СПОСОБ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ РАДИАЦИОННОГО ФОНА В МЕСТАХ СТАЦИОНАРНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR PHYSICAL MODELING DYNAMIC STATES OF RADIATION BACKGROUND IN LOCATIONS OF STATIONARY IONIZING RADIATION DETECTORS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области ядерной техники, использующей облучение с помощью приспособлений для относительного перемещения источников ионизирующего излучения по отношению к стационарно размещенным детекторам ионизирующего излучения.
Уровень техники
С начала ХХ века и по настоящий день использование радиоактивных веществ и источников ионизирующего облучения непрерывно возрастает, расширяется спектр хозяйственных отраслей, применяющих радиоактивные вещества и источники ионизирующего излучения.
Как показывает опыт, эксплуатация радиоактивных веществ, источников ионизирующего излучения и хранение радиоактивных отходов неразрывно связаны с риском возникновения чрезвычайных ситуаций. Причинами аварий, происходящих на предприятиях, использующих источники ионизирующего излучения, являются как технологические неисправности оборудования, так и ошибочные действия персонала, а также многофакторное воздействие стихийных бедствий.
К числу наиболее тяжелых радиационных аварий относятся: авария на АЭС в Уиндскейле (Великобритания, 1957 г.), аварии и последствия деятельности производственного объединения "Маяк" (Россия, 1957 г., 1967 г.), аварии на Чернобыльской АЭС (Украина, 1986 г.) и АЭС «Фукусима-Дайичи» (Япония, 2011 г.).
Тяжелые аварии на радиационно опасных объектах могут сопровождаются выбросом/сбросом смеси радиоактивных веществ в окружающую среду, в результате чего формируется радиоактивное облако в атмосфере или слой в водном объекте. В дальнейшем облако/слой распространяется по ветру или течению и может сопровождаться существенными радиоактивными выпадениями аэрозолей (за счет гравитации - «сухие осаждения» либо за счет вымывания с осадками - «влажные и мокрые осаждения») на земную поверхность или дно водного объекта. В зависимости от внешних условий и аэрозольного состава выброса/сброса осаждения могут составлять до нескольких процентов от суммарной активности смеси радиоактивных веществ, попавших в окружающую среду при чрезвычайной ситуации (Ю.А. Израэль. Радиоактивные выпадения после ядерных взрывов и аварий. СПб., Прогресс-Погода, 1996).
Статьей 5 (п. 1 подпункты d, е и f) международной Конвенции об оперативном оповещении о ядерной аварии, принятой 26 сентября 1986 года на специальной сессии Генеральной конференции Международного агентства по атомной энергии, установлено требование предоставления информации об общих характеристиках радиоактивного выброса, о существующих и прогнозируемых метеорологических и гидрологических условиях, необходимых для прогнозирования трансграничного выброса радиоактивных веществ, и результаты мониторинга окружающей среды, относящиеся к трансграничному выбросу радиоактивных веществ.
Рядом авторов научно обоснована необходимость создания систем непрерывного радиационного мониторинга (Михоя Э., Минагоси А., Сато X. Система радиационного мониторинга окружающей среды. - Атомная техника за рубежом, №11, 1998, с. 21-25.; Васильев А.В., Липовский Д.Д., Денисеня Ю.А. Необходимость создания систем непрерывного мониторинга для обеспечения радиационной безопасности. - АНРИ, №2, Доза, 2009, с. 68-71).
В целях обеспечения радиационной безопасности населения России создана (Постановление Правительства Российской Федерации от 10 июля 2014 г. №639) и развивается единая государственная автоматизированная система мониторинга радиационной обстановки на территории Российской Федерации (далее - система мониторинга) и ее функциональных подсистем.
Система мониторинга и ее функциональные подсистем - это сложный комплекс разных, по уровню технического исполнения и метрологического обеспечения автоматизированных систем, включая государственную систему наблюдений и локальные системы наблюдений в районах размещения ядерных установок, радиационных источников или пунктах хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ, пунктах хранения, хранилищах радиоактивных отходов на особых территориях (санитарно-защитные зоны и зоны наблюдения), которые эксплуатируются независимыми друг от друга организациями.
В результате возникает потребность в объективной оценке готовности сил и средств системы радиационного мониторинга и ее функциональных подсистем к реагированию на различные условия изменения радиационной обстановки.
Существует несколько подходов (способов) в оценке готовности систем радиационного мониторинга и ее функциональных подсистем.
Первый способ - оценка готовности осуществляется посредством применения методов математического моделирования (например, в работах Васильева А.В., Денисеня Ю.А. Исследование динамики сбора и передачи данных мобильными комплексами радиационной разведки с помощью имитационной математической модели - АНРИ, №1, Доза, 2015, с. 62-69; Садовников Р.Н., Бойко А.Ю., Васильев А.В. Планирование режима разведки в районе аварийного выброса радиоактивных веществ с учетом метеорологических условий формирования загрязнения местности - АНРИ, №2, 2011, с. 54-61). С помощью математических моделей осуществляется имитация источника радиоактивного загрязнения имитация формирования радиоактивного загрязнения местности, моделирование методов выявления радиоэкологической обстановки, имитация сбора и передачи данных и далее интерпретация результатов моделирования. Результаты моделирования сравниваются с паспортными характеристиками средств измерений, технических систем и устройств с измерительными функциями. В случае если результаты моделирования расходятся с паспортными характеристиками, принимается решение о неполной готовности системы мониторинга к реагированию на чрезвычайные ситуации радиационного характера. К достоинствам методов математического моделирования можно отнести их возможность использовать минимум технических средств и возможность обучения персонала на основе игровых виртуальных сценариев развития чрезвычайных радиологических ситуаций. К недостаткам относятся трудоемкость и сложность учета всех метрологических особенностей компонентов системы мониторинга и соответственно некоторое абстрагирование от конкретных реализаций технических систем и устройств с измерительными свойствами.
Второй способ - проведение предварительных (перед началом работы) испытаний с использованием образцового источника излучения, например цезия-137 (Труды ИБРАЭ РАН / Под общ. ред. чл.-кор. РАН Л.А. Большова; Ин-т проблем безопасного развития атомной энергетики РАН. Вып. 15: Развитие систем аварийного реагирования и радиационного мониторинга / Науч. ред. Р.Ф. Арутюнян. - М: Наука, 2014. - 315 c: ил. - ISBN 978-5-02-039111-6) либо с использованием тест-образца (например, патент RU 2243542 С2 Тест-образец для радиационного контроля, 27.12.2004 г.) или встраивание генератора полезного сигнала в измерительные схемы систем мониторинга и ее функциональных подсистем (например, патент RU 2183024 С1 Активная система радиационного мониторинга, 27.05.2002 г.). Основной задачей второго способа является проверка работоспособности систем мониторинга и ее функциональных подсистем. Недостатком реализации второго способа является то, что оценивается работоспособность отдельных компонентов (датчика, устройства обработки сигнала, средств передачи данных, специального программного обеспечения и т.д.) систем мониторинга и ее функциональных подсистем в строго определенных режимах без учета внешних условий.
Третий способ - это осуществление физического моделирования условий, которые обеспечивают радиационное воздействие на исследуемый объект. Из существующего уровня техники известны следующие решения:
- SU 1444990 А1 (опубликовано 20.12.2000 г.) Способ формирования радиационных полей предлагает создавать равномерное дозное поле посредством ротации источника ионизирующего излучения вокруг плоского объекта;
- RU 2413960 С1 (опубликовано 18.08.2009 г.) Способ натурных радиационных испытаний технических средств радиационной разведки с использованием равномерного поля ионизирующего излучения предлагает проводить натурные испытания средств радиационной разведки путем создания равномерного поля мощностей доз ионизирующего излучения с динамически изменяемыми параметрами на основе точечных источников гамма-излучения с применением ослабляющих фильтров специальной конфигурации для повышения степени равномерности поля ионизирующего излучения;
- RU 2488182 С1 (опубликовано 20.07.2013 г.) Способ моделирования комплексного радиационного воздействия на объект исследования использует сформированный импульсный гамма-нейтронный поток и поток импульсного тормозного излучения на фоне предварительно образованного низкоинтенсивного гамма-нейтронного излучения с целью проверки радиационной стойкости облучаемых объектов.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является RU 2133631 С1 (опубликовано 27.07.1999 г.) Устройство для моделирования теплового потока сложного радиационно-конвективного состава (прототип), которое моделирует воздействие облучения на образец посредством изменения интенсивности радиационно-конвективного потока и регулирования соотношения энергетических составляющих. Изменение интенсивности радиационно-конвективного потока и регулирование соотношения энергетических составляющих достигается с помощью панели радиационного потока, размещенной на направляющих, расположенных на основной плите, для перемещения в направлении образца и источника теплового потока.
Основным недостатком известных решений является отсутствие динамической связи между характером облучения объекта и факторами окружающей среды, в которых находится облучаемый объект.
При проведении патентных исследований был осуществлен анализ около 4 тысяч результатов выборки патентов по запросу к базам данных российских патентов RUPATABRU и RUPAT Федерального института промышленной собственности (ФИПС) Роспатента, содержащим ключевые слова "радиоакт*" или "радиац*" в наименовании патента.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на решение задач по определению готовности систем радиационного мониторинга и ее функциональных подсистем к реагированию на чрезвычайные ситуации, связанных с выбросом/сбросом радиоактивных веществ в окружающую среду.
Данная задача решается за счет того, что заявленный способ физического моделирования динамических состояний радиационного фона, включающий один или более источников ионизирующего излучения, которые осуществляют поступательно-возвратное движение с выстоем вблизи стационарно установленного детектора ионизирующих излучений, отличающийся тем, что поступательное движение к детектору ионизирующих излучений производят со скоростью, пропорциональной фактически регистрируемой скорости ветра/течения в зоне, контролируемой детектором ионизирующего излучения, время выстоя каждого источника ионизирующего излучения определяют в зависимости от установленных параметров изменения радиационного фона, а возврат в исходное состояние каждого из источников ионизирующего излучения производят либо со скоростью пропорциональной фактически регистрируемой скорости ветра/течения в зоне, контролируемой детектором ионизирующего излучения, либо со скоростью, которую определяют в зависимости от установленных параметров изменения радиационного фона.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность воссоздавать условия изменения радиационного фона обусловленные прохождением радиоактивного облака или сброса в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения системы радиационного мониторинга.
Возможно физическое моделирование следующих ситуаций изменения радиационного фона:
для наземных стационарных постов систем радиационного мониторинга -
- прохождение радиоактивного облака, содержащего гамма-излучающие радионуклиды, после которого не наблюдается формирование наземного радиоактивного следа в районе размещения стационарного поста системы радиационного мониторинга;
- прохождение радиоактивного облака, содержащего гамма-излучающие радионуклиды, вследствие которого наблюдается наземное поверхностное загрязнение гамма-излучающими радионуклидами района размещения стационарного поста системы радиационного мониторинга.
для стационарных постов систем радиационного мониторинга на водных объектах -
- прохождение жидких масс радиоактивного сброса, содержащего гамма-излучающие радионуклиды, после которых не наблюдается формирование донного радиоактивного загрязнения;
- прохождение жидких масс радиоактивного сброса, содержащего гамма-излучающие радионуклиды, в результате которого наблюдается осаждение гамма-излучающих радионуклидов на дне водного объекта в месте размещения стационарного поста системы радиационного мониторинга.
Физическое моделирование изменения состояния радиационного фона осуществляют в отличие от известных технических решений устройством физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, состоящим из одного или более источников ионизирующего излучения, двигателей, обеспечивающих их возвратно-поступательное движение, блоков управления двигателями, задающих режим работы двигателей, программно-аппаратного обеспечения обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями, контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений, измерителя параметров ветра или скорости течения, отличающимся тем, что с целью обеспечения работоспособности стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений систем радиационного мониторинга, местоположение выстоя источников ионизирующего излучения определяют на основании данных контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений по критерию достижения контрольного уровня облучения стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений, не превышающего предельно допустимое облучение для данного типа детектора ионизирующих излучений.
В целях обеспечения радиационной безопасности персонала источники ионизирующего излучения помещают в коллиматоры, телесный угол которых направлен на стационарно размещенный детектор ионизирующего излучения систем радиационного мониторинга.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков устройства, является возможность обеспечить радиационную безопасность персонала и работоспособность детекторов ионизирующего излучения системы радиационного мониторинга при воссоздании условий изменения радиационного фона, обусловленное прохождением радиоактивного облака или сброса в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения системы радиационного мониторинга.
Источники ионизирующего излучения предназначены для имитации изменения радиационного фона при прохождении радиоактивного облака или жидких масс радиоактивного сброса (перемещение примесей радиоактивных веществ в атмосфере или в водном объекте) в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения.
Активность одного из источников ионизирующего излучения больше суммарной активности двух других. Источник ионизирующего излучения с наибольшей активностью используется для моделирования перемещения радиоактивного облака или радиоактивных жидких масс сброса, содержащих радиоактивные газообразные/растворенные и мелкодисперсные примеси.
Источники ионизирующего излучения меньшей активности предназначают для имитации радиоактивных выпадений/осаждений вблизи места размещения детектора ионизирующих излучений стационарного поста системы радиационного мониторинга. Один из источников ионизирующего излучения меньшей активности используют для имитации радиоактивных выпадений/осаждений короткоживущих радионуклидов, а другой - для имитации радиоактивных выпадений/осаждений долгоживущих радионуклидов.
Каждый из источников ионизирующего излучения содержит собственный набор образцовых радиоактивных изотопов, которые создают энергетическое распределение ионизирующего излучения, характерное для определенных стадий выбранной модели изменения радиационного фона.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная кинематическая схема способа и устройства физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, на фиг. 2 - положение источников ионизирующего излучения устройства физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, моделирующих максимальное изменение радиационного фона, на фиг. 3 - положение источников ионизирующего излучения устройства физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, моделирующих состояние радиационного фона, связанного с выпадениями/осаждениями радионуклидов с различными периодами полураспада, на фиг. 4 - положение источников ионизирующего излучения устройства физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, моделирующих состояние радиационного фона, связанного с выпадениями/осаждениями долгоживущих радионуклидов.
Осуществление изобретения
Устройство (фиг. 1) состоит из трех источников ионизирующего излучения (позиции 1, 2, 3), размещенных на направляющих, двигателей (позиции 4, 5, 6), контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений (позиция 7), измерителя скорости ветра/течения (позиция 8), блоков управления двигателями (позиции 9, 10, 11) и программно-аппаратного обеспечения обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями (позиция 12).
Направляющие и источники ионизирующего излучения составляют кинематические пары, посредством которых осуществляется прямолинейное поступательно-возвратное движение с выстоем в одном крайнем положении.
Прямолинейное поступательно-возвратное движение источников ионизирующего излучения обеспечивается работой двигателей (позиции 4, 5, 6), которые управляются независимыми блоками управления двигателями (позиции 9, 10, 11). Команды блокам управления двигателями поступают от программно-аппаратного обеспечения обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями (позиция 12).
Программно-аппаратное обеспечение обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями (позиция 12) формирует управляющие команды по поступательному перемещению источников ионизирующего излучения (позиции 1, 2, 3) на основании данных, получаемых от измерителя скорости ветра/течения (позиция 8).
Программно-аппаратного обеспечение обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями (позиция 12) формирует управляющие команды на выстой источников ионизирующего излучения в крайнем положении на основании данных контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений (позиция 7) по условию непревышения предельно допустимого облучения стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений (позиция 13), вблизи которого производится моделирование изменения радиационного фона, и с учетом запрограммированной модели изменения радиационной обстановки.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы устройства:
- задают модель изменения радиационного фона вблизи стационарно размещенного детектора ионизирующего излучения (позиция 13);
- определяют технические и эксплуатационные характеристики стационарно размещенного детектора ионизирующего излучения (позиция 13), например предельно допустимое облучение и т.п.;
- производят программную настройку программно-аппаратного обеспечения обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями (позиция 12), которая соответствует заданной модели изменения радиационного фона вблизи стационарно размещенного детектора ионизирующего излучения (позиция 13);
- в непосредственной близости места стационарного размещения детектора ионизирующего излучения (позиция 13) устанавливают контрольно-измерительное устройство детектирования ионизирующих излучений (позиция 7), которое осуществляет контроль уровня облучения с целью соблюдения предельно допустимого облучения стационарно размещенного детектора ионизирующего излучения и соответственно обеспечивает работоспособность стационарно размещенного детектора ионизирующего излучения;
- в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения, устанавливают измеритель скорости ветра/течения;
- свободные концы направляющих помещают вблизи места стационарного размещения детектора ионизирующего излучения (позиция 13).
Физическое моделирование динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений осуществляется посредством подачи команд в блоки управления двигателями (позиции 9, 10, 11), которые выполняют пуск соответствующего двигателя и обеспечивают поступательно-возвратное перемещение, по направляющим, источников ионизирующего излучения (позиции 1, 2, 3) в сторону стационарно размещенного детектора ионизирующих излучения (позиция 13).
1
2
3
1
2
3
Изначально задают, что активность одного из источников ионизирующего излучения (A) больше суммы активности двух других источников ионизирующего излучения (A) и (A). То есть выполняется условие A>A+A.
Перемещение источников ионизирующего излучения (позиции 1, 2, 3) производят со скоростью, пропорциональной регистрируемой измерителем скорости ветра/течения (позиция 8) фактической скорости потока окружающей среды в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения.
Перемещение источников ионизирующего излучения (позиции 1, 2, 3) осуществляют до тех пор, пока не будет достигнут заданный или предельно допустимый уровень облучения по данным контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений (позиция 7).
В соответствии с заданной моделью изменения радиационного фона осуществляют выстой источников ионизирующего излучения на определенное время (Фиг. 2).
После выстоя источников ионизирующего излучения производится возврат источника ионизирующего излучения (позиция 1) в исходную точку со скоростью, пропорциональной регистрируемой измерителем скорости ветра/течения (позиция 8) фактической скорости потока окружающей среды в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения. Остальные источники ионизирующего излучения (позиции 2, 3) остаются в точках выстоя (Фиг. 3). В результате данной последовательности действий воссоздают ситуацию прохождения радиоактивного облака или жидких масс сброса радиоактивных веществ и последующего осаждения некоторого количества радионуклидов в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения.
Для моделирования спада радиационного фона вследствие распада короткоживущих радионуклидо, один из источников ионизирующего излучения (позиция 2) возвращают из точки выстоя в исходное состояние со скоростью, которая обеспечивает снижение радиационного фона эквивалентное усредненному периоду полураспада определенной смеси короткоживущих радионуклидов (Фиг. 4).
Выстой источника ионизирующего излучения (позиция 7) воссоздает ситуацию радиоактивного загрязнения долгоживущими радионуклидами поверхности (на земле и растительности или на дне и водной растительности) в зоне, контролируемой стационарно размещенным детектором ионизирующего излучения.
По окончании работ все источники ионизирующего излучения возвращаются в исходное состояние.
Поставленная задача решается за счет того, что применяется:
1. Способ физического моделирования динамических состояний радиационного фона, заключающийся в изменении радиационного фона вблизи стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений посредством одного или более источников ионизирующего излучения, которые осуществляют поступательно-возвратное движение с выстоем вблизи стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений, отличающийся тем, что поступательное движение к детектору ионизирующих излучений производят со скоростью, пропорциональной фактически регистрируемой скорости ветра/течения в зоне, контролируемой детектором ионизирующего излучения, время выстоя каждого источника ионизирующего излучения определяют в зависимости от заранее установленных параметров изменения радиационного фона, а возврат в исходное состояние источников ионизирующего излучения производят либо со скоростью пропорциональной фактически регистрируемой скорости ветра/течения в зоне, контролируемой детектором ионизирующего излучения, либо со скоростью, которую определяют в зависимости от заранее установленных параметров изменения радиационного фона.
2. Устройство физического моделирования динамических состояний радиационного фона в местах стационарного размещения детекторов ионизирующих излучений, состоящее из одного или более источников ионизирующего излучения, двигателей, обеспечивающих их возвратно-поступательное движение, блоков управления двигателями, задающих режим работы двигателей, программно-аппаратного обеспечения обработки данных и формирования последовательности команд для блоков управления двигателями, контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений, измерителя параметров ветра или скорости течения, отличающееся тем, что с целью обеспечения работоспособности стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений местоположение выстоя источников ионизирующего излучения определяют на основании данных контрольно-измерительного устройства детектирования ионизирующих излучений по критерию достижения контрольного уровня облучения стационарно размещенного детектора ионизирующих излучений, не превышающего предельно допустимое облучение для данного типа детектора ионизирующих излучений.
3. Устройство по п. 2, отличающиеся тем, что в целях обеспечения радиационной безопасности персонала,источники ионизирующего излучения помещены в коллиматоры, телесный угол которых направлен на стационарно размещенный детектор ионизирующего излучения.