10:55 Обследование чернобыльских объектов трековыми методами |
 Трековый метод, основанный на нитрат-целлюлозных детекторах и искровом счете треков, применялся для измерений флюенсов альфа-частиц на поверхностях объектов Чернобыльской АЭС и в 30ти километровой зоне. В сентябре–октябре 1986 г. трековые детекторы применялись в обследованиях чернобыльских объектов в тех случаях, когда использование альфа-радиометров было затруднено или невозможно из-за: — высокого фона бета–гамма-излучения, влияющего на показания приборов; — больших размеров радиометров,которые не позволяли их использовать в труднодоступных местах; — необходимости измерений распределений флюенсов одновременно по многим точкам; — необходимости получения радиографической информации. В 1990 г. применение трековых детекторов было обусловлено главным образом их высокой чувствительностью, обеспечивающей возможность измерений на уровне 0, 01–0,1 α·см–2·мин–1, а также высокой производительностью искровых счетчиков треков, позволяющих производить измерения по большому числу точек реперной сети. Трековые детекторы позволили также определить объемную активность водных препаратов из скважин в районе «рыжего» леса на уровне 0,01 Бк/л. Наборы пороговых трековых детекторов «Днестр» на основе 235U в кадмиевых и борных фильтрах, 237Np, 238U, 232Th применялись в 1988 году для измерений пространственных и спектральных характеристик нейтронных полей в двух скважинах под аварийным реактором 4-го блока ЧАЭС. Экспериментальные данные использованы для восстановления дифференциальных нейтронных спектров. Полученные результаты показали, что измеренные спектры близки по форме к реакторным. Плотность потока нейтронов зависит от точки измерения, но не превышает ~ 200 см–2·с–1. Трековые методы позволяют изучать пространственные характеристики излучателей, проводить идентификацию ядерных частиц, определять их зарядовые и энергетические характеристики. Применительно к чернобыльским объектам в РИ использовались как фотографические методы (см. статью В.Г. Савоненкова в настоящем сборнике), так и методы твердотельных трековых детекторов (ТТД), описанные в данной статье. ТТД применялись в 1986–1987 гг. и 1990 г. для измерений флюенсов альфа-частиц и радиографии почвы, воды, поверхностей различных объектов на ЧАЭС и в 30ти-километровой зоне [1–3], а также для измерения пространственных и энергетических характеристик нейтронов под развалом 4го-го блока ЧАЭС в 1988 г. [2–4]. Измерения флюенсов альфа-частиц и радиография чернобыльских объектов Значительный вклад в радиоактивное загрязнение чернобыльских объектов внешней среды, зданий, оборудования внесли альфа-излучающие нуклиды, главным образом изотопы плутония, а со временем и 241Am. В сентябре–октябре 1986 г. нитрат-целлюлозные трековые детекторы в сочетании с искровыми счетчиками треков [5] применялись по заданиям оперативного штаба по ликвидации последствий аварии при обследовании альфа-загрязнений различных объектов там, где использование традиционных альфа-радиометров было невозможно или затруднено из-за: • высокого бета–гамма-фона (единицы–десятки Р/ч) вблизи 4-го блока, влияющего на показания приборов; • больших габаритов радиометров, не позволяющих производить измерения в труднодоступных местах зданий и оборудования (например, в помещениях 1-го и 3-го блоков, планируемых к запуску в эксплуатацию), а также в случаях измерений пространственного распределения флюенсов альфачастиц одновременно по многим точкам (например, по глубине грунта); • необходимости получения радиографического изображения объекта, в том числе для определения наличия и характеристик «горячих» частиц. Аппаратура и методики. В измерениях применялись нитратцеллюлозные пленки типа LR-115-II (фирма Kodak, Франция) и ДНЦ (Переславский филиал Химфотопроекта), отобранные по массово-молекулярным параметрам для получения достаточной эффективности регистрации альфа-частиц в геометрии 2π (25–30%) при собственном фоне 10–20 см–2 [6]. Для автоматического подсчета треков применяли искровые счетчики треков АИСТ [7] и ИСТРА [8], показанные на рис. 1.  Рис. 1. Искровые счетчики треков: 1 – АИСТ; 2 – ИСТРА. 3, 4 – кассеты для счета треков на детекторах разных размеров. 5 – камера для определения объемной активности радона в воздухе. 6 – кассета для измерений флюенса альфа-частиц. Для измерений флюенса альфа-частиц от объектов (оборудования, стен, грунта) были изготовлены специальные кассеты (рис. 1, поз. 6; рис. 2, а), закрытые с одной стороны защитной лавсановой пленкой толщиной 12 мкм. Нитратцеллюлозный детектор с размерами 2,5×12см2 помещали внутрь кассеты. После экспозиции нитратцеллюлозную пленку отделяли от подложки, проводили ее химическую обработку [5] и подавали на искровой счетчик. Сначала искровая обработка пленки происходила с электродом большой площади (круг диаметром 5см или прямоугольник 2×6см2, показанные на рис. 1, поз. 4). После первого искрового пробоя проверяли алюминиевую реплику и определяли наличие «горячих» частиц, проявляющихся в виде пятен, и их местоположение. Затем на участках детектора, свободных от «горячих» частиц, с помощью электрода площадью 1см2 (рис. 1, поз. 3) определяли плотность треков от распределенного по поверхности объекта альфа-излучения. Если плотность треков на отдельных участках детектора была слишком высокой для искрового метода счета треков (выше 8000 см2), то применяли один из следующих приемов: 1) подсчет треков под микроскопом, при этом диаметр трека 2–3 мкм обеспечивал регистрируемую плотность треков до 105 – 106 см2; 2) повторная менее длительная экспозиция; 3) повторная экспозиция без тормозящей пленки на удалении 1,5–2см от поверхности объекта, при этом даже «горячие» частицы давали измеряемую плотность треков. Для выбора оптимальной площади детектора и определения коэффициента перехода от плотности треков к плотности потока альфа- частиц проводили калибровочные измерения [1]. Переходные коэффициенты для разного рода поверхностей определяли путем последовательных измерений одного и того же участка поверхности (табл. 1) аттестованным радиометром и трековым детектором. Для объектов, в которых толщина активного слоя была заведомо больше пробега альфа-частиц (грунт, грубые поверхности), переходный коэффициент составил 5,7±1,5 частиц/трек, в то время как для тонких слоев (пластиковый пол, полированные поверхности) он составил 2,5±0,4 частиц/трек. Таким образом, измеренное среднеквадратичное отклонение коэффициента равнялось 15–25%, что является удовлетворительным для такого рода измерений [1]. Площадь детектора, как показали результаты измерений, представленные на рис. 2, б, должна составлять не менее 10см2 из-за высокой неоднородности распределения альфа-активности по поверхности объектов. Результаты измерений альфа-активности различных поверхностей в 1986 г. Общая площадь измерений составила в 1986 г. ~ 1000см2, что определялось количеством качественной детекторной пленки. Результаты измерений, фрагмент которых представлен в табл. 1, использовали как для калибровок трекового радиометра на поверхностях разного рода, так и для получения информации об уровнях альфа-загрязнений различных объектов на разных удалениях от ЧАЭС, в том числе в труднодоступных местах и после дезактивации. Измерения, проведенные в 1986 году как в помещениях 1-го и 3-го блока, так и в 30ти-километровой зоне (всего ~ 100 замеров, на основании которых составлено 5 справок- отчетов), показали [1], что значения флюенсов альфа-частиц на измеренных поверхностях разного рода (стены, пол, мебель, оборудование, грунт разного рода) находились в диапазоне 1–10000см2 мин–1. На 3-м и 1-м блоках измерения проводили с целью подготовки этих блоков к запуску, для чего были необходимы работы по определению уровней загрязненности поверхностей помещений и контролю эффективности дезактивации. На рис. 2, в в качестве примера показаны результаты измерений в одном из коридоров 3-го блока до дезактивации. Гамма-фон в коридоре составлял 2–3 P/ч, причем его природа была не вполне понятна. Фон мог быть вызван либо гамма-излучением из аварийного реактора, либо высоким уровнем загрязнения помещения радионуклидами, поступившими из лифтовой шахты. Было не ясно, что следует делать для радикального снижения фона: строить защитную стену от излучения реактора или дезактивировать помещение. Определить наличие загрязнений с помощью бета-радиометров не удалось из-за слишком высокого уровня радиации в помещении. В целях установления наличия и оконтуривания пятен загрязнений на стене и полу коридора на протяжении 18 м на общей нити было размещено 18 детекторных кассет на 10 с. Показанные на рис. 2, в результаты свидетельствовали, что высокий радиационный фон помещения обусловлен прямым и отраженным потоками радионуклидов, поступившими из лифтовой шахты. В соответствии с полученными результатами была проведена дезактивация помещения.  Рис. 2. а – конструкция трекового альфа-радиометра: 1 – кассета; 2 – защитная тормозящая пленка; 3 – трековый детектор. б – среднеквадратичное отклонение показаний детектора в зависимости от его площади для двух частных выборок. в – распределение альфа-активности по стене коридора 3-го блока ЧАЭС (на врезке – распределение активности в пределах одной кассеты).  Альфа-радиографические исследования с помощью ТТД в 1986–1987 гг. Нитратцеллюлозные трековые детекторы позволяют не только определять флюенсы альфа-частиц, но и получать радиографическое изображение источника радиации. Радиография альфа-излучателя может быть проведена на высоком фоне бета–гамма-излучения (до 100 кГр), который затрудняет или делает невозможным применение для этих целей фотоэмульсий, что особенно актуально для чернобыльских объектов, которые всегда обладают значительным вкладом бета–гамма-излучения. Анализ радиографического изображения может проводиться как с помощью микроскопа с пространственным разрешением 1–2 мкм, так и с применением искрового пробоя пленочных детекторов. В последнем случае разрешение составляет 30–50 мкм, но имеется возможность получить видимое невооруженным глазом изображение всего объекта размером до 6 см как на пробитом детекторе, так и на алюминиевой реплике. При получении информации об альфа-загрязнениях объектов окружающей среды, зданий, оборудования в зоне ЧАЭС альфа-радиография при микроскопном и искровом методах анализа использовалась в целях: • получения пространственного распределения альфа-излучателей на различных поверхностях объектов в диапазоне размеров от микрон до сантиметров; • одновременного определения потоков альфа-частиц и осколков спонтанного деления на одном и том же образце; • определения плотности «горячих» частиц и их характеристик (активности, размеров) на поверхности различных объектов. На рис. 3, а приведено увеличенное изображение алюминиевой реплики после искрового пробоя, полученное от детектора на грунте вблизи 4-го блока. Мелкие отверстия размером 30–50 мкм на реплике соответствуют отдельным альфа-частицам, более крупные до ~ 1 мм соответствуют локальным скоплениям альфа-излучателей, в том числе «горячим» частицам. При анализе радиографических изображений получено, что на соседних участках площадью ~ 1 см2 плотность треков от рассеянного альфа-излучения на грунте вблизи 4-го блока отличалась до 100 раз, на внутренней стене третьего блока – до 5 раз (см. врезку на рис. 2, в), на оконных стеклах 3-го блока, обращенных к развалу 4-го блока, – до 104 раз (рис. 3, б).  Рис. 3. а – Изображение алюминиевой реплики при искровом пробое детектора, экспонированного на грунте около 4-го блока ЧАЭС. б – Изображение протравленного нитратцеллюлозного детектора, экспонированного на оконных стеклах, обращенных к 4-му блоку ЧАЭС. Осколки оконных стекол, обращенных во время взрыва к 4-му блоку, исследовались в январе 1987 г. по инициативе С.С. Коваленко на предмет обнаружения на них треков осколков деления. Треки могли образоваться от спонтанного деления нуклидов 238Pu и 242Сm, входивших в состав облученного топлива, которое попало во время взрыва реактора на поверхность стекол. В принципе треки могли образоваться также за счет вынужденного деления попавшего на стекла 235U запаздывающими нейтронами, если во время аварии имела место цепная реакция. Действительно, на протравленных стеклах имелись треки от осколков деления, плотность которых на некоторых участках стекол доходила до десятков треков на см2. Радиографическое обследование непротравленных стекол с помощью нитратцеллюлозных детекторов после нескольких экспозиций разной длительности показало, что на детекторе имеют место треки, как от альфа-частиц, так и от осколков деления, причем соотношение плотностей треков двух типов может объясняться облучением детектора от спонтанно делящихся нуклидов. Если треки от осколков вынужденного деления и имеют место, то их невозможно идентифицировать на фоне треков от осколков спонтанного деления. Радиографическому обследованию подвергали также в 1986 г. аэрозольные фильтры, через которые прокачивали воздух из помещений 3-го блока. После искрового пробоя детектора, который облучали в течение суток в контакте с фильтром, на реплике кроме мелких пятен от отдельных альфа-частиц были хорошо видны и крупные пятна от «горячих» частиц, находившихся в прокачанном воздухе. Сопоставление числа этих пятен на реплике с объемом прокачанного воздуха позволило определить концентрацию «горячих» частиц в воздухе обследуемого помещения, а также среднюю концентрацию альфа-излучающих нуклидов в воздухе – величины, необходимые для оценки дозовой нагрузки на легкие. Развитые в РИ методы и результаты исследования характеристик отдельных «горячих» частиц из радиоактивных образований 4-го блока приведены в работе [9] и статье В.Г. Савоненкова в настоящем сборнике. Результаты измерений альфа-активности грунта и воды в 1990 г. Исследования альфа-загрязнений грунта в 30ти-километровой зоне были продолжены в 1990 г. совместно с сотрудниками ИЯИ АН УССР [1]. Применение трековых детекторов было обусловлено главным образом их высокой чувствительностью, обеспечивающей возможность измерений на уровне 0,01–0,1 α·см2·мин–1 , а также высокой производительностью искровых счетчиков треков, позволяющих производить измерения по большому числу точек реперной сети. Можно было ожидать, что спустя три года после аварии поверхностное альфа-загрязнение грунта будет значительно более низким и равномерным, чем в 1986 г. В этом случае было бы допустимо применять детекторы меньшей площади, чем 10–20 см2, как это было в 1986 г., что существенно облегчило бы работы при планируемых измерениях по большому количеству пунктов реперной сети. Для выбора оптимальной площади трекового детектора, оценок трудозатрат и потребности в детекторной пленке, а также погрешности измерений в ноябре 1990 г. были проведены измерения в трех реперных пунктах 30ти-километровой зоны, где, по данным радиохимического анализа, загрязненность изотопами плутония в пятисантиметровом слое почвы составляла ~ 0,01, ~ 0,1 и ~ 8 Ки/км2. В каждом пункте было установлено до 10 кассет, позволивших выявить неравномерность альфа-загрязнений почвы в диапазоне расстояний от сантиметров до десятков метров. Для измерений распределения альфа-активности по глубине грунта были установлены также кассеты в грунте перпендикулярно поверхности и под углом 45°. Для оценки вклада почвенного радона в счетность детектора вблизи кассет были установлены трековые радонометры [10]. Помимо измерений непосредственно на грунте были также обследованы пробы, доставленные в лабораторию. Экспозиции составляли от 2 до 7 сут. Результаты измерений представлены в табл. 2.  Все приведенные в табл. 2 значения плотности потока альфа-частиц превышают возможные значения собственного фона метода и обусловлены альфа-излучающими нуклидами. Данные параллельных радоновых измерений на грунте показали, что вклад радона в плотность потока не более 0,003 α/(см2· мин). Приведенные в табл. 2 значения плотности потока альфа-частиц коррелируют с результатами радиохимического анализа проб, отобранных в этих пунктах в 1988 г., хотя отличие поверхностной активности от точки к точке много меньше, чем было получено для объемных активностей. По-видимому, это связано с уходом активности с поверхности грунта на некоторую глубину, что зафиксировано помещенными в грунт детекторами. Распределение плотностей потоков альфа-частиц по глубине на всех трех детекторах, показанное на рис. 4, имеет максимум на глубине 4–7 см.  Рис. 4. Распределение плотностей потоков альфа-частиц по глубине грунта при установке кассет перпендикулярно (а) и под углом 45° к поверхности (б). Среднеквадратичные отклонения плотностей потоков альфа-частиц, приведенные в табл. 2, лежат в пределах 30–50% в диапазоне расстояний между детекторами от нескольких сантиметров до десятков метров. Это свидетельствуют о довольно равномерном распределении поверхностной альфа-активности грунта в обследованных реперных пунктах в 1990 г., позволяющем при дальнейшем мониторинге использовать детекторы площадью ~ 1 см2. Нитратцеллюлозные трековые детекторы в сочетании с искровым счетчиком треков применяли осенью 1990 г. также для измерений удельной активности водных проб, отобранных из скважин в 30ти километровой зоне в районе «рыжего» леса [1]. Пробы воды были отобраны из 15 скважин, две из которых использовались для забора питьевой воды (созданы до аварии), а остальные были сделаны после аварии в исследовательских целях. Отбор проб производили как с поверхности воды, так и с разных глубин до 6 м. Все пробы объемом 30 мл были по известным методикам нанесены на металлические мишени, после чего на них на 7 сут были установлены трековые детекторы. Чувствительность метода составила при этом ~ 0,01 Бк/л, что существенно выше используемого вначале метода погружного детектора (~ 50 Бк/л при экспозиции 10 сут [11]). Измеренные значения удельной активности составили от 0,04 до 1 Бк/л. Измерения пространственных и энергетических характеристик нейтронного поля под развалом 4-го блока ЧАЭС в 1988 г. После сооружения объекта «Укрытие» над аварийным реактором 4-го блока ЧАЭС усилиями многих специалистов проводился большой комплекс диагностических исследований, в том числе в целях оценки ядерной и радиационной безопасности объекта. Для этой оценки была существенна информация о нейтронах, исходивших из разрушенного реактора. Однако данные об абсолютной величине потоков нейтронов различных энергетических групп отсутствовали. В связи с этим в июле 1988 г. сотрудниками РИ и ИЯИ УССР были проведены измерения пространственно- энергетических характеристик нейтронного поля аварийного реактора, результаты которых были доложены на рабочих совещаниях и позднее опубликованы [4]. Измерения проводились в двух горизонтальных скважинах, пробуренных в шахту реактора, подаппаратное помещение и парораспределительный коридор. Для измерений использовали 30 наборов пороговых детекторов «Днестр» [12], основанных на делящихся нуклидах 235U в кадмиевых и борных фильтрах, 237Np, 238U, 232Th, лавсановых трековых детекторах и искровых счетчиках треков АИСТ. Время экспозиции составило 168 часов. Минимальная измеряемая плотность нейтронов для этой экспозиции составляла: для тепловых нейтронов – 10–3 см2·с–1, промежуточных нейтронов – 0,05–0,2 см2·с–1, быстрых нейтронов – 1–6 см2·с–1. В табл. 3 приведены данные о расстановке сборок и первичные результаты измерений.  Во время экспозиции в первую скважину попала горячая вода, что привело к нарушению условий эксплуатации некоторых детекторов и возможному искажению информации. Для таких детекторов определяли лишь нижнюю границу плотности треков. Данные, полученные по 1-й скважине, показывают незначительные вариации нейтронного поля вдоль скважины. В противоположность этому данные по 2-й скважине показывают, что условия формирования нейтронного поля в развале реактора могут отличаться очень сильно. При смещении на 1 м показания датчиков тепловых и надтепловых нейтронов изменялись на 2–3 порядка, по-видимому, из-за наличия близко расположенных массивных материалов, эффективно поглощающих медленные нейтроны. На основании данных табл. 3 были рассчитаны дифференциальные спектры нейтронов по методу минимизации направленного расхождения [4]. Восстановление спектров проводили с помощью программы RESTOR. В качестве нулевого приближения использовали представление для реакторного спектра и константы ENDF/B-V. Число итераций при вычислении составило 2–4, что свидетельствовало об удачном нулевом приближении спектра. По-видимому, основным источником нейтронов являлись спонтанно делящиеся нуклиды. В табл. 4 приведены данные расчета плотности потока нейтронов разных энергетических групп для внутренних концов обеих скважин. Их абсолютные значения невелики (200 см2·с–1) и согласуются с оценками и выводами [13] о подкритичном состоянии реактора. На рис. 5 приведены вычисленные дифференциальные спектры нейтронов.   Рис. 5. Дифференциальные спектры нейтронов в скважинах под 4- м блоком ЧАЭС. В.А. Николаев — ТРУДЫ РАДИЕВОГО ИНСТИТУТА им. В.Г. ХЛОПИНА, ТОМ XIV — Санкт-Петербург 2009 
Спасибо за материал
Отблагодарить автора
|
|
|
Похожие материалы
| Всего комментариев: 0 | |
Здравствуйте Прохожий, как Вы видите еще никто не оставил свой комментарий, будьте первым, поделитесь мнением о материале выше.
