СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЮ ЗАГРЯЗНЁННОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ВЫЗВАННОЙ РАДИОАКТИВНЫМ ВЫБРОСОМ РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
SYSTEM FOR MEASURING AT GAMMA-RADIATION CONTAMINATION OF ENVIRONMENT CAUSED BY RADIOACTIVE EMISSION RADIATION-HAZARDOUS FACILITIES

Предлагаемое изобретение относится к области ядерно-физической техники и может быть использовано для контроля радиационной обстановки на ядерно-опасных объектах, включая атомные электростанции (АЭС), как при нормальной их эксплуатации, так и в аварийных ситуациях.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность повышения точности и чувствительности измерений радиоактивного загрязнения как в воздушном выбросе, так и на подстилающей поверхности, а также обеспечение безопасности обслуживающего персонала при контроле радиационной обстановки.
Из имеющихся в настоящее время технических средств известно устройство для измерения объемной активности газо-аэрозольных выбросов АЭС с помощью установки радиометрической РКС-07 (Установка радиометрическая РКС-07П. ЖШ1.289.404ПС. ОАО Пятигорский завод, г. Пятигорск), работа которой основана на автоматическом отборе проб из вентиляционных труб реакторной установки аэрозольных и газовых компонентов с последующим измерением объемной активности отобранных газовых проб по бета-излучению и аэрозольных проб йода по бета- и гамма-излучению. Недостатком данного устройства является, во-первых, отсутствие возможности контроля общей загрязненности радиоактивными продуктами не только на самой станции, но также на подстилающей поверхности участка земли, попавшего в зону радиоактивного выброса, включая санитарно-защитную зону и зону наблюдения вблизи АЭС. Во-вторых, данное устройство не позволяет контролировать нуклидный состав составляющих выброса, что необходимо знать при оценке дозовой нагрузки на население и персонал станции особенно в аварийных ситуациях. Средства измерений, используемые в настоящее время в стационарных постах контроля систем АСКРО, позволяют контролировать параметры газо-аэрозольного выброса (объемную активность, радионуклидный состав и т.д.) только в том случае, если последние попадут в зону действия радиоактивного выброса. Поэтому для повышения точности измерений и минимизации указанной неопределенности посты контроля систем АСКРО комплектуют приборами для измерения метеопараметров (направление и скорость ветра, влажность, атмосферное давление и др.), а сами посты контроля размещаются в контролируемой зоне с учетом розы ветров.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является система, реализующая способ для осуществления дистанционного измерения загрязнения радионуклидами подстилающей поверхности в следе радиоактивного выброса радиационно-опасных предприятий (патент РФ на изобретение №2388018, опубликован 27.04.2010). В этой системе используются размещенные на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) и частично на средстве наземного передвижения дозиметр поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, спектрометрическая установка, лазерный высотомер и блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации. При этом средство наземного передвижения и летательный аппарат дополнительно снабжены блоками определения координат и приемо-передающими блоками дистанционного управления полетом летательного аппарата.
В процессе сканирования подстилающей поверхности по показаниям дозиметра в выбранной точке воздушного пространства на определенной высоте от сканирующей поверхности с помощью спектрометрической установки осуществляется регистрация дифференциального спектра. В процессе измерений полученная информация через блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации поступает на регистрацию и обработку в средство наземного передвижения, содержащего анализатор гамма-спектра, в котором осуществляется расшифровка и обработка измеренного спектра с целью определения содержания отдельных радионуклидов с учетом их весовых коэффициентов. На основании полученных данных рассчитывают искомые парциальные концентрации радионуклидов в области загрязнения на подстилающей поверхности в следе радиоактивного выброса. Знание координат БПЛА и средства наземного передвижения позволяют с помощью специального программного обеспечения осуществить контроль радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности.
К недостаткам данного устройства можно отнести, во-первых, отсутствие возможности контроля радиоактивной загрязненности в радиоактивном облаке, что не позволяет прогнозировать и, как следствие, контролировать в режиме реального времени радиационную обстановку на местности значительно удаленной от ядерно-опасного объекта. Во-вторых, низкая точность и чувствительность при измерении парциальных концентраций отдельных радионуклидов, входящих в состав измеряемой смеси, из-за «плохой» геометрии измерений, связанной с пространственным распределением радионуклидов в газо-аэрозольной смеси. В-третьих, применение в данном устройстве автономного дозиметра поглощенной дозы не является необходимым, так как наличие дифференциального спектра смеси радионуклидов, снятого за фиксированное время и обработанного на многоканальном анализаторе, позволяет с достаточной степенью точности определить мощность дозы, поглощенной в используемом детекторе гамма-излучения и, как следствие, в загрязненном воздухе (Лукашевич Р.В. и др. «Спектрометрический метод измерения мощности дозы гамма-излучения с использованием неорганических сцинтилляционных детекторов» ППСР-2009 XI Международное совещание, п. Агой, Краснодарский край, 20.09.2009). К недостаткам данного устройства можно также отнести наличие средства наземного передвижения, которое используется на загрязненной территории, что, в свою очередь, приводит к облучению как обслуживающего персонала, так и самого транспортного средства.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения парциальных концентраций при контроле загрязненности радионуклидами газо-аэрозольного выброса в районе размещения ядерно-опасного объекта не только подстилающей поверхности, но и возможность контроля загрязненности в радиоактивном облаке. Кроме этого, изобретение направлено на упрощение структурной схемы системы, а также на обеспечение безопасности обслуживающего персонала.
Данная задача решается за счет того, что в систему для измерения загрязненности окружающей среды по гамма-излучению, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий, содержащую гамма-спектрометрическую установку, частично размещенную на БПЛА и включающую в свой состав последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования, блок усиления и блок амплитудно-цифрового преобразования, выход которого через блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации связан с анализатором спектра, размещенном на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией, а также приемо-передающие блоки дистанционного управления полетом летательного аппарата, лазерный высотомер и блоки определения координат БПЛА и наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией, включено устройство автоматического пробоотбора, включающее в свой состав размещенные на БПЛА воздуходувку с расходомером газо-аэрозольной смеси, лентопротяжный механизм фильтрующей ленты с электродвигателем, фильтрующая лента которого расположена над воздуходувкой и над спектрометрическим блоком детектирования, блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора, а также размещенные на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией два таймера и одновибратор.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой гамма-спектрометрическая установка 1, частично размещенная на БПЛА 2 и содержащая последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования 3, блок усиления 4, блок амплитудно-цифрового преобразования 5, а также блок бесконтактной передачи измерительной информации 6, выход которого подключен к размещенному на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7 блоку бесконтактного приема измерительной информации 8, выход которого подключен к анализатору спектра 9. Кроме того, система дополнительно содержит устройство автоматического пробоотбора 10, включающее в свой состав размещенные на БПЛА 2 воздуходувку 11 с расходомером, лентопротяжный механизм 12, кинематически связанный с электродвигателем 13, фильтрующая лента которого расположена над воздуходувкой 11 и над спектрометрическим блоком детектирования 3, а также размещенную на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7 схему управления устройством автоматического пробоотбора, включающую первый таймер 14, второй таймер 15 и одновибратор 16, причем выход первого таймера 14 подключен ко входу одновибратора 16, выход которого связан со входом второго таймера 15, при этом выходы первого 14 и второго 15 таймеров, а также одновибратора 16 подключены через приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора 17 и 18 к управляющим входам воздуходувки 11 с расходомером, блока амплитудно-цифрового преобразователя 5 и электродвигателя 13. При этом питание спектрометрического блока детектирования 3 осуществляется от высоковольтного блока питания 19, а питание электронной части схемы, размещенной на БПЛА 2 - от низковольтного источника питания 20. Кроме этого, управление БПЛА 2 осуществляется с наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7 с помощью приемо-передающих блоков управления полетом БПЛА 21 и 22, а определение координат БПЛА 2 и наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7, а также высота БПЛА 2 осуществляется соответственно с помощью блоков определения координат летательного аппарата 23 и 24 и лазерного высотомера 25.
1
2
3
4
На фиг. 2 показана временная диаграмма работы системы, где t - время прокачки воздушной массы через фильтр, t - время перемещения фильтра под детектор гамма-излучения, t - время набора гамма-спектра многоканальным амплитудным анализатором, t - время обработки спектра.
Система работает следующим образом.
1
3
Перед началом измерений радиоактивной загрязненности воздушного выброса или подстилающей поверхности в районе размещения ядерно-опасного объекта, командой оператора на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7, размещенном вне зоны радиоактивного загрязнения, на первом 14 и втором 15 таймерах устанавливаются выбранные времена экспозиции t и t соответственно (см. фиг. 2). Кроме этого, командой оператора с наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7 с помощью приемно-передающих блоков 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора осуществляется сброс и установка в ждущий режим блока амплитудно-цифрового преобразования 5, а также установка скорости прокачки воздуходувки 11 с расходомером.
0
1
В соответствии с диаграммой работы системы, представленной на фиг. 2, когда БПЛА находится в зависшем состоянии в загрязненном облаке или над загрязненной подстилающей поверхностью, процесс измерений начинается внешней командой «Пуск» на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7. При этом в момент времени t включается первый таймер 14 на время t, в течение которого через приемно-передающие блоки 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора на БПЛА 2 запускается воздуходувка 11 с расходомером, осуществляющая прокачку воздушной массы через установленную секцию ленточного аналитического фильтра лентопротяжного механизма 12. В качестве фильтра могут быть использованы ленточные или рулонные фильтры, имеющие способность сорбировать из радиоактивной воздушной массы аэрозоли, пары и частички пыли. Кроме этого, фильтры должны содержать вещества, способные связывать летучие газообразные радиоактивные соединения (И.И. Жерин, Г.Н. Амелина «Основы радиохимии, методы выделения и разделения радиоактивных элементов» Томский политехнический университет, 2009 г. ).
1
1
2
2
3
3
4
3
Для указанных целей могут быть использованы фильтрующие аналитические ленты типа НЭЛ, ЛФС и др. Известная по расходомеру воздуходувки 11 скорость прокачиваемой через фильтр воздушной массы за время t позволяет определить объем газо-аэрозольного выброса, прокачанного через фильтр. Импульсом окончания времени tпервого таймера 14 происходит запуск одновибратора 16, в течение времени выдержки t которого с помощью электродвигателя 13 происходит перемещение секции ленточного фильтра из-под воздуходувки 11 с расходомером к чувствительной поверхности спектрометрического блока детектирования 3 и автоматическое перемещение чистого участка ленточного фильтра под воздуходувку 11. В момент окончания времени выдержки t одновибратора 16 с помощью приемно-передающих блоков 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора осуществляется разблокировка по управляющему входу блока амплитудно-цифрового преобразователя 5, а также осуществляется запуск второго таймера 15 на ранее установленное время экспозиции t, в течение которого импульсы с выхода спектрометрического блока детектирования 3 после усиления в блоке усиления 4 поступают на регистрацию в блок амплитудно-цифрового преобразования 5. Информация с выхода блока амплитудно-цифрового преобразования 5 через блоки бесконтактной передачи измерительной информации 6 и бесконтактного приема измерительной информации 8 поступает на регистрацию в анализатор спектра 9. После окончания набора спектра импульсом окончания времени набора t происходит запуск команды на время t, необходимое на расшифровку и обработку по заданной программе зарегистрированного спектра, в результате которой осуществляется его идентификация по энергиям и нуклидному составу, а также определение содержания каждого радионуклида, входящего в измеряемую смесь, и, как следствие, периоды полураспада каждого зарегистрированного радионуклида. Таким образом, по гамма-спектру от измеряемого фильтра, полученному на анализаторе спектра 9 и обработанного в данном анализаторе спектра 9 по известной программе обработки спектров, определяются требуемые параметры загрязненности в конкретной точке измерения. Если шкала анализатора спектра 9 предварительно градуирована в единицах энергии и при градуировке спектрометрического тракта определен «ход с жесткостью» в рабочем диапазоне энергий, то суммарное число импульсов в каждом канале анализатора спектра 9 будет пропорционально суммарной энергии, поглощенной в этом канале за время измерений t, а суммарное число импульсов под измеренным за это время спектром будет пропорционально дозе, поглощенной в спектрометрическом блоке детектирования 3 с учетом зависимости чувствительности детектора излучения, используемого в спектрометрическом блоке детектирования 3, от энергии регистрируемого гамма-излучения. От поглощенной дозы в указанном детекторе при необходимости можно перейти к дозе, поглощенной в воздухе, с помощью которой осуществляется измерение парциальных концентраций радионуклидов над загрязненной подстилающей поверхностью. При этом концентрирование на фильтре измеряемого радиоактивного источника вследствие прокачки газо-аэрозольного выброса, во-первых, улучшают геометрию измерений по сравнению с пространственным распределением источника радионуклидов, что приводит к улучшению аппаратурной линии и, как следствие, к улучшению параметров полученного спектра, а, во-вторых, наличие постоянной геометрии измерений обеспечивает необходимую воспроизводимость результатов не только при регистрации гамма-спектра, но и при измерении поглощенной дозы.
По полученным результатам, зная по расходомеру скорость прокачки воздуха через воздуходувку 11 и время прокачки, можно определить объем воздуха, прокачанного через фильтр, что позволяет определить объемную или удельную активность газо-аэрозольного выброса в данной точке. При этом управление полетом БПЛА осуществляется с помощью приемо-передающих блоков 21 и 22 управления полетом БПЛА, а координаты конкретной точки измерения определяются по координатам и высоте зависания летательного аппарата с помощью блоков 23 и 24 определения его координат и лазерного высотомера 25.
Результаты, полученные от вышеуказанных измерений, проведенные в различных точках окружающей среды на разных секциях ленточного фильтра, позволяют аппроксимировать радиационную обстановку региона, включая дозовую нагрузку на население, а также прогнозировать ее изменение во времени.