СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ В ЗОНАХ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к техническим средствам рациационного контроля окружающей среды, более конкретно к средствам выявления и оценки степени радиационной опасности радиоактивных выбросов (факелов) от объектов атомной промышленности (АП).

Эксплуатация атомных объектов, в частности АЭС, приводит к изменению радиационной обстановки в окружающей среде, обусловленному постоянным (непрерывным или периодическим) поступлением в среду целого ряда характерных радионуклидов с присущими им параметрами накопления, распада и миграции. Особую опасность при этом представляют аварийные выбросы АЭС.

Для своевременного выявления радиоактивных выбросов, определения направления распространения радиоактивного облака, их дозиметрических параметров и возможных последствий для окружающей среды разработаны и эксплуатируются различные технические средства или системы контроля, причем в зависимости от характера источника выбросов и щелей контроля датчики системы контроля могут быть размещены непосредственно на промплощадке, например АЭС, в санитарно-защитной зоне, в зоне наблюдения.

Известно техническое решение задачи, согласно которому 5-10 датчиков системы контроля устанавливают вокруг источника выбросов на расстоянии 3-5 км от него (вблизи границы санитарно-защитной зоны), преимущественно в секторе розы ветров, соответствующем наиболее вероятным направлениям ветра [1]
Система не обеспечивает в общем случае надежности регистрации факела выброса при его распространении в других направлениях, поскольку поперечная дисперсия радиоактивной примеси в факеле может оказаться значительно меньше расстояния между двумя соседними датчиками. В этом случае велика вероятность, что ни один из датчиков не зарегистрирует прохождение факела даже в случае повышенного или аварийного выброса. Тривиальное решение задачи состоит в увеличении числа датчиков.

Однако характер размещения и количество датчиков в рассматриваемой области имеют определяющее значение и вытекают из демографических, экономических и экологических требований. Экономические и экологические требования вступают в противоречение, поскольку в первом случае выгоднее использовать систему радиационного контроля с меньшим количеством датчиков, а экологические требования (высокая степень информативности о радиационной обстановке при любом варианте выброса и его направлении распространения), наоборот, диктуют необходимость использования большего количества датчиков.

Возникающие противоречения устраняются, если датчики контроля разместить по периметру санитарно-защитной зоны (СЗЗ) так, чтобы при любом направлении ветра датчики мощности экспозиционной дозы (МЭД) постов автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) могли зарегистрировать гамма-излучение факела радиоактивных выбросов или радиоактивного облака. Оптимальное количество датчиков (следовательно и постов контроля) в этом случае находят следующим образом. Полагают, что рассеяние радиоактивной примеси происходит с высоты h_эф при наихудших метеорологических условиях, в качестве которых можно рассматривать категорию устойчивости типа F из класса устойчивости модели Пасквилла-Гиффорда [2] Этот класс устойчивости характеризуется сильным ветровым переносом и слабой поперечной диффузией факела выбросов. На подстилающей поверхности на расстоянии r ≅ 3 км от источника выбросов радиоактивной примеси задают значение МЭД, равное предельно-допустимому для населения (ПДМД-2, мэВ/ч), полагая, что такую мощность дозы создает факел выбросов, распространяющийся в заданном направлении, в выбранной точке. Рассчитывают распределение мощности дозы на местности в направлении, перпендикулярном к радиусу, считая, что в максимуме распределения, т. е. на конце радиуса, значение МЭД составляет ПДМД. В полученном распределении находят расстояние, на котором значение мощности дозы оказывается равным порогу чувствительности датчика D min 0,1 мкэВ/ч.

Если это расстояние δ, то необходимое, число датчиков определиться целой частью отношения: N_H [2πr/2δ] [πr/δ] а достаточное на единицу больше.

N_Д N_H + 1 (1)
Этот подход реализован в известной автоматизированной системе контроля радиационной обстановки (АСКРО) в районе размещения объектов атомной промышленности, например атомной станции, содержащей датчики для измерения температуры и давления воздуха радиоактивного выброса предприятия, N_д датчиков ионизирующего излучения, расположенных вокруг источника радиоактивных выбросов, многоканальную анализирующую аппаратуру, линии информационной связи для передачи от каждого датчика сигнала, соответствующего измеренной величине, в соответствующий канал анализирующей аппаратуры и средства измерения метеопараметров, причем количество датчиков выбрано из условия достаточности для регистрации хотя бы одним из них радиоактивного выброса, соответствующего максимальной проектной аварии при наихудших метеорологических условиях рассеяния радиоактивной примеси [3]
Однако детальным анализом условий возникновения радиоактивных выбросов, формирования факела, его изотопного состава, распространения радиоактивного облака в атмосфере при различных классах ее устойчивости (от А до F в рамках модели Пасквилла-Гиффорда) и т. д. принцип размещения датчиков контроля в упомянутой выше системе контроля полностью справедлив лишь при условии, что выброс радиоактивной примеси при штатной работе или аварийной ситуации происходит из вентиляционной трубы АЭС. В этом случае наиболее важные параметром радиоактивных выбросов начальная температура Т_о, давление Р_о струи выброса, величина полной активности (мощность), радиоизотопный состав и спектр гамма-излучения могут быть измерены датчиками, установленными внутри вентиляционной трубы, и с помощью этих данных оценивается степень радиационной опасности выбросов. Совершенно иная ситуация возникает при радиоактивных выбросах в виде перегретой газовой струи из отверстий, клапанов, неплотностей сосудов, рваных отверстий или щелей, возникающих в случае взрывов или разрывов резервуаров, находящихся под высоким давлением и высокой температурой. Эта ситуация характеризует запроектные аварии.

При таких авариях экспериментально невозможно определить ни параметры струи, выбрасываемой из отверстий, ни объемную активность выброса, ни его радиационные характеристики, поскольку неизвестен спектр или средняя энергия гамма-излучения и, следовательно, невозможно дать прогнозный расчет масштабов загрязнения окружающей среды, а также оценить экологические последствия ее загрязнения. Подобные аварии хоть и редко, но возникают, и их последствия с точки зрения радиологического воздействия на население не могут быть прогнозируемы.

Предлагаемая автоматическая система контроля радиационной обстановки, предназначенная для выявления радиоактивных выбросов, определения направления распространения радиоактивного облака, характера и степени загрязнения окружающей среды. Функциональные возможности системы реализуются за счет определения совокупности параметров выбросов, возникающих как в штатной (например, через венттрубу АЭС) так и в нештатной ситуации (например, через разрывы, отверстия и иные каналы систем АЭС) при известном отношении характерных размеров отверстия и поврежденного технологического оборудования, содержащего радиоактивную среду.

Сущность изобретения заключается в использовании в системе контроля логически необходимого и остаточного количества датчиков Nд, размещенных на местности определенным образом. Согласно изобретению каждый из датчиков N_i, где i 1, 2,N_д установлен на расстоянии радиуса-вектора Ri от источника радиоактивных выбросов (на расстоянии r_iот основания источника), отличном от соответствующих всех остальных датчиков на величину ΔR_i (r_i на подстилающей поверхности), причем для R_i ≅ 1000 М ΔR_i находят из выражения:
R_i= 2ΔR_i(2-1)/[1-(2+exp(-μΔR_i))] (2) а при R_i > 1000 M R_i ≥ W, где
W [-ln(1-2)/μ] (3)
максимальная относительная погрешность измерения МЭД гамма-датчиком (отн.ед.);
μ μ() линейный коэффициент ослабления гамма-излучения радиоактивной примеси в воздухе (м^-1);
средняя энергия гамма-излучения радиоактивной примеси (МэВ).

Причем величина азимутального угла между направлениями из источника на соседние датчики выбрана равной Δθ 2 π/Ng.

При этом датчики могут быть установлены асимметрично в точках, лежащих на спирали Архимеда, причем R_i R_oθ_i (r_i r_oθ_i), где θ_i i Δθ азимутальный угол, отсчитываемый от направления на произвольно выбранный датчик,
i 1, 2, N_д,
R_o, r_o постоянные.

Изобретение может поясняться чертежами, на которых представлена графическая иллюстрация определения приращения радиуса-вектора ΔR_i, а также возможные схемы размещения датчиков контроля системы АСКРО.

На фиг. 1 приведена иллюстрация определения приращения радиуса-вектора и его последующего значения R_i+1 по предыдущему R_i:
расстояний всех остальных датчиков на величину ΔR_i (Δr_i на подстилающей поверхности), причем для R_i ≅ 1000 М ΔR_i находят из выражения:
R_i= 2ΔR_i(2-1)/[1-(2+exp(-μΔR_i))] (2)
а при R_i > 1000 M Δ R_i ≥ W где W [-ln(1-2)/μ] (3)
максимальная относительная погрешность измерения МЭД гамма-датчиком (отн.ед.);
μ μ() линейный коэффициент ослабления гамма-излучения радиоактивной примеси в воздухе (м^-1);
средняя энергия гамма-излучения радиоактивной примеси (МэВ).

Причем величина азимутального угла между направлениями из источника на соседние датчики выбрана равной Δθ= 2π/N_д.

При этом датчики могут быть установлены асимметрично в точках, лежащих на спирали Архимеда, причем R_i R_o θ_i (r_i r_oθ_i), где θ_i i Δθ азимутальный угол, отсчитываемый от направления на произвольно выбранный датчик,
i 1, 2,N_д,
R_o, r_o постоянные.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлена графическая иллюстрация определения приращения радиуса-вектора ΔR_i, а также возможные схемы размещения датчиков контроля системы АСКРО.

На фиг. 1 приведена иллюстрация определения приращения радиуса-вектора и его последующего значения R_i+1 по предыдущему R_i:
H₁ высота источника;
R_i радиус-вектор от источника до датчика;
r_i расстояние на подстилающей поверхности от основания источника до гамма-датчика.

На фиг. 2 приведена схема размещения постов контроля (датчиков системы АСКРО) по принципу спирали Архимеда: посты устанавливаются в точках пересечения спирали и лучей, выходящих из центра. В центре располагается источник радиоактивного загрязнения. Величину азимутального угла между направлениями из источника на соседние датчики выбрана равной Δθ 2 π/N_д.

На фиг. 3 приведена схема размещения постов контроля (датчиков системы АСКРО) по принципу многолучевой звезды: посты устанавливаются в вершинах и основаниях лучей. В центре располагается источник радиоактивного загрязнения. Величина азимутального угла между направлениями из источника на соседние датчики так же, как и на фиг. 2, равна Δθ 2 π/N_д.

Практически зависимость ΔR_i f(R_i) определяемую выражением (2), находят из графика, который строят согласно выражению (2), используя в качестве аргумента заданные значения ΔR_i Для R_i > 1000 M, R_o находят из условия ΔR_i R_i+1 R_i W, что дает R_o N_д * W/2π и при 30% и 1 МэВ, R_o 444 м, W 111 м. При заданном R_o величину ro определяют из условия H_I < r_o < . При R_i ≅ 1000 М минимальное значение R_i выбирают равным R_minR₁ H , где в качестве высоты источника H_I принимают высоту венттрубы АЭС, а последующие значения R_i+1, R_i+2, находят, используя выражения (2) для определения ΔR_i и соотношение: ΔR_i+1 R_i + ΔR_i. Размещение датчиков на местности может осуществляться не только по спирали Архимеда, но в вершинах и основаниях лучей, образующих многолучевую звезду. При найденных R_i, ΔR_i расстоянии ri на плоскости (подстилающей поверхности) от основания источника до датчика, при заданной величине Н_I, для больших и малых R_i находят, принимая в качестве r_min r_i H_i из выражений: r= (4) Соответствующие расчеты, поясняющие сущность изобретения приведены в приложении. Автоматическая система контроля радиационной обстановки содержит совокупность датчиков мощности экспозиционной дозы (МЭД), размещенных в зоне контроля вокруг предполагаемого источника радиоактивных выбросов, например, вокруг АЭС, многоканальную анализирующую аппаратуру (например, на основе персональной ЭВМ) и приемопередающие линии связи, передающие сигналы измерения с датчиков на каналы анализирующей аппаратуры.

Система АСКРО работает следующим образом. После ее установки на местности и в рабочем режиме датчики МЭД регистрируют постоянно (или периодически) уровни мощностей доз в своих точках размещениях. Сигналы измерения по линиям связи поступают в анализирующую аппаратуру, где эти сигналы сопоставляют с опорными уровнями, определенными предварительно в нормальных условиях работы АЭС. По любому отклонению сигналов с датчиков от опорных вырабатывается команда об изменении ситуации в зоне контроля. По характеру изменения судят о степени радиационной опасности персонала, принимается то или иное решение по предупреждению и оповещению возникшей ситуации.

Таким образом, предложенная система АСКРО позволяет выявить дифференциальный спектр ϕ(Е) гамма-излучения радиоактивных выбросов (факела, р/a облака), а по спектру ϕ(Е) среднюю энергию спектра , уточнить величину полной активности выбросов, уровни р/а загрязнений подстилающей поверхности, оценить масштабы загрязнения окружающей среды в целом и рассчитать дозовую нагрузку на население как при нормальной эксплуатации объектов атомной промышленности (АЭС), так и при проектных и запроектных авариях на них.

Использование: техника контроля радиационной обстановки окружающей среды, обнаружение радиоактивных выбросов АЭС, направления распространения радиоактивного облака, определение ядерно-физических, спектрометрических, дозиметрических параметров радиоактивных выбросов и систем их обнаружения, расположенных вокруг эпицентра выбросов. Сущность изобретения: система контроля радиационной обстановки содержит датчики измерения ионизирующих излучений мощности экспозиционной дозы, расположенные на местности вокруг источника выбросов АЭС определенным образом: с равным азимутальным углом между соседними датчиками, причем каждый установлен на расстоянии от источника выброса, отличном от соответствующего расстояния любого другого датчика, в частности, датчики могут быть расположены на местности по спирали Архимеда или в вершинах и в основаниях лучей, образующих многолучевую звезду. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ В ЗОНАХ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, атомной станции, содержащая датчики для измерения температуры и давления и метеопараметров, установленные в каналах отвода радиоактивного выброса предприятия и связанные анализирующей аппаратурой, N_д датчиков ионизирующего излучения, расположенных вокруг источника радиоактивного выброса, многоканальную анализирующую аппаратуру, линии информационной связи для передачи сигнала измеряемой величины от каждого датчика, в том числе и от датчиков температуры, давления и метеопараметров, в соответствующий канал анализирующей аппаратуры, причем количество датчиков N_д определено как N_д > N_н + 1, где N_н выбрано из условия необходимости регистрации хотя бы одним из них радиоактивного выброса, соответствующего максимальной проектной аварии при наихудших метеорологических условиях рассеяния радиоактивной примеси, отличающаяся тем, что каждый из датчиков N_i, где i 1, 2, N_д установлен на расстоянии ν_i от источника радиоактивных выбросов, отличном от соответствующих расстояний всех остальных датчиков, причем где r_m и r_n расстояние от источника, соответственно, до m и n датчика из числа i датчиков, А предварительно устанавливаемый параметр, связанный с погрешностью измерения датчиков мощности дозы и высотой венттрубы. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что датчики излучения установлены в точках, лежащих на спирали Архимеда, причем ν_i=ν_o·θ_i, где ν_o= const: R_o=N_д·W/2π, максимальная относительная погрешность гамма датчика, μ линейный коэффициент ослабления g излучения, H_i высота вент-трубы, q_i= iΔθ, i = 1,2,... N_д, θ_i азимутальный угол, отсчитываемый от направления на произвольно выбранный датчик, Δθ = 2π/N_д
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что датчики излучения установлены в вершинах и в основаниях лучей, образующих многолучевую звезду на местности. 4. Система контроля радиационной обстановки по п.1 или 3, отличающаяся тем, что Δν_mn выбраны кратными А, где А определено как разность радиусов двух ближайших к месту выброса датчиков.