СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, в частности к контролю за атмосферными процессами (определение электрического заряда атмосферы, формирование аэрозолей, грозообразование, формирование глобального климата), геофизическими процессами (изучение газового дыхания Земли для прогноза опасных явлений, например землетрясений), а также к решению ряда экологических проблем (снижение риска эксплуатации АЭС и других объектов ядерно-топливного цикла и прогнозирование радиологической обстановки вблизи АЭС и на большом удалении от нее) путем мониторинга окружающей среды (регистрация техногенных изотопов инертных газов в воздухе).

В мировой литературе описаны способы регистрации радиоактивных инертных газов с применением сложной процедуры радиохимического выделения.

Например, известен способ и устройство для измерения радиоактивных инертных газов путем измерение радиоактивных инертных газов, в частности криптона-85, с помощью пропорционального счетчика (Bohne Н. Mebeinrichtung zur Bestimmung niedriger ⁸⁵Kr Aktivitaten in Gasproben // Isotopenpraxis, 1974, Bd.10, Hf.10, pp.366-371). Однако измерение криптона-85, находящегося в воздухе, этим методом возможно только после многократного обогащения пробы и очистки ее от мешающих работе газовых счетчиков примесей. Этот процесс занимает несколько часов, измерения (для достижения необходимой статистической точности) требуют несколько дней набора информации. При этом на конкретной установке измеряется только один изотоп. Это не позволяет проводить экспресс-анализ газов непосредственно в районе АЭС с необходимой точностью.

Известны также способ и устройство для измерения радиоактивных инертных газов. В этой работе детектором криптона-85 служит цилиндр из пластического сцинтиллятора. Рабочий объем счетчика составлял 40 см³, а рабочее давление 30 атмосфер. Эффективность установки составляет 50%, а минимально измеряемая активность - 2,96 Бк/л (Гудков А.Н., Иванов В.И., Кароль И.Л. Широтное распространение криптона-85 в приземном слое атмосферы (по результатам экспедиции на НИС «Академик Курчатов») // Прикладная ядерная физика. Загрязнения атмосферы продуктами ядерных делений, Вильнюс: Ин-т физики и математики, 1976. С.5-13). Однако для определения фоновых значений радиокриптона в атмосфере необходимо понизить порог минимально измеряемой активности не менее чем в 5 раз. Измерение других радиоактивных газов в силу низких энергий бета-распада на этой установке с необходимой эффективностью невозможно.

Наиболее близким техническим решением являются способ и устройство для измерения радиоактивных инертных газов, в том числе и инертных газов в выбросе (факеле) АЭС, путем непосредственной гамма-спектрометрии с применением миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (RU 2299461 С1, 20.05.2007). Данные способ и устройство ограничены в применении только для контроля выбросов АЭС и не применимы для измерения фоновых значений концентраций инертных газов на больших удалениях от АЭС из-за высокого естественного фона окружающей среды. Из-за этого количество решаемых задач резко уменьшается. Однако в случае необходимости измерения радионуклидов в удалении от объекта ЯТЦ (или на других объектах, не осуществляющих резкие крупные выбросы, как, например, заводы по переработке топлива, урановые рудники, где происходит постоянный выход изотопов в атмосферу, но в количестве, не достаточном для непосредственной гамма-спектрометрии без концентрирования) для измерения фоновых концентраций прямая гамма-спектрометрия не позволяет контролировать концентрации радиоактивных инертных газов из-за малости этой активности и влияния близких по энергиям излучений других техногенных и природных радионуклидов. Кроме того, эксплуатация летательных аппаратов непосредственно в выбросе скорее всего быстро приведет к его (и входящих в него детекторов) загрязнению радионуклидами, что будет все больше и больше снижать чувствительность. Надо каждый раз проводить дезактивацию аппаратуры либо использовать новые аппараты и детекторы, что сильно удорожает методику. Кроме того, для безопасности населения важен контроль ИРГ в приземном воздухе, а не в факеле.

Предложенные способ и устройство в отличие от перечисленных выше позволяют не проводить предварительное разделение изотопов разных инертных газов в воздухе и обеспечивают экспресс-измерение (не более 3 часов) непосредственно на месте проводимого исследования, с высокой эффективностью регистрации (35%) и низким фоном (не менее чем в 10 раз в сравнении с другими техническими решениями), что позволяет определять концентрации радиоактивных инертных газов в атмосфере на уровне низких фоновых значений концентраций этих исследуемых изотопов. Это важно, например, для получения картины распределения техногенных инертных газов в приземном воздухе для обоснования радиационной безопасности объектов атомной промышленности.

Сущность изобретения заключается в достижении технического результата, указанного выше, путем измерения радиоактивных инертных газов в атмосфере, включающего гамма-спектрометрический анализ и расчет концентрации изотопов инертных газов с помощью спектрометрического устройства, при этом предварительно переводят компоненты исследуемого воздуха в жидкое состояние криогенным способом, а измерение гамма-излучения осуществляют в низкофоновой камере, состоящей из слоев чистых металлов и активной защиты от внешнего излучения с помощью ионизационной камеры с сжатым ксеноном.

Способ осуществляется следующим образом.

Выброшенные в результате работы предприятий ЯТЦ инертные радиоактивные газы улавливаются при получении жидкого азота или кислорода и находятся либо в криогенной побочной смеси (ксенон, криптон, радон и пр.) на стационарных кислородных заводах либо в кислородной продукции транспортируемых холодильно-газовых установок типа ЗИФ-1002. Анализ инертных радиоактивных газов в сжиженной продукции стационарных кислородных заводов позволяет контролировать среднее содержание радиоактивных газов в месте нахождения завода. Применение мобильных установок позволяет измерять содержание изотопов в месте отбора проб, в частности в районе АЭС или в удалении от нее. Далее полученная смесь жидких инертных газов помещается в кювету объемом в несколько литров, двойные стенки которой являются корпусом ионизационной камеры высокого давления. Интервал измерений энергий находится в пределах 0,1-2,00 МэВ, что перекрывает весь спектр излучения этих изотопов. В качестве детектора гамма-квантов применена ионизационная камера высокого давления с сжатым ксеноном в качестве рабочего газа. При этом достигается высокая эффективность регистрации гамма-квантов, аналогичная кристаллическим сцинтилляторам (35% в этом интервале энергий, против 2-5%, соответствующих полупроводниковым детекторам) и высокое энергетическое разрешение (1.0% против 10%, соответствующее кристаллам Nal(TI) или Csl(TI) и приближающееся к разрешению полупроводниковых детекторов - 0,7%).

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что предложенное устройство для измерения радиоактивных инертных газов в атмосфере содержит детектор, соединенный с блоком высоковольтного питания и с блоком усиления импульсов, соединенным с блоком амплитудно-цифровым преобразователем, соединенным с устройством вывода информации, причем корпус детектора представляет собой кювету, в которую помещены сжиженные газы.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена гамма-спектрометрическая установка, содержащая детектор - ионизационную камеру (1) с сеткой (2), анодом (3), катодом-кюветой(4), куда помещается сжиженная криптон-ксеноновая смесь (5). Низкая температура сохраняется благодаря конструкции кюветы, сделанной по принципу термоса. Внешнее фоновое излучение поглощается слоями меди (6), свинца или стали (7) и активной защитой (сцинтиллятором) (8). Детектор соединен с блоком высоковольтного питания (9), блоком усиления импульсов (10), блоком амплитудно-цифрового преобразователя (11), который, в свою очередь, соединен с устройством вывода информации (см. чертеж).

Устройство работает следующим образом.

Устройство размещается в любом месте, выбранном для исследования. Оператор заполняет кювету-корпус ионизационной камеры жидкой смесью инертных газов, далее детектор помещается в низкофоновую камеру, расположенную стационарно или на автомобиле. С помощью блоков высоковольтного питания обеспечивают необходимое питание детектора. Сигналы с анода детектора усиливаются блоком усиления импульсов. Амплитуда импульсов преобразуется в цифровой код амплитудно-цифровым преобразователем, который поступает на устройство вывода информации (компьютер с дисплеем, принтер). Полученные спектры обрабатываются и рассчитываются на основе результатов предварительной калибровки детектора стандартными образцами. После набора импульсов для необходимой статистики доверительных результатов питание электронных узлов отключают, детектор извлекают из низкофоновой камеры и жидкость выливают в окружающую среду.

Таким образом, контроль радиоактивных изотопов в воздухе вокруг АЭС и на большом удалении от нее для определения экологической нагрузки на окружающую среду и косвенного определения несанкционированной наработки делящихся материалов (например, оружейного плутония) включает этапы: создание детектора сжиженных инертных газов, его калибровка в низкофоновых подземных выработках гамма-источниками (например, ¹³⁷Cs) и определение фоновых характеристик, выбор пунктов размещения стационарных детекторов на исследуемой территории (расстояние между пунктами может достигать 1000 км) и зон для мобильного мониторинга (в основном вокруг АЭС и дуг предприятий ядерно-топливного цикла), размещение детекторов на территории ближайших к выбранным стационарным пунктам кислородных заводах и оборудование детекторами передвижных воздухозаборных систем, мониторинг (не реже чем один раз в неделю) на стационарных пунктах и ежесуточный мониторинг передвижными лабораториями, составление недельных карт перемещения изотопов в атмосфере. Передача полученной информации в соответствующие экологические службы, в случае внештатных ситуаций на предприятиях ядерно-топливного цикла вокруг возможного источника выбросов (в радиусе до 1000 км) проводится мелкомасштабный ежесуточный мониторинг несколькими передвижными воздухозаборными лабораториями, полученная информация об уровне загрязнений атмосферы и направлении миграции радионуклидов передается ежесуточно соответствующим службам. Для косвенного способа определения несанкционированной наработки, например, оружейного плутония на предприятиях ядерно-топливного цикла некоторыми странами, количество измеренного криптона-85 в атмосфере, например за год, сравнивается с теоретическим, наработанным от заявленного странами использованного количества ядерного горючего, официального испытания ядерного оружия и природных источников. По разнице рассчитывается количество произведенного, например, плутония. Используя данные со всей сети стационарных пунктов измерения радиоактивных газов в атмосфере и метеорологические данные, источник (страна) превышения криптона-85, в принципе, может быть локализован.

Измерение радиоактивных инертных газов путем применения низкофонового гамма-спектрометра на основе ионизационной камеры для измерения гамма-активности изотопов инертных радиоактивных газов в криогенной смеси, полученной на воздухозаборных станциях, осуществляется с высокой активностью регистрации и низким уровнем фона для задач физики атмосферы (грозообразование, образование аэрозолей, формирование полного электрического заряда, использование инертных газов как трассеров атмосферных процессов и, в конечном итоге, изучение процессов формирования глобального климата с целью его прогноза), экологии (определение путей миграции техногенных радионуклидов по трассерам - инертным газам, изучение процессов изотопного обмена радиоактивными инертными газами Земли с атмосферой для прогноза газового дыхания Земли как прогностического признака многих процессов - землетрясений, крипов, тектонических движений и т.д.), повышения безопасности функционирования АЭС, в том числе косвенного определения несанкционированной наработки делящихся материалов (оружейного плутония). Повышается безопасность функционирования АЭС за счет мониторинга техногенных инертных газов на территории страны для принятия соответствующих мер по снижению риска (включающих своевременное оповещение населения) от плановых, внеплановых и аварийных выбросов реакторов в атмосферу и косвенный контроль за несанкционированной наработкой делящихся материалов. Кроме того, крайне важны получаемые карты пространственного распределения техногенных инертных газов в приземном воздухе на всей территории (а не только вблизи источников - АЭС, заводов по переработке и т.д.) в единицах природного фона для обоснования радиационной безопасности объектов атомной промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения и контроля основных параметров, характеризующих состояние атмосферных процессов, а также для решения ряда экологических проблем (снижение риска эксплуатации АЭС и других объектов ядерно-топливного цикла и прогнозирование радиологической обстановки вблизи АЭС и на большом удалении от нее). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют экспресс-измерение непосредственно на месте проводимого исследования. При этом определяют концентрации радиоактивных инертных газов в атмосфере на уровне низких фоновых значений концентраций этих исследуемых изотопов. Проводят измерение радиоактивных инертных газов в атмосфере с помощью гамма-спектрометрического анализа. Определяют концентрации изотопов инертных газов с помощью спектрометрического устройства. Корпус детектора представляет кювету, в которую помещены сжиженные газы. При этом предварительно переводят компоненты исследуемого воздуха в жидкое состояние криогенным способом. 1 ил.

Способ измерения радиоактивных инертных газов в атмосфере, включающий процесс улавливания инертных радиоактивных газов, гамма-спектрометрический анализ и определение концентрации изотопов инертных газов с помощью спектрометрического устройства, отличающийся тем, что предварительно переводят компоненты исследуемого газа в жидкое состояние криогенным способом, полученную смесь жидких инертных газов помещают в кювету, двойные стенки которой являются корпусом ионизационной камеры высокого давления, при этом измерение гамма-излучения исследуемого газа осуществляют в низкофоновой камере, состоящей из слоев чистых металлов и активной защиты от внешнего излучения с помощью ионизационной камеры с сжатым ксеноном.