CC BY
48
УДК 621.039
ß./O. Попов, М.Е. Федосовский, АЮ. Туманов
МОНИТОРИНГ ИЗОТОПОВ КСЕНОНА ДЛЯ ЗАДАЧ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВАРИЙНЫХ И ПРЕДАВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЙ НА ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ
Образование изотопов ксенона в основном имеет техногенную природу и происходит в результате работы атомных электростанций, радиохимических предприятий по переработке ядерных отходов, исследовательских реакторов и несанкционированной ядерной деятельности.
Диагностировать аварийные и предаварий-ные состояния на ядерных энергетических объектах (ЯЭО) по анализу объемной активности изотопов ксенона весьма удобно, так как ксенон является благородным газом и при обычных условиях не вступает в химические реакции с другими элементами и химическими соединениями. В то же время измерение ксенона — весьма сложная техническая задача в связи с тем, что его концентрация в атмосферном воздухе незначительна (составляет 0,0087 %). Необходимо отметить, что другая существенная проблема связана с очисткой от мешающих примесей. Например, спектрометрический препарат должен быть очищен от радона более чем в 107 раз. Причина кроется в том, что радон имеет близкие энергии ß и у распада и фоновая активность его на порядки больше активности изотопов ксенона.
Измерение изотопов ксенона при контроле состояния ядерных энергетических объектов широко используется в странах Западной Европы и Северной Америке. Для этих задач используются как прямые, так и косвенные методы. Например, в Германии на протяжении последних 30 лет РБГ — ксенон, криптон измеряют в непрерывном режиме.
В Канаде же для контроля уровня выбросов на комбинатах по производству изотопов широко применяется косвенный метод. На близлежащей территории там установлено поле сцинтилляционных детекторов, предварительно откалиброванных с использованием высокочувствительного ксенонового оборудования.
В настоящее время мониторинг изотопов ксенона в РФ производится только при решении задач Договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). В 1996 году на заседании генеральной ассамблеи ООН был принят закон о запрещении испытаний ядерного оружия во всех средах, на основании которого в Вене (Австрия) была учреждена комиссия по подготовке данного закона. Также в Вене был создан международный центр данных, предназначенный для обработки информации, поступающей со станции международной системы мониторинга (МСМ).
По соотношению объемной активности изотопов ксенона (Хе131т, Хе133т, Хе131, Хе135) можно диагностировать режимы работы реактора. На рис. 1 показан годовой цикл образования изотопов ксенона в реакторе типа ВВЭР (топли-
135Хе/133Хе
I
-4-2 0 2
10 10 10 10
133тХе/131тХе
Рис. 1. Годовой цикл образования изотопов ксенона в реакторе типа ВВЭР
во — 3,2 %-й обогащенный иЬ5). При нормальной работе, запущенного реактора соотношение изотопов соответствует точке равновесия (метка 2 графика на рис. 1). Если отношение находится справа от линии раздела, то это может свидетельствовать о неконтролируемой цепной реакции. На представленном рисунке видно, что в данном домене реактор находится только во время запуска со свежим топливом (участок 1 кривой). Кратковременное увеличение Хе " наблюдается после остановки реактора (участок 3 кривой). Участок 4 кривой связан с радиоактивным распадом после остановки реактора для проведения его плановой проверки. Участок 5 кривой соотносится с плановой проверкой реактора и низким нейтронным пучком во время ее проведения. Участки 6 и 7представляют собой соответственно запуск реактора на полную мощность и достижение точки равновесия.
При нормальной эксплуатации АЭС накопленные в реакторе радиоактивные вещества практически не могут попасть в окружающую среду благодаря ряду защитным барьерам на пути их возможного выхода. Наиболее значительную роль в формировании радиационной обстановки в районе размещения АЭС играют инертные радиоактивные газы и изотопы йода.
Механизм выхода летучих радиоактивных веществ в окружающую среду из технологического цикла АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК имеет ряд различий. Основной путь поступления газо-аэрозольных выбросов в окружающую среду от реакторов ВВЭР — это дегазация и испарение воды теплоносителя первого контура. Вода насыщается радиоактивными веществами в результате активации и непосредственного ее контакта с негерметичными оболочками ТВЭЛов. Непосредственным источником поступления в атмосферный воздух летучих радиоактивных веществ от реактора ВВЭР служит вентиляционная система герметичных помещений первого контура и самого реактора. Нуклидный состав газообразных выбросов АЭС с РБ М К в основном определяется газами, поступающими с инжекторов турбины, — это радионуклиды продуктов деления (радионуклиды криптона и ксенона).
Все парогазовые и аэрозольные выбросы с АЭС проходят систему очистки. Вначале их выдерживают определенное время в газгольдерах (камеры выдержки) для распада короткоживу-щих радионуклидов или производят их очистку
на специальных установках подавления активности. Для очистки вентиляционного воздуха от аэрозолей в составе вентиляционных систем на АЭС предусматриваются фильтровальные станции. Это блоки с различными адсорбирующими фильтрами (угольные, аэрозольные). Эффективность очистки на таких фильтрах довольно высока. Поэтому наиболее целесообразно для определения активности всех четырех изотопов ксенона производить забор воздушных проб из системы вентиляции реакторного зала до систем очистки. Несмотря на все предпринятые меры очистки, значительная часть РБГ попадает в окружающую среду и позволяет производить измерения объемных концентраций изотопов ксенона на значительном расстоянии от точки инжекции.
К сожалению, прямой метод измерения ксенона на данный момент на ЯЭО в РФ не применяется. Оценка выбросов ксенона производится косвенным путем при помощи соотнесения расчетных данных с измеренной мощностью дозы. Измеряя объемные активности изотопов ксенона в системе вентиляции реакторного зала можно также довольно-таки точно определять уровень выбросов 1Ь|, 1Ь"> а также аэрозольные выбросы изотопов стронция и цезия — Сзь4 и Сб"'7, — продуктов распада газообразных нуклидов, которые являются основным фактором, влияющим на радиационную обстановку вблизи АЭС.
Таким образом, измеряя изотопы ксенона в ЯЭО и на значительном удалении от него, можно решать следующие задачи:
производить проверку текущего состояния реактора (подтверждение его точки равновесия или определение текущего технологического процесса);
по величине объемной активности изотопов ксенона определять радиационное состояние активной зоны реактора (наличие трещин в ТВЭЛ, герметичности контура охлаждения и т. д.);
косвенным путем по схемам распада и зная коэффициент очистки на угольных и аэрозольных фильтрах, производить определение уровня аэрозольных и газовых радиоактивных выбросов и таким образом оценивать радиационную обстановку вблизи и на удалении от ЯЭО;
с большой вероятностью обнаруживать аварию на ЯЭО по факту регистрации значительного превышения хотя бы одного изотопа ксенона;
сигнализировать о скором приходе радиоактивных аэрозолей по факту обнаружения превышения объемной активности изотопов ксенона при известной априорной информации об аварии наЯЭО;
Мониторинг ксенона на удалении от ЯЭО предъявляет более высокие требования к техническим параметрам ксенонового оборудования, но позволяет контролировать состояние нескольких ЯЭО. При установке оборудования за пределами ЯЭО также необходимо проводить непрерывный мониторинг метеоусловий с высоким шагом разрешения. Уже созданы и опробованы на практике модели переноса воздушных масс, позволяющие с большой вероятностью определять предполагаемые координаты точки инжек-ции ксенона. Дополнительно данный подход позволяет контролировать объекты за пределами РФ, а также в некоторых случаях производить контроль за несанкционированной деятельностью других стран, тем самым расширяя текущую сеть мониторинга по ДВЗЯИ. Так, например, установка станции мониторинга в Санкт-Петербурге позволит производить мониторинг трех российских и двух иностранных АЭС (рис. 2), а также исследовательского реактора в г. Гатчине (Ленинградская область).
Для задач мониторинга изотопов ксенона в приземном слое атмосферного воздуха в Ради-
евом институте имени В.Г. Хлопина был разработан комплекс АШХ-02. Данный комплекс может быть использован как для задач определения аварийных и предаварийных состояний на ЯЭО, так и для задач ДВЗЯИ. Внешний вид комплекса представлен на рис. 3, а его основные технические характеристики сдедующие:
Производительность по отбору
воздуха.......................................................2, м3/ч
Режим пробоотбора........................непрерывный
Параметры режима пробоотбора для одного канала:
время пробоотбора;..........................................12 ч
суммарный объем отобранного воздуха......20 м3
Режим работы
комплекса...................... автомат, управление
Время измерения препарата
ксенона в спектрометре................................18 ч
Время до доклада..............................................34 ч
Частота предоставления результатов...................................дважды в день
Методы измерения: концентрации
ксенона..........................газовая хроматография
активности ШшХе,
133тХе, 133Хе, 135Хе...............сцинтилляционный,
у-спектрометр Р-у-сов-падений
Рис. 2. Зона слежения за ЯЭО станции мониторинга в Санкт-Петербурге
Рис. 3. Комплекс АЮХ для мониторинга изотопов ксенона в приземном слое воздуха
Минимальная детектируемая концентрация (МБС) при стандартном режиме пробоотбора и измерения при доверительном уровне Р = 0,95/Р =0,68:
..............................0,3/0,1 мБк/м3
..............................0,4/0,1 мБк/м3
..............................0,2/0,1 мБк/м3
.............................0,9/0,3 мБк/м3
для Хе . для133тХе . для133Хе ... для135Хе ...
Мощность, потребляемая от трехфазной сети 380±38 В, 50±2,5 Гц и однофазной сети 220±22В, 50±2,5 Гц:
средняя (в сутки);................................... 6,2 кВА
пиковая (дважды в сутки по 2 часа).....9,2 кВА
Комплекс АЯ1Х установлен на трех станциях МСМ, в 2012 году планируется установка еще на двух станциях на территории РФ. Во время опытной эксплуатации были подтверждены заявленные технические характеристики комплекса, его надежность и целесообразность применения для задач мониторинга неисправностей на ЯЭО. На графиках рис. 4 и 5 представлены результаты объемной концентрации изотопов Хе133 и Хе135 в регионе г. Буэнос-Айреса (Аргентина) по данным опытной эксплуатации комплекса АЯ1Х-02.
Представленные данные наглядно демонстрируют значительные превышения объемных концентраций изотопов ксенона. В среднем раз в два месяца регистрировались тысячекратные превышения объемной активности Хе и Хе135. Значительные превышения изотопов ксенона регистрировались еженедельно. Источником радиоактивных выбросов является исследовательский реактор ЯА-З, расположенный в 30 км от станции мониторинга. Данный реактор был создан в Аргентине и относится к легководяному типу с топливом на низкообогащенном уране. Мощность реактора составляет 4,5 МВт. Основное предназначение реактора — производство изотопов.
Объемная активность Хс135, Бк/м3
30.12.2008 18.02.2009 29.04.2009 05.07.2009 Дата
Объемная активность Хс133, Бк/м3
26.11.2008 19.01.2009 10.03.2009 18.05.2009 29.07.2009 Дата
Рис. 4. Объемная активность Хе135, измеренная на станции 1^01 (Буэнос Айрес, Аргентина)
Рис. 5. Объемная активность Хе133, измеренная на станции 1^01 (Буэнос Айрес, Аргентина) в приземном слое атмосферного воздуха
В ближайшее время планируется увеличить мощность реактора до 10 МВт, создать дополнительные фильтровальные установки в системе вентиляции, а также производить мониторинг ксенона в непосредственной близости от реактора.
По результатам опытной эксплуатации комплекса АШХ-02 установлено, что фон Хе1" в регионе Буэнос-Айреса составил 0,6 мБк/м"\
Высокий антропогенный фон объемной активности изотопов ксенона в районе станции
МСМ ШМ01 делает неэффективным размещение на ней ксенонового оборудования для задач ДВЗЯ И. В то же время полученные данные подтверждают способность комплекса АШХ-02 производить мониторинг аварийных состояний на ЯЭО и целесообразность его использования для этих задач. Следует отметить, что для каждого типа ядерного объекта необходима своя модель определения его текущего состояния по результатам мониторинга изотопов ксенона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов, В.Ю. шХе в приземном слое воздуха Санкт-Петербурга [Текст] / Ю.С. Попов, Ю.В. Ду-басов, В.Ю. Попов, Н.М. Казаринов, В.В. Ми туринский, Н.В. Скирда // Радиохимия,— 2005. Т. 47. № 5,- С. 472-475.
2. Попов, В.Ю. Измерение низких активностей ксенона осколочного происхождения методом р-у совпадений / Ю.С. Попов, Н.М. Казаринов, В.Ю. Попов, Ю.М. Рыков, Н.В. Скирда // Приборы и техника эксперимента,— 2005. N° 2,— С. 1—7.
3. Попов, В.Ю. Автоматическая установка АРИКС-01 для измерения концентраций радиоактивных изотопов ксенона в атмосферном воздухе [Текст] / Ю.В. Дубасов, Ю.С. Попов, В.В. Пре-
ловский |и др.] // Приборы и техника эксперимента,- 2005. № 3,- С. 108-104.
4. Попов, В.Ю. Мобильная полуавтоматическая установка АРИКС-ОЗП для измерения низких концентраций радиоактивных изотопов ксенона в воздухе и подпочвенном газе [Текст] / В.В. Пре-ловский, Н.М. Казаринов, А.Ю. Донец [и др.] // Приборы и техника эксперимента,— 2007.— М? 3,- С. 117-121.
5. Попов, В.Ю. Environmental Radioxenon Levels in Europe: a comprehensive overview [Текст] / V. Popov, P. R.J. Saey, C. Schlosser, P. Achim [et al.| // Pure and Applied Geophysics.— 2010,— Bazel, Switzerland.- DOl 10.1007/s00024-009-0034-z
УДК 574
A.C. Куракин, C.B. Холодкевич, С. Пурвиня, И. Барда, Э. Римша, A.B. Кулинкович
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ РИЖСКОГО ЗАЛИВА
Влияние деятельности человека на загрязненность акваторий Балтийского моря было замечено еще в начале прошлого века, но именно в течение последних десятилетий экологическое состояние моря заметно ухудшилось [1, 6, 7]. Небольшой объем моря, а также длительный период обновления вод (30—50 лет) определяют его низкую способность к самоочищению и высокую чувствительность к антропогенному воздействию со стороны примыкающих регионов [ 12], обусловленному в первую очередь производством атомной энергии, сельским хозяйством, транспортировкой нефти и нефтепродуктов,
сбросом бытовых и производственных сточных вод и др. [13,15,17]. Антропогенная нагрузка на акватории Балтийского моря в значительной степени связана с поступлением загрязнений с водами рек его бассейна. Так, за счет сточных вод от промышленной и бытовой деятельности ежегодно в море попадают 600 тыс. тонн нефти, 4 тыс. тонн меди, 4 тыс. тонн свинца, 50 тонн кадмия и 33 тонны ртути [ 14]. Комплексный подход к предупреждению последствий негативных антропогенных воздействий на экосистему Балтийского моря определяет необходимость геоэкологического мониторинга как акваторий моря,
