Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ЗОН С ОБЪЕКТАМИ РАДИОАКТИВНЫХ ВЫБРОСОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Изобретение относится к методам радиационного контроля окружающей среды, более конкретно к дистанционному контролю ионизированных образований, возникающих в воздухе либо от загрязненных поверхностей местности, вентиляционных труб, зданий, могильников радиоактивных отходов на атомных электростанциях - АЭС и других радиационно опасных предприятиях, либо непосредственно от радиоактивных выбросов (факелов) АЭС и предприятий, связанных с хранением, переработкой и производством радиоактивных материалов. Контроль ионизированных образований позволяет оценить радиационную обстановку зоны контроля.

Для дистанционного контроля радиационных параметров выбросов атомных электростанций (факелов) и загрязнений местности вблизи зоны эксплуатации устанавливают на заданных расстояниях и по определенным правилам датчики радиометрической аппаратуры /1/. Показания датчиков позволяют судить о радиационных параметрах выбросов в динамике и принять соответствующие меры в случае аварийных ситуаций. Метод требует использования дорогостоящей аппаратуры и строго привязан к определенному объекту выбросов.

Для получения панорамной картины загрязнения местности используют метод аэро-гамма-съемки /2/. Данные таких измерений позволяют выявить очаги радиоактивных загрязнений на местности и распределение активности в зоне контроля. Метод требует использования летательных аппаратов со специфической радиометрической аппаратурой, совмещающей панорамную съемку с локальными (коллимированными) измерениями. Метод малопригоден для радиационного контроля факельных выбросов АЭС, ибо для получения информации в динамике требует многократных измерений путем регулярных облетов или зависаний над зоной выбросов, подвергая обслуживающий персонал переоблучению.

Наличие в атмосфере Земли ионизированных областей, способных отразить радиоизлучение, было в свое время использовано для передачи радиосигналов на дальние расстояния. В дальнейшем было установлено, что способность радиосигналов отражаться от ионизированных образований в атмосфере может быть использована и для обнаружения радиоактивных выбросов АЭС /3/. В то же время, как справедливо утверждается в работе /3/, существующие модели ионизации воздуха выбросов не дают корректной взаимосвязи между его радиоактивными характеристиками и сигналом отклика радиолокационных измерений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный способ дистанционного (радиолокационного) контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов /4/.

Согласно данным /4/ первые наблюдения радиолокационного отклика от облака (факела) радиоактивного выброса осуществлялись в 1986 г. в районе Чернобыльской АЭС. В последующем такие измерения проводились и в других регионах. Наблюдения проводились с использованием локаторов штатных радиовысотометров и станций наведения сантиметрового и дециметрового диапазонов. Зона отклика представляла собой вертикальные образования ("свечи") высотой до нескольких километров.

Экспериментальные данные радиолокационного метода показали его принципиальную возможность для контроля радиационной обстановки в зонах с объектами радиоактивных выбросов, удаленных от места наблюдения до 500 км. Его сущность заключается в том, что часть зондирующего излучения отражается от ионизированной факелом зоны, и коэффициент отражения сигнала может служить параметром оценки радиационной обстановки.

Отсутствие данных о структурах вертикальных образований над радиационной зоной, механизме их образования, факторах, их создающих, и т.д. не позволяли с уверенностью утверждать о реальной радиационной обстановке в зоне контроля в связи с отсутствием корректных корреляционных зависимостей между сигналом отклика и радиационными характеристиками объектов. Мало того, в некоторых источниках /5/ утверждается, что вертикальные образования - "свечи", можно получить на экране радиолокационной системы (РЛС) при зондировании пространства над многими высокими объектами, в том числе и не связанными с радиоактивным производством. Утверждается также, что действующие РЛС малопригодны для оценки радиационной обстановки зон контроля в связи с низким сигналом отклика и о необходимости использования высокомощных импульсов радиолокаторов СВЧ-диапазона.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение радиационного контроля зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений на значительном расстоянии от этих зон и без размещения в них датчиков контроля.

Предлагаемое техническое решение заключается в следующем.

Определенную область над зоной контроля зондируют радиоизлучением в заданном диапазоне длин волн λ = (λ_н÷λ_в) и регистрируют коэффициент отражения |R| (сигнал отклика на экране радиолокатора РЛС). Одновременно (непосредственно перед или после локации) устанавливают (измеряют) параметры воздушной среды над зоной контроля: относительную влажность D, температуру T, давление P, вертикальную скорость U_в воздушного (конвективного) потока над зоной контроля, спектральный состав гамма-излучения E_i либо нуклидный состав A_i радиоактивного объекта. Используя измеренные параметры, вычисляют мощность выброса P_в для факельных выбросов либо плотность поверхностной активности q₀ для загрязнений поверхностного типа (загрязнения подстилающей поверхности). Схема регистрации иллюстрируется чертежом (фиг.1).

На фиг. 1 представлена схема радиолокации зоны контроля с радиоактивным выбросом: 1 - АЭС, 2 - РЛС, 3 - факел выброса, 4 - плазмоид, 5 - радиосигналы (зондирующий, отраженный).

Априорно можно утверждать, что регистрируемое РЛС отражение радиолокационного сигнала может быть обусловлено следующими доминирующими факторами зоны контроля:
отражением от самих частиц радиоактивной примеси факела выбросов;
отражением от флуктуаций плотности факела выбросов:
отражением от плазменных образований, обусловленных ионизацией воздуха гамма-излучением либо радиоактивной примеси факела выбросов, поступающих из вентиляционной трубы АЭС (или других аналогичных объектов) в атмосферу, либо загрязненных радиоактивной пылью внутренних поверхностей труб и других радиационно-опасных предприятий.

Из данных аналогичных измерений известно, что зона отклика сигнала РЛС простирается по высоте до нескольких километров. В то же время поскольку факел штатных выбросов даже при условии безразличного равновесия (условия штиля) не может составлять высот 600 и более метров, а тем более при сильном ветре, то первый фактор нельзя считать причиной отклика.

Флуктуации плотности факела выбросов, согласно закону Клапейрона, связаны с флуктуацией температуры ρ = R^-1P/T, где ρ - плотность, R - газовая постоянная, P и T - давление и температура.

В то же время экспериментальные данные свидетельствуют, что возникающие в среде зондирования флуктуации от тепловых выбросов, например выбросов ТЭЦ, работающих на газе, не обеспечивают отражение радиолокационного сигнала в диапазоне длин волн используемых РЛС, в силу чего предложение по данному пункту является также несостоятельным.

Отражение радиолокационного сигнала от самой радиоактивной примеси факела выбросов также нельзя считать состоятельным, поскольку, как отмечалось выше, сам факел выбросов поднимается не выше 600 метров.

Автором установлено, что отражение радиолокационного сигнала связано с сопутствующей радиации областью плазмообразования - плазмоидами, возникающими над зоной с объектами радиационных выбросов (например, вентиляционных труб АЭС) или поверхностных загрязнений (крыши зданий, могильники радиоактивных отходов, места осаждения радиоактивных выбросов и т.д.) в результате ионизации воздуха гамма-бета-излучением.

Автором было проведено детально изучение механизма образования плазмоидов.

На фиг.2 представлены радиолокационные сигналы нештатного выброса АЭС с экрана РЛС: 6-8 плазмоиды на экранах локаторов РЛС выглядят в виде вертикальных столбов или "свеч", причем основной плазмоид 6 имеет зону "перетяжки" 7; 8 - отделившиеся части столба.

Наличие "перетяжек" 7 в верхней части наблюдаемых РЛС-целей автор обуславливает слоистостью пограничного слоя атмосферы и сдвигом слоев относительно друг друга. Этими же причинами можно объяснить и наблюдаемое отделение части столба от основной массы. Это обстоятельство, в частности, опровергает доводы авторов /5/ о том, что "свечи" не связаны с ионизационными образованиями. Наоборот, наличие "свечовых" фрагментов лишний раз подтверждает, что их природа связана с ионизационными образованиями.

В ионизированном воздухе в пределах пограничного слоя атмосферы молекулярные ионы O₂ ⁺, N₂ ⁺, O₂ ^- составляют подавляющее большинство, количество атомарных ионов составляет величину в 10 раз меньшую. Свободные электроны также практически отсутствуют, в отличие от верхних слоев атмосферы, поскольку при большой плотности молекул O₂ = 0,54 • 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 кластеров молекулярные и атомарные ионы кислорода и азота называют легкими ионами.

Адсорбция легких ионов на ядрах концентрации (каплях тумана и других частиц) приводит к образованию "тяжелых" ионов размером 10^-6 - 10^-3 см.

При определенных условиях в воздухе могут образоваться и "средние" ионы размером 10^-7 - 10^-6 см.

Система уравнений, определяющих концентрацию "легких" положительных, отрицательных ионов и электронов, имеет следующий вид:

где N⁺, N^-, N_e - концентрации положительных, отрицательных ионов и электронов соответственно; G - радиационный выход электрон-ионных пар G=2,08 • 10⁹ P^-1см^-3; H - мощность дозы гамма-бета излучения, P/c; N₀ - концентрация кислорода в воздухе; k_ei = 7 • 10^-7; k_ii = 1,6 • 10^-6 - коэффициенты электрон-ионной рекомбинации соответственно, см³/с; k_з = 8,8 • 10^-11 - коэффициент захвата электронов, см³/с, при этом время жизни электронов в квазисвободном состоянии τ_e ≈ 1/k_зN₀ ≈ 2 • 10^-9 c. При стационарных и квазистационарных условиях, полагая левые части уравнений приведенной выше системы равными нулю, находим: при H = 1 P/ч N_e ≈ 3,5 • 10^-3 1/см³, N⁺ ≈ N^- ≈ 6,5 • 10⁵ 1/см³.

Из сравнения концентраций электронов и ионов видно, что электронной составляющей плазмы в приграничном слое атмосферы можно пренебречь.

Можно отметить, что все носители положительных и отрицательных зарядов в воздушной среде характеризуются различной подвижностью μ.
При равных массах ионов M подвижность μ отрицательных ионов больше, чем положительных. Коэффициент рекомбинации легких ионов составляет величину порядка 2 • 10^-6 см³/с, а тяжелых на 3-4 порядка меньше.

На фиг. 3 представлено распределение мощности дозы по радиусу r и оси трубы H(r, z), полученное для источника в виде вентиляционной трубы. 9 - зависимость мощности дозы H гамма-излучения от высоты z на оси цилиндра (при z=0), 10 -зависимость мощности дозы H от радиуса r при z = const.

Анализ распределения мощности дозы и соответственно концентрации ионов, пропорциональной распределению H(r,z), затруднения в понимании и объяснении наблюдаемых радиолокационными станциями РЛС "свечей" (столбов) от радиоактивных пятен над подстилающей поверхностью и радиоактивными захоронениями, а также устойчивость этих образований не позволяет дать разумной интерпретации экспериментальным данным без привлечения дополнительной информации об электрическом и магнитном полях Земли и особенности атмосферы в ее пограничном слое.

Автором проводился детальный анализ образования плазмоидов с учетом электрического и магнитного полей Земли.

Анализ показывает, что воздействие электромагнитных полей Земли на ионизированную под действием радиации область воздушной среды приводит к образованию устойчивых в поперечном направлении плазмоидов (в виде длинных цилиндров или вытянутого усеченного конуса в своей плоской проекции или других конфигураций тел вращения), достигающих по высоте от нескольких сот метров до нескольких км. В отсутствие внешнего электрического поля пространственное распределение ионов определялось бы амбиполярной диффузией. Причем размеры плазмоида определяются поперечными размерами области радиоактивного загрязнения (подстилающей поверхности) или факела выбросов радиоактивной примеси в атмосферу.

Поэтому в заявленном предложении и предлагается при дистанционном контроле зондировать сопутствующую радиации область ионообразования - плазмоиды. Локация высотных плазмоидов (несколько км) с больших расстояний (до 500 км) с помощью действующих РЛС открывает большие возможности по оценке радиационной обстановки различных регионов.

Из анализа распределения мощности дозы H, представленной на фиг. 3 (в зависимости от радиуса r при заданном z; зависимость - 10), следует, что область, где градиент мощности дозы наибольший, равна примерно двум диаметрам вентиляционной трубы. Если учесть, что пространственное распределение мощности дозы бета-излучения имеет подобное ограничение (пробег электронов в воздухе с E_e≈ 0,5 МэВ составляет R_e ≈ 1,5 м), то становится очевидным, что фронтальное распределение ионов в источнике также будет иметь достаточно резкую границу. Более того, столь же резкую границу будут иметь и плазменные образования. Это следует из того, что размытые фронта ионной плазмы за счет амбиполярной диффузии в отличие от нейтральных частиц не может быть больше радиуса Дебая.

Отсюда следует еще один вывод - после достижения равновесия и стабилизации во внешнем магнитном поле Земли фронтальная поверхность ионной плазмы будет также иметь резкую границу, что позволяет использовать градиентный механизм отражения электромагнитных волн от плазменных образований плазмоидов (метод локации) для оценки радиационной обстановки в зонах контроля.

Формирование плазмоидов осуществляется в реальной атмосфере, характеризующей своим составом и, следовательно, дисперсным составом ионов, а также определенными параметрами среды: относительной влажностью D, температурой T, давлением P и конвективным процессом воздуха со своей вертикальной скоростью U₀ воздушного потока, так что в общем случае плазмоид формируется из совокупности легких аэроионов и тяжелых заряженных ионов - микрочастиц пыли или водных капель, адсорбирующих легкие ионы. Концентрация водных капель в воздухе зависит от его температуры, давления и влажности.

Анализ всех реальных факторов, влияющих на формирование плазмоидов, позволил автору установить корреляционные связи между параметрами радиоактивной зоны (мощностью выброса для факельных объектов и плотностью поверхностной активности для радиоактивных загрязнений подстилающей поверхности) и сигналом отклика радиолокационных систем наблюдения. Ниже приводятся упомянутые выше корреляционные связи.

A. Соотношение между коэффициентом отражения R (сигналом отклика РЛС) и плотностью поверхностной активности подстилающей поверхности в зоне контроля можно получить исходя из известных и установленных автором факторов.

Коэффициент отражения |R| (его модуль) в общем случае имеет вид: где λ₀ - длина волны падающего радиоизлучения, c - скорость света, M - масса тяжелого иона, N

В общем случае концентрация ионов N

Дифференцируя концентрацию N

Из литературных данных известно, что для объемной активности мощность дозы можно представить следующими соотношениями:
где E_i - энергетические линии нуклидов в источнике, а η_i - квантовый выход соответствующей гамма-линии. С другой стороны A_ν = P_вq_ед(x, y, z), где P_в - мощность объемного источника или в нашем случае - мощность выброса (Кюри/с), а q_ед - концентрация радиоактивной примеси объемного источника при P_в = 1.

Подставляя для коэффициента отражения вместо производной по r производную по y (излучение идет на наблюдателя - см.фиг.1), имеем для

Из вышеприведенных данных следует, что между коэффициентом отражения сигнала РЛС и мощностью выброса имеется следующее корреляционное соотношение

где η_i - квантовый выход i-й составляющей энергетического спектра E_i; q_ед(x, y, z) - пространственное распределение активности в выбросе (при единичной мощности выброса P_в = 1 Ки/с; вычисляется производная по координате y - направлению к точке нахождения РЛС, см.фиг.1).

Функция q_ед((x, y, z), например, для точечного источника может быть описана выражением:

где S_ед(x,z) и σ_y(x) - известные функции /4/ при P_в = 1, так что функция

будет иметь вид

Исследования, проведенные автором, показали, что первичная причина возникновения плазмоидов, простирающихся до больших высот (несколько км над уровнем Земли), преимущественно обусловлена наличием объектов ионизации в пограничном слое атмосферы. Объекты ионизации - это радиоактивные образования факельного типа либо различного вида поверхностные радиоактивные загрязнения. И в том, и в другом случае в пограничном слое атмосферы появляются ионы различной полярности (это легкие, средние и тяжелые ионы атомарного и молекулярного азота, кислорода, в том числе адсорбированные на каплях тумана и других частицах), а также ионы кластерного типа, когда к ионам присоединяются десятки молекул воды. В результате диффузионно-рекомбинационных процессов, атмосферных течений воздушного потока и воздействия электрического и магнитного полей Земли возникают стабилизированные воздушные столбы над приповерхностными объектами радиации - плазмоиды.

Согласно заявленному предложению для дистанционной оценки радиационной обстановки осуществляют выбор зоны контроля с наличием радиоактивных выбросов или загрязнений 1 (см. фиг.1).

Над зоной контроля осуществляют зондирование плазмоидов 1 (см. фиг.1) радиоизлучением 5 действующих или специально установленных для этих целей РЛС 2. Регистрируют сигнал отклика - коэффициент отражения |R| = P_r/P_t, где P_r - мощность принятого РЛС сигнала, P_t - излучаемая РЛС мощность.

Далее по приведенным в разделах А и Б соотношениям и измеренному коэффициенту |R| вычисляют радиационные параметры зоны контроля - мощность выброса P_в либо плотность поверхностной активности загрязнения q₀ и по вычисленным радиационным параметрам судят о радиационной обстановке зоны контроля.

Для зондирования можно использовать диапазон длин волн λ = (λ_н÷λ_в). Нижняя граница соответствует концу сантиметрового участка, а верхняя - соответствует метровому участку диапазона (фиг.4 - зависимость 11). Как следует из анализа, проведенного автором, предпочтительным является зондирование в метровом диапазоне. Это следует из того, что условие неприменимости приближения геометрической оптики при распространении электромагнитной волны в неоднородных средах, т.е. условие, при котором будет иметь место отражение, выполняется тем эффективнее, чем больше длина волны. Для санти- и дециметрового диапазона эффект также должен наблюдаться при целом (z₂-z₁)/λ, где (z₂-z₁) - поперечный размер плазмоида, что не противоречит экспериментальным данным.

Необходимым условием для оценки радиационной обстановки является знание параметров воздушной среды в зоне контроля. Это относительная влажность D, плотность P, температура T, а также скорость конвективного потока в зоне контроля, т.е. вертикальная скорость воздушного потока U₀. Эти параметры хотя непосредственно не входят в корреляционные соотношения, но от них зависят входящие в эти соотношения параметры ионообразования, рекомбинации (через подвижности ионов, коэффициентов диффузии т.д.), а также распределение концентрации ионов по высоте. Если измерения проводятся с небольших расстояний, то можно сказать, что параметры в зоне контроля и в месте наблюдения близки. Если измерения проводятся на больших расстояниях, то необходимые параметры можно запросить с места контроля через региональные метеорологические службы. В принципе это не является проблемой.

Достоверность предлагаемого способа контроля радиационной обстановки подтверждается данными многочисленных натурных измерений в зонах с радиоактивными объектами /3/.

Источники информации
1. Патент РФ N 2042157, G 01 T 1.16, 20.08.95.

2. Высотная зависимость спектров земного гамма-излучения: простая модель/Пер. с английского. P 23-284, 23 c.. Bailey R.C. The altitude dependence of terrestrial spectra: simple model. Journal "Geophysics", vol. 51., n.11, p.2108-2116.

3. Боярчук К.А., Кононов Е.Н., Ляхов Г.А., Радиолокационное обнаружение областей локальной ионизации в приземных слоях атмосферы. Письма в ЖТФ.-1993, т.19, вып.6, с.67-72.

4. Елохин А. П и Кононов Е.Н., Применение радиолокационных станций для обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу. Атомная энергия. Т.80. Вып. 1, 1996, январь с.47-54.

5. Диденко А.Н. и др. Использование импульсных радиолокаторов СВЧ-диапазона для контроля радиоактивных выбросов в атмосферу. Атомная энергия. Т. 80, Вып. 2. 1996, февраль, с.129-135.

6. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. -М.: Атомиздат, 1966, 311 с.

Приложение
К заявке на "Способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений".

В формуле предлагаемой заявки отмечается о необходимости измерений, наряду с коэффициентом отражения |R| зондирующего излучения от плазмоидов, таких параметров воздушной среды в зоне контроля, как относительная влажность D, температура T, давление P и вертикальная составляющая воздушного (конвективного) потока U₀.

В то же время в корреляционные соотношения между |R| и мощностью выброса P_в либо плотностью поверхностной активности q₀ параметры воздушной среды непосредственно не входят. С другой стороны, в соотношениях фигурирует выражение вида:

где N_k - концентрация нейтральных капель воды, k_c - коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды, k_r - коэффициент рекомбинации ионов.

Можно показать, что коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды

где D_a = 2,

r₀ ≈ 10^-3 см,

k - постоянная Больцмана,
e - заряд электрона,
μ_± - подвижности аэроионов (табличные величины), D_± - коэффициенты диффузии аэроионов; C_± - тепловые скорости аэроионов, k_r - коэффициент рекомбинации ионов (табличная величина);

V_ед - 1 см³,
R - газовая постоянная (R = 461 Дж/кг К);
D - относительная влажность;
P_нас - давление насыщенных паров воды в атмосфере при заданной температуре;
ρ(T) - плотность воды при заданной температуре (табличная величина);
μ - вес г-моля воды = 18.

Все перечисленные выше табличные величины подразумевают, что их значения при расчетах выбирают в зависимости от параметров воздушной среды. Кроме того N_k - концентрация капель воды в атмосфере является функцией атмосферных потоков, в частности, концентрация капель воды по высоте формируется, в том числе, в зависимости от вертикальной скорости воздушного потока (см. ссылку 4).

Как следует из вышеизложенного, перечисленные в формуле параметры воздушной среды в корреляционные соотношения входят в неявной форме и знание их величин является необходимым фактором в оценке радиационной обстановки согласно заявляемому способу.