Технологии проведения радиационного мониторинга

Технологии проведения радиационного мониторинга затопленных
объектов и акваторий.
А.Ю.Казеннов
РНЦ «Курчатовский институт»
Основными целями проведения радиационного мониторинга затопленных
объектов является:
1. Оценка состояния защитных барьеров безопасности – то есть тех
конструктивных преград, отделяющих радиоактивные вещества внутри
объекта от окружающей их морской среды.
2. Оценка воздействия затопленных объектов на окружающую морскую среду.
Для этого должны быть решены следующие
основные задачи:
1. Поиск
возможных
мест
выхода
радионуклидов из объекта и определение
величины утечки;
2. Оценка
концентраций радионуклидов
внутри объекта, в том числе в воде.
3. Определение содержания радионуклидов
в воде и донных отложениях рядом с
объектом.
Традиционный метод проведения радиационного мониторинга – отбор проб
и образцов.
Трубчатые и ковшевые пробоотборники
донного грунта
Батометры для
отбора проб воды на
различных глубинах
Сорбционные установки для
определения содержания
радионуклидов в морской
воде
Недостатки метода отбора проб:
1. Невозможно определить место выхода радионуклидов из объекта на ранней
стадии разгерметизации;
2. Затруднения при отборе проб донных отложений на каменистых участках.
3. Проблема представительности проб грунта – отобран ли только верхний слой,
или произошло перемешивание.
4. Длительное время получения результата.
5. Необходимость специально оборудованной лаборатории для подготовки проб
и дорогостоящего оборудования для проведения измерений.
6. Ограниченное количество отбираемых проб при использовании подводных
аппаратов (особенно телеуправляемых).
7. Необходимость использования крупногабаритного судового оборудования
(лебедок и кран-балок) для отбора проб на больших глубинах.
Когда необходимо получение оперативной информации о состоянии затопленных
радиационно-опасных объектов, предпочтительно прямое (in situ) измерение
уровней гамма-излучения с помощью подводной аппаратуры радиационного
контроля.
 Практически для всех затопленных радиационно-опасных объектов основным
индикатором утечки радиоактивности а, следовательно, и разрушения
защитных барьеров, является обнаружение в воде долгоживущих гаммаизлучающих радионуклидов: продукта деления ядерного топлива - 137Cs и 60Cо
– продукта нейтронной активации.
 Для надежного обнаружения этих радионуклидов в морской среде необходим
именно спектрометрический метод, так как в состав морской воды и донных
отложений входят природные источники гамма излучения: калий-40 (40К) и
дочерние продукты распада радиоактивных семейств урана (U) и тория (Th).
Из-за излучения этих природных радионуклидов мощность дозы в море при
приближении к донному грунту может естественным образом увеличиться
более чем в 10 раз.
На протяжении последних 30 лет в РНЦ «Курчатовский институт» проводились
работы по исследованию радиационного состояния затопленных объектов и
контролю радиоактивного загрязнения акваторий. За этот период сотрудники
института приняли участие в нескольких десятках морских экспедиций, в
которых был накоплен большой опыт проведения таких работ
1. Обследование акватории места аварии на АПЛ в бухте Чажма (1989-1990 гг).
2. Радиационный мониторинг АПЛ «Комсомолец» (1991-1995 гг., 2007 г.).
3. Радиационный мониторинг АПЛ «Курск» (2000-2001 гг.).
4. Радиационное обследование затопленных радиоактивных отходов (в том
числе затопленной АПЛ К-27) в заливах Новой Земли и Карском море (1993,
2002-2006 гг.).
5. Радиационный мониторинг АПЛ Б-159 (2003, 2007 г.)
6. Радиационное обследование акваторий береговых баз в губе Андреева (1997,
1999 г.) и п.Гремиха (2003, 2005-2006 гг.).
7. Радиационное обследование дельты р.Волга (1995 г.).
При этом, наряду с использованием традиционных методик (отбор проб с
последующим их лабораторным исследованием), основное внимание уделялось
совершенствованию оперативных методов измерения радиоактивности водных
сред – с помощью подводных спектрометров
Варианты использования подводных гамма-спектрометров
Исследование акватории в режиме
буксировки судном-носителем
В составе
долговременных
донных или
буйковых станций
Исследование радиоактивности
воды и донных отложений с
борта малого судна.
Размещение на глубоководном
аппарате
Чувствительность спектрометров позволяет проводить измерения содержания
техногенных радионуклидов в морской воде на уровне сотых долей допустимых
концентраций, а в донных отложениях – на уровне фоновых значений. При этом
для получения конечного результата в большинстве случаев требуется время не
более 10 мин. Радиационное обследование затопленных объектов и акваторий
может проводится на глубинах до 6000 метров.
При обследовании затопленных объектов основным методом исследования
их состояния является использование подводных аппаратов с размещенной
на них аппаратурой радиационного контроля
Использование подводных спектрометров
на обитаемых подводных аппаратах:
• на спасательных аппаратах ВМФ России при
обследовании АПЛ Б-159 (2003 г.) и «Курск»
(2001 г.);
• на глубоководном аппарате «Мир» при
обследовании АПЛ «Курск» (2000 г.) и
«Комсомолец» (2007 г.).
1
Использование подводных
спектрометров на телеуправляемых
подводных аппаратах:
• на малых телеуправляемых аппаратах
«Гном» и «Sea Lion» МЧС России при
обследовании затоплений радиоактивных
отходов на Новой Земле (2005-2006 гг);
• на рабочем телеуправляемом аппарате
«Тритон» спасательной службы ВМФ
Великобритании при обследовании АПЛ Б159 (2007 г.).
2
- место установки подводных спектрометров
Надводное обеспечение работ по мониторингу затопленных объектов и
акваторий
НИС «Академик Мстислав Келдыш»
носитель глубоководных аппаратов «Мир»
НИС «Профессор Штокман»
Использовался при обследовании затоплений РАО на
Новой Земле в 2005-2006 гг.
При использовании телеуправляемых
аппаратов на глубинах более 100 м судно
обеспечения должно быть оснащено системой
динамического
позиционирования,
что
позволит избежать операций по установке
специального рейдового оборудования и
существенно упростит проводимые работы
НИС «Альянс» (ФРГ)
Использовался при работах по
обследованию АПЛ Б-159 в 2007 г.
Применение подводных спектрометров для обнаружения мест выхода
радионуклидов из затопленных объектов
• Спектрометр устанавливается на подводный аппарат и непрерывно
регистрирует спектры гамма-излучения при обходе подводным аппаратом
затопленного объекта.
• Время регистрации одного спектра выбирается для обнаружения в морской воде
137
Cs на уровне ~ 0,5 Бк/л и в зависимости от чувствительности спектрометра
составляет обычно от 1 до 10 мин.
• При использовании автономного спектрометра спектры сохраняются во
внутренней памяти прибора вместе с временем проведения измерений;
• Обычно при обследовании объекта регистрируется более 100 спектров, что
позволяет составить подробную картину о радиационном состоянии
окружающей объект морской среды.
Такая методика применялась нами при проведении радиационного обследования
АПЛ «Комсомолец», «Курск», Б-159 и объектов затопленных в заливах Новой
Земли
При обследовании АПЛ “Комсомолец” с
помощью
подводных
гаммаспектрометров
впервые
была
обнаружена утечка радиоактивности из
реактора АПЛ (1991 г.), определена зона
ее распространения, место выхода
радионуклидов и их изотопный состав 137
Cs, 134Cs и 60Co (впервые обнаружен в
1995 г.).
В результате измерений, проведенных
с помощью подводных спектрометров,
вблизи
АПЛ
«Курск»
было
установлено,
что
поступление
радионуклидов из реакторов АПЛ в
окружающую среду отсутствует и
работа водолазов в период подготовки
к подъему и подъема «Курска»
безопасна.
Обследование АПЛ Б-159 (2007г.)
временные ряды интегральных скоростей счета
подводного спектрометра
1 5
3000
1
1
2
2
2
9
3
7
3
8
3
9
155кэВ-705кэВ
2500
2000
1500
область гамма-излучения
137
Cs (155-705 кэВ)
1000
500
0
0
50
100
150
200
250
1000
800
№
спектра
705кэВ-1664кэВ
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
Характерная область гаммаизлучения естественного для
морской воды радионуклида
40
К (705-1664 кэВ)
№
спектра
5
4
Отношение I диапазона ко II
3
2
отношение (155-705кэВ) к (7051664кэВ)
1
0
0
50
100
150
200
250
Определение поступления радионуклидов из затопленных объектов в
окружающую среду с помощью автономных подводных спектрометров
В 1994 г. с помощью малогабаритных автономных гамма-спектрометров,
устанавливаемых непосредственно в место выхода радиоактивности - в трубу
вентиляции реакторного отсека была дана верхняя оценка скорости поступления
137
Cs из АПЛ «Комсомолец» в окружающую среду - 0,37 ТБк/год (10 Ки/год). При
этом содержание 137Cs в воде менялось от 100 до 1000 Бк/л за неделю.
В 2007 г. было проведено очередное обследование АПЛ «Комсомолец», в ходе
которого было установлено, что с момента последних измерений в 1997 г. выход
радионуклидов из АПЛ снизился более чем в 30 раз
20
Concentration of Cs-137,Bk/l
10
1
count rate, 1/c
137
Сs
0,1
60
Сo
40
K
0,01
0,001
0,0001
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
19
18
17
16
15
14
13
12
0
energy, keV
Энергетический спектр гамма-излучения,
зарегистрированный в трубе вентиляции
реакторного отсека АПЛ «Комсомолец» в
2007 г.
10
Time, hours
20
30
137
Изменение содержания
Cs в месте выхода
радионуклидов из АПЛ «Комсомолец» за 30 ч
непрерывных измерений.
Измерения с помощью подводного спектрометра в ограждении рубки наиболее вероятном месте выхода техногенных радионуклидов из АПЛ Б-159
1
count rate, 1/c
0,1
40
К
0,01
0,001
0,0001
0
500
1000
1500
2000
energy, keV
Суммарный спектр, зарегистрированный в ограждении
рубки, время измерения 8,5 ч
Техногенных радионуклидов
в воде не обнаружено в концентрациях,
превышающих предел обнаружения спектрометра за соответствующее время
экспозиции (8,5 ч) – 0,04 Бк/л 137Cs и 0,03 Бк/л 60Со.
Долговременный мониторинг затопленных объектов
6 июля 2007 г в ограждение рубки АПЛ
Б-159 был установлен автономный
гамма-спектрометр в качестве станции
долговременного мониторинга на срок
до 1,5 лет. В течение всего этого
времени
проводилась
ежедневная
регистрация спектра с экспозицией по
1000 с.
К сожалению, до сих пор спектрометр
не извлечѐн, информация не считана.
Измерения закончились в ноябре 2008 г.
Сейчас никаких измерений на Б-159 не
проводится.
В 1995 году для исследования годовой динамики выхода радионуклидов из АПЛ
«Комсомолец» был разработан автономный гамма-спектрометр в комплексе с
роторным измерителем скорости и направления течения. Спектрометр был
оборудован специальным всплывающим устройством, позволяющим по
гидроакустическому сигналу, переданному с надводного корабля, поднять прибор
на поверхность
Размещение спектрометра на аппарате «Мир»
перед установкой на АПЛ «Комсомолец»
Такой комплекс может стать основой для разработки систем долговременного
мониторинга затопленных объектов, таких как АПЛ «Комсомолец», Б-159, К-27
(Новая Земля)
Оценка концентраций радионуклидов внутри затопленного объекта
(на примере Б-159)
Измерения уровня радиоактивности воды в реакторном отсеке позволяют
оценить состояние защитных барьеров реакторной установки.
I Метод – проведение измерений на прочном корпусе через имеющиеся отверстия в
легком корпусе
Для
оценки
объемной
активности воды внутри
реакторного отсека АПЛ Б159 в 2007 г. были
проведены
измерения
уровней гамма-излучения
на прочном корпусе АПЛ в
районе ремонтного люка
над реакторным отсеком, где отсутствует лист легкого
корпуса.
Закрепленная на штанге аппаратура
радиационного контроля с помощью манипулятора
подводного аппарата устанавливались на прочный
корпус АПЛ.
II Метод – измерения с помощью высокочувствительного гамма-спектрометра,
устанавливаемого на легком корпусе над реакторным отсеком.
Расчетная оценка чувствительности спектрометра на
легком корпусе над РО была проведена с помощью
расчетного кода MCNP-4C. Расчет показал, что за 5
ч непрерывных измерений возможно определение
концентрации 137Cs в воде внутри реакторного
отсека на уровне 40 Бк/л (10-9 Ки/л).
0,5
0,45
under reactor compartment
спектрометр
Легкий корпус
count rate, 1/c
0,4
0,35
background spectra
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
Прочный корпус
Вода с источником Cs-137
0
200
700
1200
energy, keV
1700
Верхние пределы концентраций 137Cs внутри АПЛ Б-159, полученные с
помощью подводных спектрометров в 2007 г
< 0,04 Бк/л
-12
(10 Ки/л)
< 40 Бк/л
-9
(10 Ки/л)
< 200 Бк/л
-9
(510 Ки/л)
реакторный отсек
- места измерений подводными спектрометрами
По расчетным оценкам спустя 4 года после затопления и возникновения контакта
оболочек твэлов с морской водой удельная активность 137Cs в воде внутри
реакторного отсека может составить ~10-3 Ки/л , т.е. на 5-6 порядков выше,
измеренной величины.
На основании всех измерений, проведенных над реакторным отсеком, было
установлено, что герметичность I контура реакторной установки не нарушена. До
наступления контакта топлива с морской водой за счет коррозионных процессов
может пройти несколько десятков лет. Однако, возможны процессы, которые
сейчас неясны, но которые могут ускорить разгерметизацию труб I контура.
Учитывая это, целесообразно планировать работы по подготовке к подъему АПЛ
Б-159 на ближайшие годы.
Атомная подводная лодка Б-159 проекта 627А затонула 30
августа 2003 года в Баренцевом море в трех милях к северозападу от острова Кильдин на глубине 250 метров во время
ее буксировки в город Полярный для проведения работ по
утилизации. На затонувшей АПЛ находятся два атомных
реактора с не выгруженным отработавшим ядерным
топливом.
По нашим расчетным оценкам активность радионуклидов в
топливе двух реакторов АПЛ Б-159 на момент затопления
составляла ~ 6,6 ПБк (180 кКи), что в 1,6 раза превосходит
общую активность всех отходов, затопленных в Карском
море и заливах Новой Земли.
Разнообразие морской биоты в
месте затопления
Трехмерная акустическая модель АПЛ Б-159 (справа – кормовая
часть). Получена с помощью многолучевого сонара высокого
разрешения ADUS SEABAT
Экспериментальное подтверждение остановки реактора при аварийном
затоплении корабля
В 2000 – 2001 гг. наши специалисты приняли
участие в исследовании радиационной ситуации
вблизи затонувшей АПЛ «Курск». Одной из
основных задач радиационного мониторинга
являлось
надѐжное
экспериментальное
подтверждение остановки реакторов.
В
ходе
расчетно-экспериментальных
исследований, нами было установлено, что
наиболее информативным и достоверным
методом определения состояния ядерных
реакторов «Курска» является метод измерения
плотности потока жесткого, от 4 до 8 МэВ
гамма-излучения, источником которого служит
захват нейтронов на ядрах железа и никеля, в
максимально
приближенных
к
реактору
доступных районах.
АПЛ «Курск» в доке
Схема проведения измерений при
нахождениии АПЛ «Курск» на грунте
Для проведения измерений использовали подводные автономные гаммаспектрометры с крупногабаритными сцинтилляционными детекторами (объемом
более 6 л).
Схема проведения измерений перед установкой АПЛ
«Курск» в док
В результате измерений, проведенных с помощью подводных спектрометров ,
впервые было экспериментальное подтверждено, что реакторы АПЛ «Курск»
заглушены.
- место размещения спектрометров при измерениях
Гидролокаторы бокового обзора – средство поиска затопленных объектов
гидролокатор бокового обзора
“Кlein System - 3000”
гидролокатор бокового обзора
“Sea King”
Изображения затопленных объектов в бухтах Новой Земли, полученные с
помощью гидролокаторов бокового обзора
Затопленные контейнеры
Затопленное судно
Сборка с топливом
ледокола «Ленин»
АПЛ К-27
Реакторный отсек
ледокола «Ленин»
Всего на сегодняшний день с помощью гидролокаторов бокового обзора в
з.Абросимова, Степового и Цивольки обнаружено 45 объектов.
Основное средство обследования затопленных объектов в заливах Новой
Земли в 2006 г. – малый телеуправляемый аппарат «Гном» с размещенным на
нем автономным подводным спектрометром.
В 28 погружениях малого ТПА «Гном» с размещенным на нем подводным
спектрометром было зарегистрировано более 1400 спектров гамма-излучения
Радиационное обследование реакторных отсеков в заливе Абросимова
100
Точка 1
10
2
Скорость счета, 1/с
1
3
4
места измерений
Точка 2
137
Cs
Точка 3
Точка 4
1
40
K
0,1
0,01
0,001
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Энергия, кэВ
на дне, вплотную к стенке
объекта, глубина 15 м
1
вблизи дна, вплотную к
конструкции в виде щита
сверху затопленного
объекта, глубина 6 м
2
3
на дне, около подтеков
ржавчины
4
Радиационное обследование АПЛ К-27
10
Sediments, 5 m from NS
Water near NS
137
Cs
On the NS hull
count rate, 1/c
1
40
Верхняя часть рубки АПЛ
K
0,1
0,01
Место измерений
0,001
0
500
1000
1500
Energy, keV
2000
2500
3000
Кормовая часть
рубки
Обследование затопленных контейнеров с твердыми радиоактивными
отходами в заливах Новой Земли
По данным российско-норвежских экспедиции 1992-94 гг. контейнеры с ТРО
признаны основным источником радионуклидного загрязнения окружающей среды
в местах затопления.
Залив Абросимова
Залив Степового
В 2006 г. в заливах Абросимова и Степового было обследовано 20 контейнеров
с ТРО, относящихся к 6-и различным объектам.
100
sediments, 5 m from object
sediments, 1 m from object
10
count rate, 1/c
sediments, near object
up on object
1
0,1
1m
0,01
0,001
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
energy, keV
Результаты радиационного обследования контейнеров показали, что для 8 из 20-и
обследованных контейнеров уровень гамма-излучения непосредственно на их
поверхности достигает 1 мкЗв. Для большей части из этих контейнеров, основной
вклад в мощность дозы дает 137Cs, а для 2-х контейнеров существенен вклад 60Co.
Сравнение результатов измерений радиоактивности морского грунта, полученных
на разных расстояниях от контейнеров, с результатами, полученными вплотную к
ним, показывают, что уровни гамма-излучения техногенных радионуклидов в
донных отложениях даже на небольшом удалении (~ 1 м) от контейнеров
практически не отличаются от средних по заливам.
По результатам обследований был сделан вывод о том, что предусмотренные
радиационные защитные барьеры затопленных объектов до настоящего времени не
потеряли своей эффективности, а скорость выхода в окружающую среду
радионуклидов в несколько раз ниже существующих экспертных оценок.
Проведение обследования радиационного состояния акваторий с помощью
высокочувствительных подводных спектрометров.
Типичные спектры донных отложений, зарегистрированные в местах затопления
РАО в заливах Новой Земли
100
Abrosimov Bay
208
Tl + Bi
+137Сs
10
count rate, 1/c
214
Stepovogo Bay
40
K
Tsivolky Bay
1
214
Bi
208
Tl
0,1
Average concentration in sediments, Bq/kg dry weight
137
0,01
Abrosimov Bay
Stepovogo Bay
Tsivolky Bay
Сs
35  7
26  6
<5
40
208
К
440  14
533  24
702  13
Tl
6,6  0,2
8,2  0,4
10,1  0,2
0,001
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
energy, keV
Всего было проведено 21 измерений с помощью гамма-спектрометров (5 – в
з.Абросимова, 5- в з.Степового и 11 в з.Цивольки).
Контроль радиационного загрязнения акваторий с помощью подводных
спектрометров.
В настоящее время с помощью разработанных методик
измерений и комплекса программного обеспечения
возможно построение картограмм загрязнения донных
отложений непосредственно в процессе проведения
радиационного обследования.
Определение
чувствительности
подводных
спектрометров выполняется расчетными методами
математического моделирования с помощью программы
MCNP-4C. Для каждого из спектрометров и различных
геометрий
проведения
измерений
рассчитаны
библиотеки спектров основных искусственных и
природных
гамма-излучающих
радионуклидов.
Результаты
расчетов
подтверждены
натурными
измерениями.
Разработана
расчетная
методика
определения с помощью подводного спектрометра
средней глубины распределения радионуклидов в донных
отложениях
Проведение радиационного обследования акватории, около береговой
технической базы флота в поселке Гремиха.
В 2003-2006 гг было проведено
комплексное
инженернорадиационное
обследование
акватории,
прилегающей
к
пункту временного хранения
твердых радиоактивных отходов
в поселке Гремиха.
В ходе работ были обнаружены
основные места поступления
радиоактивности в акваторию,
оценена динамика изменения
радиационной обстановки за
несколько лет. Была построена
картограмма загрязнения донных
осадков
на
акватории,
прилегающей к базе и дана
оценка запаса в них техногенных
радионуклидов: 137Cs - 0,35 TБк
(9 мКи) и 60Co - 0,21 TБк (6 мКи).
137
Cs
места измерений
60
Co
40
K
При этом общее время проведения работ не превышало 2-х недель ежегодно.
Радиационное обследование акватории в губе Андреева в 1997 г.
Картограмма
137
распределения Cs в
донных отложениях
места отбора проб донного грунта и
измерений подводным спектрометром
После 1997 г. подробного радиационного обследования акватории в губе
Андреева не проводилось.
В настоящее время РНЦ «Курчатовский институт» имеет технологии,
которые позволяют проводить следующие работы:
 Обследование затонувших кораблей
с ядерными энергетическими
установками, в том числе с использованием подводных аппаратов
различного класса – обитаемых и телеуправляемых;
 Исследования радиационного состояния затопленных объектов и контроль
радиоактивного загрязнения акваторий, вызванного захоронением РАО в
морской среде, в том числе создание долговременных автономных станций
контроля радиационной обстановки.
 Комплексное инженерное радиационное обследование (КИРО) акваторий
береговых технических баз флота (БТБ) с построением картограмм
радиоактивных загрязнений и оценкой запаса техногенных радионуклидов
(137Сs, 60Со) в донных отложениях. Проведение по результатам КИРО
радиационно-экологической оценки воздействия на окружающую среду
(ОВОС) проектов по утилизации РАО и реабилитации территорий;
 Радиационный контроль в районах базирования и обслуживания кораблей и
судов с ядерными энергетическими установками, в том числе использование
подводной
спектрометрической
аппаратуры
в
составе
автоматизированных систем контроля радиационной обстановки
(АСКРО);
 Сопровождение работ по выводу из эксплуатации и утилизации различных
радиационно-опасных объектов;
 Поиск утерянных в водной среде радиационно-опасных объектов;
 Исследование естественной радиоактивности морской среды в
океанологических и геологических целях, в частности для поиска на морском
дне месторождений полезных ископаемых.