Разработка радиометрических систем и методов полевых и дистанционных измерений радиоактивного загрязнения (12.07.2010)

Автор: Потапов Виктор Николаевич

Методологический подход

В основу методологического подхода положены разработка и применение математических моделей радиометрических приборов и систем, созданных с использованием метода Монте-Карло. Эти модели позволили оперативно разрабатывать не только радиометрические приборы и системы (априори определять их метрологические характеристики и параметры), но и создавать для них методики измерения на основе анализа данных моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработка метода радиометрического определения характеристик загрязнения почвы радионуклидами 137Cs в полевых условиях с помощью коллимированного спектрометрического детектора. Такой метод позволит без какой-либо априорной информации измерять поверхностную активность 137Cs в дозообразующем слое почвы (~3дсп) от уровней загрязнения ~ 20кБк/м2, определять толщину слоя, в котором находится свыше 80% общего содержания 137Cs, выявлять и оценивать толщину верхнего чистого слоя почвы.

Создание радиометрического прибора и разработка метода оперативного измерения поверхностной активности радионуклидов 137Cs в донных отложениях с использованием водного погружного детектора. Этот способ позволит исключить применение процедуры пробоотбора.

Разработка аппаратурного и методического обеспечения для измерения удельной активности 137Cs и60Со(152Eu) вдоль технологических скважин, с использованием погружных детекторов, работающих в спектрометрическом и токовом режимах. Такие приборы позволят определить характер распределений радионуклидов по глубине почвы, загрязненной в результате аварийных выпадений (авария на ЧАЭС), вблизи временных хранилищ радиоактивных отходов или сброса радиоактивных отходов в гидросистему рек (пойма р. Течи, Енисея).

Разработка экспресс-метода для измерения удельной эффективной активности ЕРН в стройматериалах в полевых условиях (контроль на объекте).

Разработка методов расчета мощности дозы на загрязненных территориях с учетом влияния естественного ландшафта, лесного покрова по данным радиометрической съемки и способы оценки радиационной обстановки аварийных объектов по данным дистанционных измерений системы радиационного контроля (гамма-локатор).

Разработка способа определения уровня загрязнений бетона радионуклидами 137Сs и 60Со с использованием спектрометрических систем высокого разрешения.

Разработка спектрометрического метода оценки характеристик отработавшего ядерного топлива (ОТВС) для идентификации ТВС по типу твэлов с применением мобильных спектрометрических систем с ОЧГ детектором.

Создание аппаратурного и методического обеспечения для определения активности 90Sr(90Y) и неравновесного 238U(234mPa) в присутствии техногенных радионуклидов 137Сs и 60Со при проведении обследований загрязненных территорий, производственных объектов использования атомной энергии и реабилитационных работ (в полевых условиях).

Разработка математических моделей спектрометрических детекторов гамма- и нейтронного излучения с кремниевыми фотоприемниками (фотодиоды и твердотельные фотоумножители) и создание на их основе детекторов для использования в приборах и системах радиационного контроля.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в создании математических моделей радиометрических приборов и разработке на их основе методик измерений, аппаратных средств, программного обеспечения для обработки результатов измерений; в разработке методов калибровки и их проведении для разработанных средств измерений; в осуществлении лабораторных испытаний, верификации и тестировании как методов, так и самих приборных средств. Автор разработал алгоритмы и способы оценки радиационной обстановки по результатам радиометрической съемки и дистанционных измерений радиоактивных загрязнений, которые нашли применение при проведении обследований территорий ряда населенных пунктов, пострадавших от аварии на ЧАЭС; при обследовании аварийных объектов ЧАЭС; при решении ряда радиоэкологических задач для пойменных участков рек, в которые осуществлялся сброс радиоактивных отходов; при проведении реабилитационных работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов.

Разработал спектрометрический способ оценки характеристик отработавшего ядерного топлива, который нашел применение при выполнении работ по транспортировке ОТВС и выводу из эксплуатации объектов использования атомной энергии.

Лично принимал участие в некоторых экспедициях по обследованию загрязнений пойменных территорий рек и обследованию донных отложений, в проведении измерений при выполнении работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов. Проводил расчеты и измерения, осуществлял анализ полученных результатов. Разработал математические модели сцинтилляционных детекторов, созданных на основе кремниевых фотоприемников, принимал участие в их разработке, испытаниях и оценке метрологических характеристик.

Практическая значимость работы состоит в том, что

разработанные радиометрические средства измерений и методы были использованы в ходе работ по обследованию ряда территорий населенных пунктов Белоруссии и России, пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Эти средства и методы также использовались при обследовании пойменных участков рек Течи, Енисея, в гидросистему которых осуществлялся сброс радиоактивных отходов. Наиболее важной разработкой было создание гамма-локатора, с помощью которого дистанционным методом измерялась радиационная обстановка на 4-ом блоке ЧАЭС, на основе чего проводились дезактивационные работы.

В 2002-2007 годах в рамках проекта «Реабилитация» при проведении работ по реабилитации объектов и территории РНЦ «Курчатовский институт» использовались приборы, системы и методики для определения состояния хранилищ РАО, для подготовки РАО к отправке в МосНПО «Радон», для измерения загрязнений грунта и объектов хранилищ. Разработанные методы и приборы использовались также в работах по подготовке и вывозу ОЯТ исследовательских реакторов Центра.

В 2007-2008 гг. при обследовании радиоактивного загрязнения объектов и территории Кирово-Чепецкого химического комбината, на котором осуществлялась переработка гекса- и тетрафторида урана, использовался разработанный бета-радиометр для определения поверхностной и удельной активности 238U по регистрации бета-излучения равновесного 234mPa.

Совместно со специалистами из Комиссариата по атомной энергии Франции, специалистами Германии, Дании, Норвегии был разработан и усовершенствован ряд аппаратных и программных средств, которые были использованы на объектах Европейского сообщества, а также при выполнении ряда совместных проектов.

Научные программы, в рамках которых были получены результаты диссертации. Диссертационная работа основана на результатах многолетних исследований (1992-2009 гг.), выполненных автором в рамках проекта «Реабилитация» в 2002-2007 годах при проведении работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов на территории «Курчатовского института»; в рамках работ по Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности России на 2008 год и на период до 2015г.»; при выполнении международных проектов INTAS agreement No.–INTAS-93-2288 , INCO-COPERNICUS agreement No.–IC15-CT96-00807 (DG12-CDPE); проектов INCO-COPERNICUS Project ERB IC15-CT98-0219 («STREAM»); по программам МНТЦ «Радиационное наследие бывшего СССР» (RADLEG, RADINFO), в которых автор был исполнителем и научным руководителем («STREAM»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: VI Российская научная конференция по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, 1994, Обнинск; Всероссийская конференция "Радиоэкологические, медицинские и социально-экономические последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Реабилитация территорий и населения". 1995, Москва; Всероссийская научно-практическая конференция «Чернобыль: 10 лет спустя. Итоги и перспективы. 1996, Брянск; International Conference «International and National aspects of Ecological Monitoring». St.Petersberg, 1997; VII Российская научная конференция «Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок». 1998, Обнинск; IEEE Nuclear Science Symposium-Medical Imaging Conference: 1997, Albuquerqe, New Mexico, USA; 2000, Lyon, France; 2008 Dresden, Germany; Международная конференция «Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях». 2000, Москва. - СПб;5th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and Antarctic. St. Petersburg, Russia, 2002; Second AMAP International Symposium on Environmental Pollution of the Arctic. Rovaniemi, 2002; 6-я Международная конференция, Радиационная безопасность: Атомтранс-2003, Транспортирование радиоактивных материалов. Санкт-Петербург, 2003; Международная научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск, 2004; WM'04 Conference, 2004, Tucson, AZ, USA; WM'06 Conference, 2006, Tucson, AZ, USA; Radioecology & Environmental Radioactivity Bergen, Norway, 2008; 7-я Международная конференция «Безопастность ядерных технологий: обращение с РАО» Санкт-Петербург, 2004; Международная конференция «Ядерная энергетика в Республике Казахстан. ЯЭ-2005», г. Курчатов, Казахстан, 2005; Международная конференция "Моделирование процессов переноса радионуклидов в окружающей среде и вопросы разработки баз метаданных по радиационным объектам Советского ядерного комплекса. РАДЛЕГ-РАДИНФО-2005". Москва, 2005; Международный семинар «Проблемы очистки и реабилитации территорий, загрязненных радиоактивными материалами». Москва, 2007; International Conference «20 years after Chernobyl: strategy for recovery and sustainable development if the affected regionas» Minsk–Gomel, 2006; семинар «Актуальные вопросы радиационной физики» кафедры "Биофизика, радиационная физика и экология" МИФИ, 2007, 2009, (рук. проф. Г.А. Федоров), семинар «Физика ядерных реакторов» (рук. проф. С.М. Зарицкий), 2009, РНЦ «Курчатовский институт».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 35 научных статей в реферируемых отечественных и зарубежных журналах (в том числе в журналах из Перечня ВАК – 19 статей),

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников из 196 наименований. Общий объем работы 304 страниц, включая 155 рисунков, 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическое значение результатов работы, формулируются основные положения, составляющие предмет защиты.

Глава I. Радиометрические приборы для полевых измерений радиоактивных загрязнений

Раздел 1.1 посвящен изложению методики измерения характеристик загрязнения почвы радионуклидами 137Cs радиометрическим способом в полевых условиях. Для разработки и обоснования этой методики была создана математическая модель коллимированного спектрометрического детектора (являющегося основным элементом радиометра), основанная на методе Монте-Карло. Отличительной особенностью этого метода является возможность без априорной информации (о характере заглубления в почве) определять поверхностную активность 137Cs при его заглублении в почве до 25-35 см (основной дозообразующий слой), давать оценку величины заглубления радионуклидов в почве, обнаруживать наличие верхнего чистого слоя почвы и оценивать его толщину. Анализ результатов расчетов по указанной модели показал, что для решения такой задачи необходимо использовать несколько энергетических интервалов аппаратурного спектра, при этом не менее важным является их правильный выбор, т.е. определение оптимальных границ этих интервалов. При измерениях в полевых условиях заметное влияние может оказывать излучение естественных радионуклидов, поэтому другими задачами методики являются определение способа учета этого излучения и оценка минимальной измеряемой активности.

Данная методика измерения характеристик загрязнения почвы радионуклидами 137Cs была реализована в серии приборов, получивших название «Корад» (являющееся аббревиатурой выражения коллимированный радиометр). Были созданы различные модификации этого прибора, внешний вид которых показан на рис. 1. Различие в модификациях радиометров обусловлено использованием спектрометрических детекторов, созданных с применением различных фотоприемников (ФЭУ или фотодиодов), и различных переносных спектроанализаторов.

Рис. 1. Внешний вид радиометров «Корад» различных модификаций

В процессе разработки и использования перечисленных выше приборов проводились многочисленные интеркалибровки для сравнения данных измерений радиометрами «Корад» с результатами традиционного метода пробоотбора, полученными российскими и зарубежными исследователями. Результаты сравнений приведены на рис. 2, статистический анализ которых показал, что стандартное отклонение между данными пробоотбора и радиометрии не превышает 22%.

Рис. 2. Сравнения результатов измерений радиометром «Корад» и методом пробоотбора

Эти приборы использовались при обследовании загрязненных территорий ряда областей, пострадавших от аварии на ЧАЭС. В качестве примера результатов обследования на рис. 3 приведены фрагменты карт распределения поверхностной активности 137Cs, глубины его проникновения в почву, наличия и толщины чистого или условно чистого верхнего слоя на территории населенного пункта Заборье (Брянская область).

В процессе становления и отработки технологий, используемых на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) бывшего СССР, были загрязнены пойменные участки рек: Течи, Енисея, Томи. Радиометры «Корад» использовались при обследовании поймы Течи и Енисея. На рис. 4 приведены фрагменты карт с информацией о характеристиках загрязнения пойменного участка Течи (район н.п. Бродокалмак, Челябинская область).

а) б) в)

Рис. 3. Фрагменты карт распределения поверхностной активности 137Cs (а), его глубины проникновения в почву (б), толщины чистого слоя (в) в н.п. Заборье (Брянская обл.) Легенда уровней загрязнения представлена в мкКи/м2.

а) б) в)

Рис. 4 Карты пойменного участка Течи. (а) – карта распределения поверхностной активности 137Cs; (б) – глубины проникновения 137Cs в почву; (в) – мощности аллювиальных отложений (толщины чистого слоя). Легенда уровней загрязнения представлена в мкКи/м2.

Для р. Енисей, с ее мощной гидросистемой, русловые процессы определяют характер и особенности радиоактивных загрязнений, которые происходили в результате сбросов отходов Красноярским ГХК в период половодий. Пример результатов профильных радиометрических измерений, ландшафтной съемки и литологии почвы пойменного участка островной системы р. Енисей показан на рис. 5.


загрузка...