CC BY
8
/42 "Civil SecurityTechnology", Vol. 19, 2022, No. 3 (73) УДК 621
Система динамического мониторинга воздуха, загрязненного пылью с альфа-частицами, с целью минимизации рисков облучения населения
ISSN 1996-8493
D01:10.54234/CST. 19968493.2022.19.3.73
© Технологии гражданской безопасности, 2022
П.М. Юданов
Аннотация
В статье рассмотрены система динамического радиационного контроля (СДРК) воздуха, содержащего мелкодисперсные частицы с альфа-нуклидами, а также вопросы применения таких систем для дистанционного анализа проб в средах с сопутствующим гамма-излучением с высокой мощностью дозы. Автор проводит оценку, сравнение и анализ работы современных пробоотборников пыли дистанционного и прямого управления и индикаторов радиоактивного загрязнения в различных условиях, а также делает вывод о возможности их применения подразделениями МЧС России, привлекаемыми для борьбы с последствиями радиационных аварий и инцидентов, а также персоналом предприятий при контроле вывода из эксплуатации объектов атомной промышленности для мониторинга активности альфа-пыли в загрязненных участках, куда специалисты физически не могут войти.
Ключевые слова: радиационное загрязнение воздуха; контроль воздуха; система динамического мониторинга; анализ проб воздуха; минимизация рисков облучения населения.
Dynamic Monitoring System for the Air Polluted with Alpha-Particle Dust to Minimize the Risks of Public Exposure
ISSN 1996-8493
D01:10.54234/CST. 19968493.2022.19.3.73 © Civil Security Technology, 2022
P. Yudanov
Abstact
The article discusses the system of dynamic radiation monitoring of air containing fine particles with alpha-nuclides, as well as the use of such systems for remote analysis of samples in the areas with the high dose rate concomitant gamma radiation. The author evaluates, compares and analyzes the work of modern remote and direct control dust samplers and indicators of radioactive contamination in various conditions, and also concludes that they can be used by the Emercom of Russia units involved in combating the consequences of radiation accidents and incidents, as well as by the enterprises personnel when checking nuclear industry facilities decommissioning to monitor alpha dust activity in polluted areas where specialists cannot physically enter.
Key words: radiation pollution of the air; air control; dynamic monitoring system; analysis of air samples; minimization of public exposure risks.
29.04.2022
Введение
Системы динамического контроля аэрозольного радиоактивного загрязнения воздуха незаменимы для проверки радиоактивного загрязнения воздуха в рабочих помещениях предприятий атомной промышленности [7]. Эти системы состоят из детектора альфа-частиц, воздушного фильтра и пробоотборника воздуха, установлены для мгновенного обнаружения переносимого по воздуху альфа-загрязнения, например — частиц плутония [8-9]. В целом эти системы громоздкие и закреплены в определенных местах, как правило, в рабочих помещениях [10]. Если происходит заражение, частицы плутония с пылью распределяются по всему рабочему помещению. Информация о пространственном распределении загрязнения полезна для определения источников загрязнения и составления планов вывода их из эксплуатации. Однако нынешние стационарные системы мониторинга измеряют только уровни загрязнения в указанных местах. Для того чтобы изменить способы наблюдения за помещениями, сотрудник должен войти в загрязненное рабочее помещение, что повышает риски облучения.
Автономные удаленные системы визуализации загрязнения аэрозольными частицами, испускающими альфа-излучение, были недавно разработаны для удаленной визуализации альфа-загрязнения [11]. Эти системы обнаруживают ультрафиолетовый (УФ) свет, образующийся при взаимодействии между альфа-частицами и молекулами азота (№) в воздухе. Однако поскольку количество испускаемых УФ-фотонов очень мало (19 ± 3 фотона на 1 МэВ) [12], пределы обнаружения этих систем достаточно высокие [14].
Кроме того, по-прежнему сложно отличать УФ-фотоны, индуцированные альфа-частицами, от естественного окружающего света. [13]. Существующие мобильные системы мониторинга воздуха, которые могут позволить контролировать гибкость местоположения, по-прежнему обязывают физически взаимодействовать с пробоотборником в загрязненном рабочем помещении, и таким образом риск внутреннего облучения остается на высоком уровне. Исследования в мире по разработке систем дистанционного радиационного контроля на базе автоматической системы мониторинга значительно интенсифицировались с тех пор, как произошла авария на атомной электростанции Фукусима. Однако большинство таких исследований сосредоточено на удаленных гамма-измерениях [15-17] Используя удаленную систему, работнику не нужно заходить на площадку и для него нет никакого внутреннего или внешнего риска получить облучение. Подобные системы могут удаленно использоваться для получения пространственного распределения альфа-загрязнения. На данный момент разработано очень мало таких систем [18].
В описанной системе используются встроенный источник излучения и детекторы, такие как пропорциональные счетчики для альфа частиц, бета-частиц
и гамма-лучей. Тем не менее, эта система достаточно поверхностная, она способна измерять только поверхностное, а не воздушно-капельное загрязнение территории. Система определяет альфа/бета-загрязнения на площадке, но она не может измерять воздушное загрязнение в пространстве. Персональный пробоотборник постоянного действия воздуха (роСАМоп) работает от батареи (~30 ч), он легкий (1,3 кг) [19] и способен измерять альфа-спектры, а также спектральные интервалы излучения для различения изотопов Ри и 222Яп. Он хорошо подходит для разработки удаленной системы контроля воздуха, загрязненного пылью с альфа-частицами, в тандеме с автоматизированной системой. В этой статье были рассмотрены удаленная система мониторинга альфа-воздушных загрязнений на базе пробоотборника роСАМоп и ее возможности в существующей радоновой среде.
Материалы и методы
В этом исследовании дистанционный пробоотборник (роСАМоп) использовался для альфа-мониторинга воздуха. В мониторе использовались: кремний с инжектированными ионами площадью 400 мм2; детектор с эффективностью регистрации (4п) 20% [4]. Мембранный воздушный фильтр диаметром 25 мм, со степенью осаждения> 99,9% был помещен под детектор для улавливания воздушной пыли [20].
При использовании мембраны воздушный фильтр уменьшил эффект самопоглощения альфа-частиц. Монитор воздуха был оснащен насосом с расходом 3 л / мин, установленным на роботе и удерживаемым манипулятором. Робот был с батарейным питанием, управляемый дистанционно с расстояния примерно 30 м. Было проведено измерение источника альфа-частиц с энергией 5,5 МэВ от 241 Ат, активностью 3,7 кБк. Стоит отметить, что значения энергии данного источника сравнительно близки к энергии альфа-частиц 238Ри.
Проведены дополнительные демонстрационные измерения в плоховентилируемом бетонном здании. Измерение проводилось на уровне земли и под землей. Средняя концентрация 222Яп составляла ~ 200 Бк / м3 на уровне земли. Продолжительность измерения была около 3 ч. После отбора проб пробоотборник продолжал измерять распад 218Ро и 214Ро. Измерение распада выполнялось более 3 часов.
Подобные системы мониторинга, как правило, используются для непрерывного альфа-мониторинг воздуха в средах с высоким уровнем гамма-излучения, куда персонал не может получить безопасный доступ. Для подтверждения того, что система может работать в таких средах с мощностью дозы гамма-излучения в 100 мЗв/час, были проведены исследования с непрерывным воздушным альфа-мониторингом в таких условиях. Были использованы источник 137Cs с активностью в 1,85 ТБк, а также пучок гамма-лучей с 10-минутными прерываниями.
Полученные результаты
На рис. 1 показан измеренный энергетический спектр альфа-излучения. Показаны альфа-частицы с энергией 5,5 МэВ от источника 241Am.
Пик был зафиксирован в альфа-энергетическом спектре. Имелся низкоэнергетический хвост предположительно из-за зазора, присутствовавшего внутри кремниевого детектора.
На рис. 2 показаны измеренные энергетические спектры альфа-излучения из подземного полигона МШ с 10-минутном нтервалом измерения альфа-энергии 218Ро и 214Ро составили 6,0 и 7,7 МэВ, соответственно, и оба пика218Ро и 214Ро были явно идентифицированы.214Ро имеет более длительный период полураспада, чем 218Ро, и таким образом пик214Ро стал доминирующим по времени.
На рис. 3 показано сравнение альфа-спектров 241 Ат и 222Яп после достижения равновесия. Альфа-спектр 241 Ат (5,5 МэВ) полностью отличается от 214Ро (7,7 МэВ), который является доминирующим среди частиц, произошедших от 222Яп. Излучение от 218Ро считалось фоном при измерении излучения от частиц плутония.
jr П
■&г- г 241 Am (S.SMeV) f ** i !MPo (7.7MeV)
i *
* i *
P f
i i i IISPo (6.0MeV) J / 7
J ^..........ri- Ц
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Энергия [keV]
Рис. 3. Сравнение альфа-спектров 241Am и 222Rn
На рис. 4 показаны изменения активности 218Po и 214Po, измерены на уровне земли и в подвале: как функция времени 218Po быстро достиг равновесия, в то время как 214Po достигал стабилизации достаточно медленно. Когда система наблюдения была перенесена в подвал, динамика изменений увеличилась. Эти результаты были похожи на результаты из подземных исследований упомянутых ранее. Измеренные значения скорости 218Po вне вентилируемого бетонного здания были ниже, чем у MIU, что соответствует концентрациям 222Rn.
В противоположность измеренным значениям скорости 214Po в плоховентилируемом бетонном здании они были выше, чем в MIU.
На рис. 5 показаны кривые затухания 218Po и 214Po после прекращения отбора проб.
Показания по 218Po быстро падали, в то время как по 214Po уменьшались только после 220 мин. На рис. 6 показаны альфа-спектры во время и после гамма-облучения. Влияние гамма-лучей зафиксировано более чем 4,0 МэВ и может быть отделен от установленного пикового порога альфа-излучения. Вся ширина полувысоты (FWHM) альфа-пика при 7,7 МэВ стала шире при облучении гамма-лучами (без облучения: FWHM = = 246,5 кэВ, а с облучением: FWHM = 1037,7 кэВ).
Рис. 1. Зафиксированный пик альфа-излучения 241Am.
4000 SOOO №00 7000 S000 »000 4000 f000 (ООО 7000 «ООО W00 4000 5000 6000 7000 »000 1000
Энергия (keV| Энергия [keV] Энергия [keV¡
W Альфа-спектр № Альфа-спектр
4000 foot am 7000 ftOOO КОП 4000 5000 6000 7000 S000 WOO 4000 5000 ÍUOO 7000 8000 woo
Энергия [keV) Энергия (fceV) Энергия ¡keV]
Рис. 2. Измеренные энергетические спектры альфа-излучения 218Po и 214Po
Пройденное врем к [mill] Пройденное креш [min]
Рис. 4. Сравнение активности 218Ро и 214Ро в разных условиях
Рис. 5. Кривые затухания 218Po и 214Po
Рис. 6. Альфа-спектры во время и после гамма-облучения
Рис. 7. Изменение значений гамма-облучения во времени
На рис. 7 видно изменение значений гамма-облучения во времени. Гамма-облучение было выполнено после насыщения 214Ро. Альфа-значение скорости было стабильным при гамма-облучении.
Анализ результатов
Продемонстрированная СДРК и проведенные измерения на подземной учебной площадке МЩ в пло-ховентилируемом бетонном здании являются весьма показательными. Пробоотборник управлялся дистанционно и успешно измерял частицы альфа-пыли (семейство 222Кп) даже в тоннеле, где влажность, а значит
и процент УФ излучения, была почти 100%. Датчик мог измерять пыль, загрязненную альфа-частицами во время облучения 100 мЗв/час. Эта мощность дозы была сопоставимой с максимальной мощностью доз в зданиях реактора атомных станций; следовательно, СДРК можно использовать в средах с высоким уровнем гамма-излучения, в том числе в целях дезактивации.
Энергетического разрешения монитора было достаточно, чтобы идентифицировать пик 218Ро (6,0 МэВ в альфа-спектре) и 214Ро. (7,7 МэВ в альфа-спектре). Если на фильтре собралась альфа-пыль с содержанием плутония, то пик ожидается на уровне от 5.1 МэВ (239Ри) до 5,5 МэВ (238Ри). Стоит отметить, что энергетическое разрешение данных ухудшилось при одновременном действии гамма-излучения. Одной из возможных причин этого является наложение импульсов. В целом энергетическое разрешение ухудшается с увеличением значения входной скорости частиц [3]. Другая возможная причина — обнаружение корреляции пиков альфа-гамма излучения во времени.
Коэффициенты равновесия, измеренные на подземной площадке МШ были до 0,35. Скорость 214Ро в плоховентилируемом бетонном здании была выше, чем в упоминавшемся подземном полигоне, несмотря на то, что концентрация 222Яп в плоховентилируемом бетонном помещении была ниже, чем на базе МШ. Это случилось из-за того, что средний коэффициент равновесия при плохой вентиляции бетонного здания был высоким (0,68). Пока данное значение коэффициента равновесия было высоким, оно все еще находилось в пределах диапазона коэффициентов равновесия: от 0,2 до 0,8, и соответствовало НКДАР ООН для жилищ [1]. Следовательно, СДРК успешно измерила количество альфа-пыли (производные радона) в окружающей среде. Кривые нарастания для 218Ро и 214Ро, полученные при одновременном измерении в разных местах, показывают, что эти кривые соответствуют кривым, рассчитанным в предыдущих исследованиях [2].
Литература
1. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Report to the General Assembly with Scientific Annexes (2019).
2. Stajic, J. M., Nikezic, D. Analysis of radon and thoron progeny measurements based on air filtration. Radiat. Prot. Dosim. 163(3), 333-340 (2014).
3. Munemoto T., Ohmori K. and Iwatsuki, T. Distribution of U and REE on colloids in granitic groundwater and quality-controlled sampling at the Mizunami underground research laboratory. Prog. Earth Planet Sci. 1(1), 28 (2014).
4. Sato Y., Terasaka Y., Utsugi W., Kikuchi H., Kiyooka H., Torii, T. Radiation imaging using a compact Compton camera mounted on a crawler robot inside reactor buildings of Fukushima Daiichi nuclear Power Station. J. Nucl. Sci. Technol. 56(9-10), 801-808 (2019).
5. Sand J., Ihantola S., Perajarvi K., Toivonen H., Toivonen J. Optical detection of radon decay in air. Sci.Rep. 6, 21532 (2016).
6. Валуев Н. П., Никоненков Н. В., Сергеев И. Ю., Стасишин Л. А. Радиационный контроль транспортных средств с помощью переносных приборов и стационарных систем // Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. 2015. № 9. С. 35-39.
7. Валуев Н. П., Пушкин И. А., Стасишин Л. А. Повышение эффективности контроля наземных транспортных средств высокочувствительных дозиметрических систем // Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. 2013. № 8. С. 44-48.
8. Сергеев И. Ю., Гарелина С. А., Латышенко К. П., Валуев Н. П. Математическое моделирование дозиметрических систем контроля // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2020. № 1 (16). С. 64-68.
Особенности кривой нарастания определялись константой затухания радиоизотопа. Поэтому его также использовали, чтобы понимать, была ли альфа-пыль производным продуктом радона или частицами плутония, потому что 218Ро и 214Ро распались через 220 мин. Пробоотборник, используемый в системе, изначально был предназначен для мониторинга персонала и отбора проб. Его скорость была ограничена до 3 л / мин. Предельный лимит обнаружения для 12-часового измерения без насоса составил 0,001 Бк/ м3 для альфа-частиц после ожидания распада потомства 222Ип. Более высокая частота дискретизации может уменьшить предел обнаружения. Еще одним преимуществом системы СДРК была ее разумная цена. Общая стоимость системы СДРК была 15 000 долларов или меньше. Пробоотборник роСАМоп стоит 14 000 долларов при ориентировочной стоимости робота в 600 долларов. Эта цена значительно ниже, чем у прочих систем динамического радиационного контроля аэрозольных загрязнений воздуха.
Выводы
Система динамического мониторинга воздуха, загрязненного пылью с альфа-частицами, имеет следующие неоспоримые преимущества:
1. Система может измерять альфа-пыль удаленно и в разных точках загрязненной территории.
2. Применение системы позволяет делать успешные измерения альфа-спектра пыли с регулируемым энергетическим интервалом во времени, который определяет виды альфа-радионуклидов и распад альфа-пыли.
3. Система может работать при сопутствующем высоком уровне гамма-излучения в 100 мЗв/ час. Таким образом, СДРК будет полезна для мониторинга альфа-пыли в среде с высоким уровнем гамма-излучения или в загрязненных районах, куда затруднен доступ персонала.
9. Сергеев И. Ю., Валуев Н. П. Способ определения местоположения источника радиации в транспортном средстве при динамическом контроле. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2016. № 2. С. 70-75.
10. Валуев Н. П., Лысова О. В., Сергеев И. Ю. Оценка рисков радиационных инцидентов при динамическом контроле движущихся объектов. // Сб. докладов XX Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций «Глобальная и национальные стратегии управления рисками катастроф и стихийных бедствий». М., 2015. С. 169-171.
11. Сергеев И. Ю. Выбор методики определения вероятности обнаружения радиационной аномалии при динамическом контроле радиационной обстановки // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2019. № 1 (12). С. 8-11.
12. Сергеев И. Ю., Пашинин В. А., Валуев Н. П., Косырев П. Н. Способ аэродинамического контроля радиационной обстановки. // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 15. № 4 (58). С. 84-87.
13. Валуев Н. П., Никоненков Н. В., Стасишин Л. А. Автомобильная система динамического радиационного мониторинга территорий // Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. 2017. № 2. С. 37-41.
14. Сергеев И. С., Юркин Г. Ю., Шубкин Р. Г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Онлайн-калькулятор отнесения объектов защиты к определенной категории риска» № 2021669152. 2021.
15. Валуев Н. П., Сергеев И. Ю., Николаев Г. А. Обоснование рациональных параметров системы мониторинга радиационной обстановки // В сб.: «Химические и материаловедческие аспекты техносферной безопасности». Химки, 2021. С. 75-85.
16. Валуев Н. П., Пушкин И. А., Лысова О. В. Аппаратура для высокопроизводительного контроля радиационной обстановки // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 2. С. 21-24.
17. Сергеев И. Ю., Валуев Н. П. Определение параметров динамического радиационного контроля в акваториях // Сибирский пожарно-спасательный вестник. № 1(20). 2021. С. 63-67.
18. Мазаник А. И., Валуев Н. П., Сергеев И. Ю., Николаев Г. А. Методический подход к решению задачи обоснования рациональных параметров системы мониторинга радиационной об-
становки для обнаружения локальных источников ионизирующего излучения террористического происхождения // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2021. № 2 (21). С. 78-84.
19. Сергеев И. Ю., Валуев Н. П. Обнаружение и определение местоположения и радиационной опасности источников при динамическом мониторинге территорий // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2021. № 3 (22). С. 116-120.
20. Morishita Y. et al. Development of an alpha dust monitor using a GPS scintillator plate. Radiat. Meas. 122, 115-120 (2019).
Сведения об авторах
Юданов Петр Максимович: к. т. н., Академия гражданской защиты МЧС России, ст. препод. каф. механики и инженерной графики. Химки, Россия. SPIN-код: 3497-3807.
Information about authors
Yudanov Petr M.: PhD (Technical Sc.), Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia, Senior Lecturer, Department of Mechanics and Engineering Graphics. Khimki, Russia. SPIN-scientific: 3497-3807.
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Козлов И.А. и др. Индикация в различных природных средах агрессивных и радиоактивных химических веществ и методы их утилизации и конверсии. https://elibrary.ru/item.asp?id=48176202
Батырев В.В. и др. Средства коллективной защиты. Оценка эффективности и качества защиты населения в чрезвычайных ситуациях. https://elibrary.ru/item.asp?id=35283773
Кусилов В.К. и др. Информационно-аналитический бюллетень об организации деятельности территориальных органов МЧС России в области реагирования пожарно-спасательных подразделений на дорожно-транспортные происшествия в субъектах Российской Федерации в 2017 году. https://elibrary.ru/item.asp?id=35367271
Основные результаты развития и совершенствования МЧС России в 2012-2018 годах. Фотокнига. https://elibrary.ru/item.asp?id=35201457
Настольная книга руководителя гражданской обороны. Изд. 6-е, ак-туализ. и дополн. https://elibrary.ru/item.asp?id=35027110
Разумов В.В. и др. Масштабы и опасность наводнений в регионах России. https://elibrary.ru/item.asp?id=35108092
Шапошников С.В. и др. История войсковой части 54277. Изд. 2-е, доп. и перераб. https://elibrary.ru/item.asp?id=35556236
Акимов В. А. Общая теория безопасности жизнедеятельности в современной научной картине мира https://elibrary.ru/item.asp?id=36813168
Сосунов И.В. и др. Проблемные вопросы разработки перечня мероприятий по гражданской обороне, мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в составе проектной документации объектов капитального строительства. Монография. http://elibrary.ru/item.asp?id=28414015
Пучков В.А. и др. Мы первыми приходим на помощь. Литературно-художественный публицистический сборник https://elibrary. ru/item.asp?id=29281817
Акимов В.А. и др. Стандартизация в области гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций. Монография. В 2-х т Т. I. https://elibrary.ru/item.asp?id=29741180
Акимов В.А. и др. Стандартизация в области гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций. Монография. В 2-х т. Т. II. https://elibrary.ru/item.asp?id=29919459
Пучков В.А. и др. Огнеборцы. Литературно-художественный публицистический сборник. https://elibrary.ru/item.asp?id=29281821
Афлятунов Т.И. и др. Сборник примерных программ курсового обучения населения в области гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций. http: //elibrary. ru/item.asp?id=29013219
