на сети стационарных постóв, расположенных в пределах территорий предприятий на уровне дыхания (2 м над поверхностью земли), на трубах и крышах прилегающих зданий. Как правило, эти системы измеряют гамма-излучение в районе расположения станции. По данным [7], на Северском химическом комбинате произведено обновление автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСК-РО), позволяющей измерять не только метеорологические параметры, но и проводить спектрометрический анализ радионуклидного состава выбросов. В среднем данные обновляются один раз в час, что не позволяет рассматривать такую систему как работающую в режиме реального времени, поскольку радиоактивный выброс распространяется со средней скоростью ветра порядка 5 км/ч. Учитывая скорость и направление ветра, радиоактивное облако может опуститься на территории прилегающего населенного пункта. Ограниченность измерений пространственных параметров радиоактивных выбросов АСКРО приводит к вполне понятным выводам: необходима комплексная система дистанционного мониторинга распространения радиоактивных атмосферных выбросов в режиме реального времени [8, 9].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В основе широко применяемых сцинтилляционных счетчиков и гамма-спектрометров лежат не косвенные, а прямые методы. С их помощью обеспечивается контроль радиационной обстанов- ки, основанный на измерениях интенсивности гамма-излучения. Однако их низкая разрешающая способность и недостаточная чувствительность не позволяют проводить измерения с расстояний более 200 м. Другие типы ионизирующих излучений, такие как альфа и бета, обладают значительно меньшей проникающей способностью и не могут быть зарегистрированы дистанционно [10].

Проведенный обзор настоящих методов и приборов регистрации повышенной радиоактивности в атмосфере представлен в табл. 1 [11–13].

Как видно из таблицы, данные методы не позволяют проводить измерения на расстояниях свыше 10 км, не обладают необходимыми пространственным разрешением и мобильностью, а также весьма зависимы от условий окружающей среды.

В этой связи наиболее перспективными выглядят косвенные дистанционные методы детектирования повышенной радиоактивности в атмосфере.

Такие методы основаны на вторичном проявлении радиоактивности в окружающей среде, т. е. в результате радиоактивного выброса в атмосферу бета-радионуклидов в ней образуется повышенная концентрация электронов распада. Сами электроны и их тормозное излучение инициируют фотохимические реакции, в результате которых появляются так называемые "маркеры" (атомы и молекулы) повышенной радиоактивности. По излучению этих нетипичных для стандартной атмосферы атомов и молекул можно судить о наличии в выбросе повышенной концентрации радионуклидов. Подробные расчеты представлены в работе [14]. Таким образом, целью работы является исследование возможностей и разработка дистанционного метода детектирования радиоактивных выбросов предприятий ЯТЦ в режиме реального времени на частотах маркеров спонтанного излучения атомарного водорода (Н) и гидроксила (ОН) 1420 и 1665–1667 МГц соответственно.

Табл. 1. Методы и приборы регистрации повышенной радиоактивности в атмосфере

Методы и приборы	Дальность, км	Недостатки
Сцинтилляционные датчики, гамма-спектрометры	—	Не является дистанционным
Лазерно-оптические методы	10	Зависимость от метеоусловий
Метод лазерно-индуцированной флуоресценции, основан на измерении и интерпретации спектров флуоресценции, индуцированной в объекте при его освещении монохроматическим излучением	1	Возможно применение для UO2
Оптико-акустические методы: основаны на генерации акустических волн при поглощении лазерного излучения	0.01–0.1	Низкая чувствительность во время работы в реальном режиме времени
Метод диодной лазерной спектроскопии, основанный на измерении поглощения облучаемого вещества	10	Применяется для детектирования UF 6 , требует дополнительной информации, например, о размерах радиоактивного облака
Метод лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии, основаный на образовании лазерной искры	0.25	Времязатратный
Пассивные методы: основаны на проявлении вторичных излучений из радиоактивного облака	30	Возможно определить только общее количество (Бк) выброшенной радиоактивности

РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ...

Структурная схема приемного устройства.

1 — антенна; 2 — облучатель; 3 — поворотное устройство; 4 — переключатель; 5 — коммутатор; 6 — малошумящий усилитель; 7 — фильтр; 8, 12 — гетеродины; 9, 13 — частотные преобразователи (ЧП); 10 — высокочастотный усилитель; 11 — генератор опорного напряжения; 14 — фильтр ПУ ПЧ; 15 — УПЧ; 16 — НЧ-субблок обработки сигнала

ПРЕДЛОЖЕНИЯ, РЕКОМЕНДАЦИИ И ВЫВОДЫ

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в создании автоматизированных систем более высокой степени оперативности мониторинга и оценки пространственного распределения, направления распространения стационарных и аварийных атмосферных радиоактивных выбросов. Предложенный метод измерения мощности излучения на частотах 1420 и 1665– 1667 МГц в сочетании и с учетом конкретных метеоусловий позволит прогнозировать уровень радиоактивного загрязнения в исследуемой зоне и может служить в качестве дополнительного критерия при принятии управленческих решений в случае аварийного выброса. Исследован вопрос о предельных значениях расстояния между радиоприемным устройством и источником радиоактивного загрязнения объемом 10 км3; диаметром антенны, принимающей сигнал. Результаты могут быть использованы для решения обратной задачи оценки активности выброса по интенсивности излучения атомарного водорода [15].

Созданный в ИОА СО РАН макет радиометра с использованием параболической антенны диаметром 1.6 метра с диаграммой направленности 9.8º позволил уверенно регистрировать излучение на расстоянии ∼ 25 км на частоте 1420 МГц из шлейфа выброса РХЗ, работающего в штатном режиме. Структурная схема макета радиометра представлена на рисунке. Реализация такой схемы позволит проводить измерения более автоматизированно и точно.

Технические характеристики микроволнового радиометра указаны в табл. 2.

Табл. 2. Технические характеристики микроволнового радиометра

Что характеризуется	Характеристика	Значение
Параболическая антенна	Диаметр, м	1.8
	Угол раскрыва, град	67
Ширина диаграммы направленности:	в Е-плоскости, град	9.8
	в Н-плоскости, град	9.2
Коэффициент:	шума МШУ, дБ	0.85
	свободной волны напряжения МШУ	1.6
Полоса пропускания, кГц		10
Выходной температурный дрейф, мВ/°С		( Т ~ 18–40 °С) ≤ 0.4
Чувствительность измерений, Вт		9.3∙10–19

Параболическая антенна имеет диаметр 1.6 м и угол раскрывания 10°, что позволяет получить необходимое усиление (до 20 дБ). У поворотного устройства угол сканирования по азимуту — от 0 до 180° и по углу места — от 0 до 90°. Зависимость шумовой температуры параболической антенны ( Т ш.а ) от угла места изменяется от 21 до 50 К при изменении угла места от 90 до 0°.

В работе [16] показано, что мощность излучения на частоте 1420 МГц из шлейфа выброса АЭС для штатного и аварийных режимов работы отличается на один порядок величины, или в 10 раз. Таким образом, появляется дополнительный критерий при принятии управленческих решений в случае аварийного выброса .

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-60115 мол_а_дк.