Примеси из вентиляционных труб АЭС

Наряду с измерением объемной активности A_v,0 [Бк/м³] газоаэрозольных выбросов через вентиляционные трубы АС в атмосферу измеряют и величину секундного расхода G [м³/с] воздушного потока, выходящего из венттрубы. Произведение этих величин называется мощностью выброса, является одной из важнейших характеристик уравнения переноса радиоактивной примеси в атмосфере и играет значительную роль в задачах прогнозирования радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Р_в = A_{v 0}G [Бк/c]. (10.1)

Если W(r) есть радиальное распределение скорости газового потока в устье венттрубы, то секундный расход находится как интеграл

, [м³/с]. (10.2)

Считая воздушный поток в венттрубе турбулентным, в качестве W(r) можно использовать известную эмпирическую зависимость J. Nikuradse вида

W(r,V_*) = V_*(5,75×lg[V_*(r₀-r)/n] +5,5), (10.3)

где V_* - динамическая скорость, подлежащая определению; v - кинематическая вязкость; r₀ - внутрен­ний радиус венттрубы; r - текущий радиус δ £ r £ r₀, d > 0. Таким образом, для определения секундного расхода в устье венттрубы измерение скорости га­зового потока необходимо проводить в течение определенного промежутка времени (в силу вихревого, стохастического характера потока) хотя бы в одной точке (отнормироваться на показание датчика). Это даст воз­можность определить величину динамической скорости V_*, что, в свою оче­редь, позволит полностью найти функцию распределения W(r). К сожалению, до настоящего времени секундный расход в венттрубе находят как сумму расхода отдельных вентиляционных систем, входящих в нее, т.е. по су­ществу мы можем иметь значения лишь верхней или нижней оценок этой величины, но не текущее ее значение, что, конечно же, является неудобной и дорого­стоящей процедурой при автоматизации измерений, поскольку для этой це­ли требуется учет и анализ каждой вентиляционной установки в отдель­ности.

Выполняя интегрирование в выражении (10.2) с W(r,V_*) вида (10.3) , получают:

, (см³/с). (10.4)

анализ распределения скоростей воздуш­ного потока в венттрубе реакторов типа ВВЭР, проводимый различными авторами, показал, что в венттрубе на высоте Z < 20 ( - средний диаметр венттрубы) распределение скорости воздушного потока не стабилизировано, имеет сложный, струйный характер, но при больших значениях Z поток стабилизируется и может быть удовлетворительно описан ранее приведенной зависимостью. Таким образом, критерием аппроксимации скорости установившегося воздушного потока в венттрубе зависимостью (3.7) является условие:

Z ³ 15 ¾ 20 , (10.5)

где Z – высота измерения скорости воздушного потока как функции радиуса в венттрубе, - ее средний диаметр. Таким образом, повышение точности измерений секундного расхода венттру­бы или скорости воздушного потока в ней непосредственно будет сказыва­ться на точности определения мощности выброса радиоактивной примеси в атмосферу и, наконец, на точности прогнозирования радиоактивного заг­рязнения окружающей среды.

Для надежного определения скорости воздушного потока и, в конечном итоге, секундного расхода целесообразно использовать наиболее простые методы ее оценки. В качестве такового можно воспользоваться прибором, измеряющим эту величину и состоящим из проточной и непроточной ионизационных камер одинаковых габаритов, каждая из которых измеряет ионизационный ток, обусловленный ионизацией рабочего тела (воздуха) в межэлектродном промежутке. Принципиальная схема такого прибора приведена на рис.10.7.

найдем количество заряда, обра­зующегося в проточной ионизационной камере прямоугольной геометрии и поступающего в нее из ат­мосферы с воздушным потоком за время Dt:

,

где e – заряд электрона; U₀ – искомая скорость воздушного потока в венттрубе; L₀, L, l – ширина межэлектродного промежутка, ширина и длина электродов соответственно; q(x) – функция распределения концентрации ионов; S_n = Ll.

Изменение заряда в единицу вре­мени создает электрический ток, регистрируемый внешним устройством:

(10.6)

где S₀ = LL₀ - ширина межэлектродного промежутка, μ – подвижность ионов, Е₀ – напряженность внешнего электрического поля. Ионизационный ток в непроточной ионизационной камере находят по формуле

. (10.7)

Используя (10.7), находим:

, (10.8)

откуда находят выражение для скорости воздушного потока

(10.9)

Таким образом, по измеренным значениям ионизационных токов проточной и непроточной ионизационных камер, установленных в устье венттрубы ОИАЭ, скорость воздушного потока в точке их размещения может быть успешно определена, что дает возможность найти секундный расход. С другой стороны зависимость ионизационного тока от мощности дозы ионизирующего излучения, приведенная на рис.10.8, дает возможность по его измеренному непроточной ионизационной камерой значению i_нп определить мощность дозы D^¢_γ,b, по которой, в свою очередь, находят объемную активность A_v,0и, в конечном итоге, величину мощности выброса радиоактивной примеси P_B.Действительно, величину

мощности дозы , создаваемой газоаэрозольной радиоактивной примесью, равномерно заполняющей венттрубу, можно вычислить по формуле

, (10.10)

где A_v0 – объемная активность газоаэрозольной радиоактивной примеси; K_γ,i – гамма-постоянная i-го радионуклида; p_i – парциальный (весовой) вклад активности i–го радионуклида в общую объемную активность (параметр, определяемый по данным спектрометрических наблюдений); - коэффициент линейного ослабления фотонного излучения в воздухе; - дозовый фактор накопления фотонного излучения в гомогенной среде (воздухе), значение которого в венттрубе с точностью до 5% можно положить равным 1; R – расстояние от точки детектирования с координатами до элементарного источника с текущими координатами x, y, z ; V - область интегрирования.

Проводя вычисления под знаком суммы в правой части выражения (10.10), и, используя вместо расчетного значения мощности дозы в левой части этого выражения ее измеренное значение непроточной ионизационной камерой, величину объемной активности в венттрубе найдем как отношение

. (10.11)

Датчик мощности выброса, состоящий из проточной и непроточной ионизационных камер плоскопараллельной геометрии приведен на рис. 10.9, а на рис. 10.10 приведена общая схема его размещения в венттрубе ОИАЭ совместно с гамма-спектрометром.

В качестве гамма-спектрометра целесообразно использовать ксеноновый спектрометр сверхвысокого давления, энергетическое разрешение которого составляет (2,0 ± 0,2) % по ¹³⁷Cs, диапазон рабочих температур – (-30 ¸ +100)°С, а энергетический диапазон: 0,05 - 5,0 МэВ. Спектрометр обладает высокой радиационной стойкостью, температурной стабильностью спектрометрических характеристик вплоть до 180°С, а также вибростойкостью до 120 дБ. общая схема спекторметра приведена на рис. 10.11. Таким образом, если в качестве спектрометрического оборудования использовать, например, ксеноновый гамма-спектрометр, то при измерении мощности дозы D_g¢в некоторой точке венттрубы и измеренных весовых соотношениях радионуклидов p_i, нетрудно найти и парциальные значения объемной активности каждого радионуклида A_vi = A_v0·p_i, а также парциальное значение мощности выброса для каждого радионуклида P_вi = A_viG. При этом следует учесть, что время измерения мощности дозы составит не более 20 с., а при вычислении знаменателя в формуле (10.11) можно использовать заранее табулированные значения функций, что позволит получать результаты оценок радионуклидного состава газоаэрозольной радиоактивной примеси, а также мощности выброса P_в в режиме on-line.

секундный расход, для простоты, можно представить как произведение площади сечения устья венттрубы на значение измеряемой скорости воздушного потока U₀. Поэтому за относительную погрешность секундного расхода можно принять относительную погрешность измерения скорости воздушного потока U₀. Тогда относительная погрешность мощности выброса радиоактивной примеси в атмосферу Р_в определится суммой трех слагаемых

, (10.12)

из которых первое и третье зависит от погрешности измерения ионизационных токов проточной и непроточной ионизационных камер, работающих в токовом режиме, а второе определяется погрешностью измерения относительного веса радионуклида в смеси g-спектрометром. Погрешность измерения ионизационных токов для каждой из ионизационных камер составит не более 10%. Погрешность измерения относительного веса p_i определяется погрешностью разрешения энергии E_i и составляет от 2 до 5%, так что суммарная погрешность оценки Р_в составит не более 30%.