核電站放射性監(jiān)測技術

課程特點假定同學們已經(jīng)學過核物理和輻射測量的基礎知識；實用性強，注重實驗。課堂講習20學時，實驗16學時；沒有講義，只有課堂筆記和參考書；無平時作業(yè)。開卷考試；成績：實驗報告40%，課堂10%，考試成績50%。參考書：《環(huán)境與輻射》，任天山程建平等編著，原子能出版社，2007年版第一章概論教學目的：了解核電站放射性的來源及存在特性；了解核電站放射性的排放特點；了解放射性監(jiān)測的基本概念和術語。1.1核電站放射性的來源及存在特性1.核電站放射性的來源：核電站放射性主要來源于以下兩個途徑：裂變產(chǎn)物：如La-140（發(fā)現(xiàn)裂變反應的重要核素）、Cs-137、Sr-90、Tc-99等。裂變產(chǎn)物的特點是形成裂變產(chǎn)物鏈，質量分布從A=74到A=170左右。如著名的裂變鏈A=140：Te-140→I-140→Xe-140→Cs-140→Ba-140→La-140→Ce-140。中子活化產(chǎn)物：如Np-237、Pu-239、240；Am-241、Ar-41、N-16等。其中：Pu-239、240；Am-241等是238U(n,γ)的反應產(chǎn)物；Np-237是238U(n,2n)的反應產(chǎn)物；Ar-41是40Ar(n,γ)的反應產(chǎn)物；N-16是16O(n,γ)的反應產(chǎn)物。1.2放射性核素的存在特性元素周期表上，各種元素基本分為三種：金屬：如Sr、Cs、Np、Am等。分為易揮發(fā)及難揮發(fā)兩種；非金屬：如I等。其中，I-131是常見的事故污染核素，而I-129是長壽命的污染核素；氣體：如Kr（Kr-85）、Xe（Xe-135）、Ar-41、N-16等。核電站對放射性物質的三道屏障1.燃料包殼2.冷卻劑3.密封廠房或壓力容器在正常運行時，仍然會有少量放射性物質排放。主要以氣態(tài)形式，也有液態(tài)流出物。這些都是核電站對環(huán)境影響的根源。1.3放射性監(jiān)測的基本概念和術語放射性活度：衰變速率，以貝克（Bq）或居里（Ci）為單位；比活度：單位質量樣品中的放射性活度；射線強度：放射性核素在單位時間內(nèi)釋放的射線數(shù)目。照射量：dQ/dm。其中dQ是光子在質量為dm的空氣中釋放出來的（正、負）電子，完全被空氣所阻止時，空氣中產(chǎn)生的任一種符號的離子總電荷的絕對值；吸收劑量：射線在單位質量的物體中所沉積的能量。單位：戈瑞（Gy）。1Gy=1J/kg。劑量當量：組織中某點處的劑量當量（H）為：H=DQN。其中：D為吸收劑量，Q為品質因數(shù)，N為其它修正因子。目前指定N=1。單位為Sv。如果Q=1，則1Gy=1Sv（均勻照射）第二章核電站放射性流出物監(jiān)測教學目的：了解核電站流出物的監(jiān)測目的；了解核電站放射性流出物的限值；了解氣態(tài)放射性流出物的監(jiān)測技術；了解液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測技術。2.1核電站流出物的監(jiān)測目的有如下目的：判明本設施流出物中的放射性物質數(shù)量，以便與管理限值或運行限值進行比較；為應用適當?shù)沫h(huán)境模式評價環(huán)境質量、估算公眾所受劑量提供源項數(shù)據(jù)和資料；為判明設施的運行以及放射性廢物的處理和控制裝置的工作是否正常有效提供數(shù)據(jù)和資料；4.使公眾確信核設施的放射性釋放確實受到嚴格的控制；5.迅速發(fā)現(xiàn)和鑒定計劃外釋放的性質（種類）及其規(guī)模；6.給出是否需要啟動報警系統(tǒng)或應急報警系統(tǒng)的信息。2.2核電站放射性流出物的限值每座核電廠向環(huán)境釋放的放射性物質對公眾中任何個人（成人）造成的有效劑量當量，每年應小于0.25mSv；每座壓水堆核電廠氣載和液體放射性流出物的年排放量，除了滿足以上規(guī)定外，還應該低于以下控制值：惰性氣體：<2.5×1015Bq(7×104Ci)碘：<7.5×1010Bq(2Ci)粒子（T1/2>8d）：<2×1011Bq(5Ci)液體放射性流出物氚：<1.5×1014Bq(4×103Ci)其余核素：<7.5×1011Bq(20Ci)其它堆型根據(jù)情況另外確定。氣態(tài)放射性流出物的監(jiān)測技術放射性物質以氣態(tài)形式釋放，一般有兩種形式：氣體和氣溶膠。通過煙囪排放。以氣體形式釋放的放射性物質，只有氬、氪、氙、氡。氚主要以氚水蒸氣形式釋放。放射性物質可以被吸附在氣體中的膠體上，以氣態(tài)形式釋放。任何放射性核素都可以作為氣溶膠形式釋放。特別是Cs-137，它的母體是Xe-137，以氣體形式釋放后，再衰變。監(jiān)測技術只能通過取樣測量，分為氣體取樣和氣溶膠取樣兩種；將敏感區(qū)域的氣體抽到測量容器中，進行氣流總β測量，是氣體流出物監(jiān)測的基本形式；使用過濾器材（濾紙或濾布）對氣體進行過濾，在測量過濾器材上的放射性核素，是測量氣溶膠放射性的基本形式。液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測技術液態(tài)放射性流出物與氣體不同，不能直接排放，必須先排放到暫存池中。在暫存池中在線或取樣測量，是液態(tài)放射性流出物監(jiān)測的基本形式。一回路冷卻劑是在線監(jiān)測的。主要目的是監(jiān)測冷卻劑中放射性強度，判斷是否存在燃料元件破損。特別是中子的監(jiān)測，判斷是否存在緩發(fā)中子。但一回路冷卻劑不能排放。因此不是放射性流出物。在暫存池中監(jiān)測液態(tài)放射性流出物，主要采用γ能譜分析技術。輔助采用α、β測量技術。因為α、β測量技術分辨核素比γ能譜分析技術困難，而且α、β射線在液體中吸收大，定量測量困難。而液態(tài)放射性流出物要求對核素定量。具體的測量技術與環(huán)境放射性測量技術基本相同。核電站的其它監(jiān)測區(qū)域γ監(jiān)測：在核電站廠區(qū)內(nèi)布置γ劑量率測量探測器，并聯(lián)網(wǎng)；反應堆大廳的中子劑量監(jiān)測：監(jiān)測反應堆運行時，堆大廳的中子劑量率；緩發(fā)中子監(jiān)測：監(jiān)測一回路冷卻劑中是否存在緩發(fā)中子。以上這些不屬于放射性流出物監(jiān)測范圍。第三章核電站環(huán)境放射性監(jiān)測教學目的：了解核電站環(huán)境放射性的來源；了解環(huán)境放射性監(jiān)測目的；初步了解環(huán)境放射性監(jiān)測的相關法規(guī)。3.1核電站環(huán)境放射性的來源人工放射性核素的排放；天然放射性核素：陸地天然放射性地殼中存在的一些重的放射性核素形成三個天然放射性系。它們母體的半衰期都很長，和地球年齡（1010年）相近或更長，因而經(jīng)過漫長的地質年代后還能保存下來，自然界的這三個天然放射性系列是：鈾析、釷系和錒-鈾系。釷系（4n系）釷系的母體是232Th，經(jīng)過10次連續(xù)衰變，最后到穩(wěn)定核素208Pb。232Th的半衰期為1.41×1010a，子體半衰期最長的是228Ra（MsTh1），T1/2=5.76a，所以釷系建立起長期平衡需要50～60a的時間。這個衰變系成員的質量數(shù)是4的整數(shù)倍，即A=4n（其中n=52～58），所以釷系也叫4n系。鈾系（4n+2系，或稱鈾鐳系）從238U開始，經(jīng)過14次連續(xù)衰變，最后到穩(wěn)定核素206Pb。母體238U的半衰期為4.468×109a。238U之后的子體半衰期最長的是234U(UⅡ),T1/2=2.45×105a，所以，鈾系建立起長期平衡，需要近3百萬年的時間。該系成員的質量數(shù)A都是4的整數(shù)倍加2，即A=4n+2（其中n=51～59），所以鈾系也稱4n+2系。錒系（4n+3系，或稱錒鈾系）從235U開始，經(jīng)過11次連續(xù)衰變，最后到穩(wěn)定核素207Pb。該系成員的質量數(shù)A都是4的整數(shù)倍加3，即A=4n+3（其中n=51～58），所以錒系也稱4n+3系。母體235U的半衰期為7.038×104a，錒系建立起長期平衡，需要時十萬年時間。镎系（4n+1系）綜上可看到，在地殼中存在4n，4n+2和4n+3三個天然放射性系列，但是缺少4n+1這樣一個放射系。后來用人工方法合成了4n+1系。把238U放在反應堆中照射，連續(xù)俘獲三個中子變成了241U，它經(jīng)兩次β衰變變成了具有較長壽命（T1/2=14.4a）的241Pu。在這個系列中，237Np的半衰期最長。當時間足夠長后，241Pu和241Am幾乎衰變完了，而237Np還會存在，并與其子體建立起平衡，所以這個系列叫镎系。該系成員的質量數(shù)A都是4的倍數(shù)加1，即A=4n+1，因而也稱4n+1系列。由于237Np的半衰期比地球年齡小很多，地殼中原有的Np早已衰變成了209Bi，所以人們在中沒有發(fā)現(xiàn)4n+1系列。不成系列天然放射性核素除了上述的天然的和人工的放射性系列外，在自然界還存在一些非系列的放射性核素，它們經(jīng)一次衰變后即成為穩(wěn)定的核素，現(xiàn)在已知的有200種左右，但它們的量都非常少。其中較有較有實際意義的有鉀，銣，銦等，尤其是40K，在地殼中分布極廣，具有β衰變和K俘獲兩種衰變方式。天然鉀有三個同位素，即39K（豐度93.258%），40K（豐度0.012%）和41K（豐度6.73%），其中只有40K具有放射性，它的半衰期為1.27×109a。40K放出能量為1.31MeV的β粒子，另外還放出能量為1.46MeV的γ光子。鉀衰變后形成40Ar和40Ca，它們都是穩(wěn)定核素，因此在含鉀的巖石中均存在40Ar和40Ca。主要天然放射性核素只有其半衰期可與地球年齡相比較的核素存在于陸地物質中，主要的原生放射性核素有40K，238U，232Th。其次是87Rb和235U。釷和鈾為若干放射性核素系列之首，其中許多放射性核素對人體產(chǎn)生照射。從劑量學觀點來看，235U系中的放射性核素不太重要。天然235U和238U的質量比約為0.0073，放射性活度比為0.046。而226Ra是鈾系最重要的同位素，因此，關心的主要天然放射性核素是238U，226Ra，232Th和40K。地球及其殼層的天然放射性地球及其殼層的天然放射性主要取決于巖石和礦物中的天然放射性核素。主要分布在花崗巖和玄武巖圈，含量最高的是Th，其次是U，它們的含量比在花崗巖圈為3.4，在玄武巖圈為4.0。地球U的平均含量為（4.42～5.85）×10-8g/g，Th的平均含量為（17.66～28.55）×10-8g/g。含量差異明顯，但是由于232Th的半衰期與238U的半衰期之比為3.15，所以地圈中232Th與238U的放射性含量大體是接近的。巖石和煤炭中的放射性含量放射性元素的地球化學性質決定著它們在巖石中的分布。一般火成巖的放射性比沉積巖和變質巖為高，而且鈾，釷鉀的含量是隨著含硅量的而增高。巖石中含有的放射性核素在開采和應用過程中會部分地釋放到環(huán)境。煤炭本身是遠古時期的植物，其放射性來源于礦化過程中周圍介質中放射性物質在煤炭中的沉積。煤炭中的放射性核素主要是238U，232Th，及其子體，以及40K。據(jù)調(diào)查我國24個省市563例發(fā)電用煤中原生核素238U，232Th，和40K的平均比活度分別為54、30及104Bq/kg。土壤中的天然放射性土壤是巖石風化以后，在氣候，生物及地形等因素影響下經(jīng)過成壤作用而逐漸發(fā)育形成的，它由礦物質，有機質，土壤溶液和土壤空氣等組成。在成壤過程中放射性核素進行了再分配，由于核素自身化學性質和儲存條件的變化，它們有的在土壤表層富集，有的在土壤下部富集，還有的被帶出表層，進入地表水，或地下水流。因而，土壤放射性核素含量會因季節(jié)變化而有所不同。各國，各地區(qū)土壤中長壽命天然放射性核素比活度的分布很不均勻，有2～3個數(shù)量級的變化，例如40K變化在0～3200Bq/kg（英國），鈾變化在2～690Bq/kg（中國），鐳在10～900Bq/kg（瑞士），釷的變化在1～360Bq/kg（中國）。但是各國各核素的均值變化不大，各核素的平均世界中值與各國均值差別不大。氣圈，水圈和生物圈大氣中的天然放射性核素主要是從巖石，土壤和水中釋放出的鈾，釷，鐳及其子體產(chǎn)物。以及宇宙射線與大氣層氮相互作用產(chǎn)生的14C和3H。其濃度隨著環(huán)境，氣候等條件的變化而有所不同。海洋環(huán)境中的天然放射性核素有宇宙射線產(chǎn)生的3H，7Be，14C，26Al，和原生核素40K及天然鈾，釷系列及其子體等，其中天然14C90%以上存在于海洋，天然氚大部分也存在于海洋。與地圈相比，原生放射性核素（如鈾）低兩個數(shù)量級左右。氡的來源及分布自然界中的三種同位素（222Rn，220Rn，219Rn）分別來自三個天然放射系：鈾系，釷系和錒系。因為219Rn母體(235U)在地殼中的豐度很小，加之219Rn半衰期很短（3.9s），故在環(huán)境空氣中幾乎顯示不出它的存在。主要關心的是222Rn和220Rn。鈾（鐳）是自然界中廣泛分布的微量元素，在花崗巖中的含量最高，其次是頁巖，石灰?guī)r，火山巖，和砂巖。氡從巖石，土壤析出到空氣中，全球來講，環(huán)境空氣中的氡主要來源于陸地表面釋放（7.6×1019Bq/a，占環(huán)境空氣中氡全部來源的77%），陸地植物與地下水載帶