Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

2.Каковы причины возникновения ионов в вентиляционной трубах АЭС в условиях выброса?

3.При ионизации воздуха в результате комптоновского взаимодействия фотонного излучения с атомами и молекулами составляющих его газов образуются электроны и положительные ионы. Почему говорят об ионном токе, регистрируемом ионизационной камерой?

4.Какие нужны условия для возникновения магнитного поля в рабочем объеме датчика для определения мощности выброса в вентиляционных трубах АЭС, основанного на методе регистрации магнитного поля, создаваемого движущимся ионизированным воздушным потоком?

5.Дайте краткую характеристику принципа работы датчика для определения мощности выброса в вентиляционных трубах АЭС, основанного на методе регистрации магнитного поля, создаваемого движущимся ионизированным воздушным потоком. Укажите достоинства и недостатки этого прибора.

6.Назовите основные элементы конструкции датчика для определения мощности выброса в вентиляционных трубах АЭС, основанного на использовании двух ионизационных камер. Чем отличаются между собой эти камеры?

7.На чем основан принцип работы детектора (дозиметрической системы, состоящей из двух ионизационных камер), используемого для определения мощности выброса радиоактивной примеси в вентиляционной трубах АЭС?

8.В межэлектродном пространстве ионизационной камеры при воздействии ионизирующего излучения образуется пространственный заряд. Что происходит с пространственным зарядом:

- при увеличении мощности дозы, при постоянном напряжении и температуре?

- при увеличении напряжения на электродах при постоянной мощности дозы и температуре?

9.Как ведет себя ионизационный ток в ионизационной камере с ростом тепературы окружающей среды при постоянных мощности дозы и напряжении на электродах?

10.Назовите основные конструктивные элементы датчика, реализуемого в безынерционном методе измерения скорости воздушного потока. В чем заключаются основные особенности принципа работы датчика?

231

Глава 8. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Ранее было отмечено, что в случае вымывания дождем или снегом радиоактивной примеси при ее ветровом переносе, а также за счет особенностей подстилающей поверхности, проявляющейся в виде различного уровня шероховатости, оказывающего значительное влияние на скорость сухого осаждения, на подстилающей поверхности образуются радиоактивные пятна, излучение от которых может существенно превышать радиационный фон. В этих условиях даже дозорные машины дозиметрического контроля не всегда могут справиться с задачей полномасштабного определения радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности больших площадей. В настоящее время решение этой проблемы может быть осуществлено путем использования аэроили космической разведки, что в первом случае приводит к серьезным финансовым затратам (стоимость топлива, оплата арендных услуг и т.д.), а во втором

– использование осуществляется в ограниченных целях.

Решение этой проблемы может быть основано на дистанционных методах обнаружения радиоактивных выбросов с применением радиолокационных установок или радиолокационных станций (РЛС) [1–5]. Основанием к использованию таких средств является хорошо известное явление отражения электромагнитных волн (длинноволнового диапазона) от ионизированных облаков ионосферы [6].

Попытка использования РЛС для качественного анализа радиоактивного загрязнения местности, основанного на эффекте отражения электромагнитных волн от ионизационных образований техногенного происхождения, была предпринята в Чернобыле в рамках проведения работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. Дальнейшие исследования носили, в основном, экспериментальный характер [1,4] и лишь в последнее время стали приобретать некоторую теоретическую основу [2,3,5]. Рассмотрим особенности этого явления на основе экспериментальных данных, опубликованных в работе [1].

232

8.1. Использование радиолокационных станций для дистанционного определения выбросов АЭС

Вопросу распространения электромагнитных волн в плазме, возникающей в пограничном слое атмосферы при рассеянии радиоактивной примеси, обусловленной выбросами АЭС или в результате других радиационных аварий на ОИАЭ, как уже указывалось, до недавнего времени практически не уделялось никакого внимания в силу того, что источники плазмы имеют техногенное происхождение. Восполняя этот пробел, представим, как экспериментальные данные по регистрации ионизированных образований, возникающих в атмосфере либо действительно за счет выбросов радиоактивной примеси, либо за счет ионизации воздушной среды (β-, γ-излучением различных поверхностей (крыш, могильников радиоактивных отходов и т.д.)) на АЭС и других радиационноопасных предприятиях, с помощью PЛC, так и рассматривая теоретические вопросы формирования и динамики плазмы в пограничном слое атмосферы и распространения электромагнитных волн.

В дальнейшем под фразой «факел радиоактивных выбросов» будем понимать плазменные образования (плазмоиды), имеющие правильную геометрическую форму, возникающие, в первую очередь, за счет ионизации воздуха (β-, γ-излучениея загрязненных поверхностей радиационно-опасных объектов), особо оговаривая плазменные образования, возникающие вокруг действительно факела или облака радиоактивной примеси, поступающей в атмосферу при выбросах из вентиляционной труб АЭС. В этом случае во фразе «факел радиоактивных выбросов» кавычки будут отсутствовать.

8.1.1. Анализ экспериментальных данных по определению выбросов АЭС с помощью радиолокационных станций

Экспериментальные работы по исследованию возможности обнаружения и идентификации радиоактивных облаков, возникающих в результате рассеяния радиоактивной примеси в атмосфере при выбросах с АЭС и других радиационно-опасных объектов, с помощью радиолокационных средств впервые были предприняты сразу после аварии на ЧАЭС и затем в 1989–1992 гг. на украинских

233

АЭС и некоторых российских атомных электростанциях [1]. Работы проводились с использованием РЛС, работающих в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах длин волн соответственно. Наблюдение факелов «выбросов» осуществлялось, в основном, на дальностях в диапазоне 11-65 км, а предельная дальность их обнаружения составляла 500 км с предельной чувствительностью по выбросам радиоактивной примеси с АЭС до нескольких кюри в сутки. Результаты экспериментальных исследований в качестве иллюстраций приводятся на рис. 8.1−8.3 и состоят в следующем.

1. Структура факела «выбросов», являющегося радиолокационной целью, представляет собой длинный цилиндр или вытянутый усеченный конус (их плоскую проекцию) высотой от нескольких сотен метров до нескольких километров и в поперечнике от нескольких десятков метров до 400–500 м, нижняя часть (широкая) часть которого располагается над вентиляционной трубой АЭС, а верхняя является прерывистой и может отделяться от основной фигуры (см. рис. 8.1, а) или удаляться от нее в сторону (см. рис. 8.1, б). При сильном ветре основная фигура оставалась на месте, отклоняясь от вертикали на некоторый угол.

Рис. 8.1. Нештатный выброс Запорожской АЭС 30 октября 1989 г. (данные Кононова Е.Н.), фото экрана РЛ высотомера, дальность 59 км, азимут 239°

234

2.Отражение радиолокационного сигнала от тепловых выбросов, в указанном диапазоне длин волн, практически не наблюдается. Этот результат следует из наблюдений выбросов более 100 ТЭС, работающих на газе.

3.Наблюдение факела выбросов различных радиационных объектов (предприятий, производящих радиационные материалы, реакторы, топливо, места захоронений радиоактивных отходов) одновременно с наблюдением факела выброссов с АЭС показало идентичность их радиолокационных характеристик.

4.При наблюдении радиолокационных сигналов от факела выбросов Запорожской АЭС, осуществляемом в момент времени, когда метеорологические условия характеризовались сильным ветром, а радиолокационный сигнал факела выбросов над вентиляционной трубой не перемещался, его интенсивность не изменялась, а высота выброса превышала высоту вентиляционной трубы примерно в 5–6 раз и составляла величину порядка 600 м (см. рис. 8.2).

Рис. 8.2. Нештатный выброс Запорожской АЭС 30 октября 1989 г. (данные Кононова Е.Н.), фото с экрана станции наведения, дальность 8 км, масштаб 5 км

235

меси факела выбросов, поступающих из вентиляционной труб АЭС в атмосферу, либо загрязненных радиоактивной пылью внутренних поверхностей вентиляционной труб АЭС и других радиационноопасных предприятий.

В пункте а) неявно предполагается, что факел выбросов может подниматься на значительную высоту (до нескольких километров). Поскольку высота подъема газовой струи факела штатных выбросов даже при условиях безразличного равновесия (штиль) не может составлять 600 и более метров тем более при сильном ветре (п. 4), когда высота подъема струи равна нулю, то предположение является несостоятельным в силу противоречия как экспериментальным, так и расчетным данным по подъему струи в поперечном газовом потоке.

Флуктуации плотности факела выбросов, согласно закону Клапейрона, связаны с флуктуацией температуры (ρ = R-1P/T, R – постоянная Больцмана, ρ – плотность, Р – давление, Т – температура). Последняя не обеспечивает отражение радиолокационного сигнала, согласно п. 2, в силу чего предположение п. б) является несостоятельным.

Первую часть п. в) также следует признать несостоятельной, поскольку пришлось бы допустить, что подъем факела выбросов радиоактивной примеси достигает нескольких километров и тем самым вступить в противоречие с экспериментальными данными. Таким образом, остается, что отражение радиолокационного сигнала связано с плазменным образованием (столбом), возникающим в атмосфере над вентиляционной трубами АЭС, захоронениями радиоактивных отходов и проч. в результате ионизации воздуха фотонным излучением загрязненных пылью поверхностей, в частности внутренней поверхностью вентиляционной труб АЭС, фотонным излучением радиоактивных отходов и т.д.

В случае действительно выбросов радиоактивной примеси в атмосферу нет оснований считать, что факел поднимается на значительную высоту, тем более при сильном ветре. В рамках одной из возможных рабочих гипотез можно полагать, что наблюдаемая РЛС – цель есть результат отражения электромагнитных волн от ионизационного столба, создаваемого колиммированным источником, в качестве которого можно рассматривать вентиляционной

237

трубу, заполненную радиоактивным газом. Наличие «перетяжек» в верхней части наблюдаемых РЛС – целей (см. рис. 8.3), повидимому, связано со слоистостью пограничного слоя атмосферы и сдвигом слоев относительно друг друга. Этими же причинами может быть объяснено и отделение части столба от основной массы. Чтобы ответить более подробно на эти и другие вопросы, связанные с устойчивостью ионизационного образования, необходимо рассмотреть механизм образования и релаксации ионизационного слоя, а также подъем и распространение радиоактивной примеси в атмосфере при выбросах с АЭС.

8.1.2. Физические основы определения радиоактивных выбросов и радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности при помощи радиолокационных станций

Для расчета концентрации радиоактивной примеси в атмосфере и ее распространения требуется знание эффективной высоты подъема источника (см. п. 6.2 гл. 6) и метеорологических характеристик данного региона. Эффективная высота подъема источника определяется высотой вентиляционной трубы hт, если выброс идет из вентиляционной трубы АЭС, и приращением h, на которое поднимается струя за счет начальной скорости и эффекта плавучести. Ответственными за перенос радиоактивной примеси в атмосфере являются метеорологические характеристики региона, к которым относятся температура T(z), влажность Hu(z), скорости ветра: продольная U(z), поперечная V(z) и коэффициент турбулентной диф-

фузии K(z) (см. рис. 6.1–6.7).

Методы расчета этих характеристик достаточно подробно изложены в гл. 6, поэтому ниже для удобства изложения приведем основные результаты, наглядно демонстрирующие эти характеристики.

Распространение радиоактивной примеси в атмосфере в рамках модели пограничного слоя атмосферы [7] определяется решением уравнения турбулентной диффузии (6.38)−(6.43), а приращение высоты подъема радиоактивной струи, выходящей из вентиляционной трубы АЭС, – в рамках траектории модели [8] или в рамках более простой модели [7]. В качестве выражения, описывающего перенос

238

примеси в атмосфере, можно воспользоваться аналитическим решением (6.65), (6.48), (6.49) стационарного уравнения (6.44) (см.

пп. 6.2, 6.7).

Выброс и перенос радиоактивной примеси происходит в пограничном слое атмосферы, характеризующемся определенным составом. Состав воздуха определяется азотом (78 %), кислородом (21 %), водородом и аргоном (0,94 %), углекислым газом (0,03 %). Азот и кислород присутствуют в основном в молекулярном виде [9].

В ионизированном воздухе в пределах пограничного слоя атмосферы молекулярные ионы O+2 , O−2 , N+2 – составляют подавляющее

большинство, количество атомарных составляет величину в 10 раз меньшую [10]. Свободные электроны также практически отсутствуют в отличие от верхних слоев атмосферы, поскольку при большой плотности молекул О2 ( NO2 ≈ 0,58.1019 част/см3) захватываются

ими, образуя отрицательные ионы. Положительные и отрицательные ионы способны образовывать ионы-кластеры (ионные рои) в результате присоединения к ним молекул воды (30–50 на 1 ион). В отличие от таких образований молекулярные и атомарные ионы кислорода и азота называют «легкими» ионами. Адсорбция этих ионов на ядрах концентрации (каплях тумана и других частицах) приводит к образованию «тяжелых» ионов размером 10-6−10-3см. При определенных условиях в воздухе могут образовываться и «средние» ионы размером 10-7−10-бсм. Система уравнений, определяющих концентрацию «легких» положительных, отрицательных ионов и электронов, имеет следующий вид:

где N + , N −, Ne – концентрация положительных, отрицательных ионов и электронов соответственно; G – радиационный выход электрон-ионных пар G = 2,08.109 Р-1 см3; Н – мощность дозы γ-, β-

239

излучения, Р/с; NO2 – концентрация кислорода в воздухе; kei = 7.10-7;

kii = 1,6.10-6 – коэффициенты электрон-ионной и ион-ионной рекомбинации соответственно, см3/с; kз = 8,85.10-11- коэффициент захвата электронов, см3/с, при этом время жизни электрона в квазисвободном состоянии τe ~ 1kз NO2 ~ 2.10-9с. При стационарных и ква-

зистационарных условиях, полагая левые части уравнений, приведенной выше системы (8.1), равными нулю, находим: при H =10-2

Зв/ч Ne ~ 1,036.10-3 см-3, N + ≈ N − ≈ 6,021 105 см-3. По этой причине в дальнейшем будем рассматривать только ионную плазму. Все носители положительных и отрицательных зарядов в воздушной среде характеризуются различной подвижностью (см. табл.7.2).

При равных массах ионов подвижность отрицательных ионов больше, чем положительных. Коэффициент рекомбинации легких ионов составляет величину порядка 2 10-6 см3/с, а тяжелых на 3–4 порядка меньше [9]. Подвижность легких ионов в собственном газе в пределах слабого электрического поля описывается выражением

где N – концентрация молекул газа (2,7.1019 см-3), М – масса молекулы, Т – кинетическая энергия иона, σрез – сечение резонансной перезарядки. Резонансная перезарядка – процесс, связанный с просачиванием валентного электрона через потенциальный барьер в поле притяжения соседней частицы, т.е. под перезарядкой понимается одна из реакций: А++ В → А + В+ или А- + ВС → А + ВС-. Величина сечения резонансной перезарядки описывается формулой

(7.43) [12]: σ(E) = σ(E0) – В.ln(E/E0), при E0 = 300 К ≈ 0,025 эВ с па-

раметрами σ(E0) и B для ионов различных элементов, значения которых приведены в табл. 7.3.

Полагая E = eE0, где e – основание натурального логарифма, для процессов O+2 → O−2 и O−2 → O2 находим, что сечение переза-

рядки отрицательного иона O−2 меньше, чем положительного O+2 и, соответственно, подвижность отрицательного иона будет больше,

240