Во время раскопок у основания северо-восточной стороны башни ученые обнаружили несколько слоев. Дальнейшие исследования позволили археологам выявить в слоях остатки древесного угля, семян и костей — органических веществ, которые можно датировать при помощи радиоуглеродного анализа с использованием ускорителя.
Радиоуглеродное датирование позволяет подсчитать атомы радиоактивного изотопа углерода в растительной материи или останках животного. Эти атомы распадаются с определенной скоростью после смерти организма. Радиоактивный изотоп можно отделить от других атомов в образце, что позволяет ученым более точно определять возраст образца.
Оказалось, что башня была построена не на нижних слоях коренных пород, а на осадочных слоях, которые были запечатаны валунами у основания башни. Результаты радиоуглеродного анализа органического вещества показали, что слои появились между 900-800 годами до н. э.
«Результаты убедительной датировки этой башни передвинули ее строительство из эпохи среднего бронзового века в эпоху железного века. Мы собирается провести аналогичные исследования с некоторыми другими строениями древнего Иерусалима», — сказала автор исследования Элизабетта Боаретто.
Когда впервые был применен калий-аргоновый метод?
После открытия радиоактивности Беккерелем в 1896 г., достаточно быстро стало ясно, что это явление можно использовать для датирования геологических объектов, и в начале XX столетия такие работы начались. Радиоактивность калия была обнаружена в 1906 г., но то, что радиоактивным является изотоп с 40 массой – выяснилось только в 1935 г. Двумя годами позже Вайцзеккер1 установил, что калий-40 имеет двойную цепь распада в аргон-40 и кальций-40. Несмотря на то, что непосредственно применение этой схемы распада для датирования тем методом, который мы сегодня называем K-Ar, началось позже, обычно именно Вайцзеккеру отдается приоритет первооткрывателя. Первые попытки датировать калиевые минералы по аргону были осуществлены в 1948 г. в США Алдричем и Ниром и в СССР Герлингом и Титовым. Это, что касается рождения метода. Дальше было несколько эпизодов: от повального увлечения до почти забвения и последующего периода ренессанса. Следует отметить, что сегодня существует несколько вариантов калий-аргоновых методов (отличающиеся техническими деталями) и отдельно аргон-аргоновый метод, который хоть и использует всё ту же схему распада калия в аргон, но является принципиально другим по многим причинам.
Аргон-аргоновый метод был введен в практику в середине 1960-х годов. В нем измерения калия заменены измерением 39 изотопа аргона, который образуется из 39 изотопа калия при облучении образца в ядерном реакторе по реакции 39K(n,p)39Ar. Технически аргон-аргоновый метод заметно сложнее, но имеет множество преимуществ, поскольку позволяет судить о том, была ли изотопная система в минерале «закрыта», т.е. происходили ли например потери радиогенного аргона или нет. Основные практические достижения сейчас связаны именно с аргон-аргоновым методом, калий-аргоновый метод обычно используют только для датирования «молодых» вулканических пород. («Молодой» понятие относительное, и сильно зависит от контекста, для геологов это может быть что-то моложе 100 или 10 или 1 млн лет).
Каков минимальный и максимальный возраст, которые возможно определить калий-аргоновым методом?
Теоретически датировать можно образцы с возрастом от первых тысяч лет до возраста образования Земли. Практически все зависит от множества факторов. Проще всего датировать вулканические породы, излившиеся в интервале, скажем, от первых миллионов лет назад до первых сотен миллионов лет назад. При датировании более древних и более молодых образцов есть заметные проблемы.
Сильно ли усовершенствован этот метод со времени его введения в практику?
Современные методы, основанные на распаде калия-40 в аргон-40, очень сильно отличаются от калий-аргонового метода полустолетней давности. Например, в СССР массово применялся способ измерения аргона объемным методом. Количество газа, выделившееся при плавлении образца, замеряли при помощи манометра Мак-Леода. Но аргон-40 в образце только частично накапливается из-за распада калия-40, заметная его доля захвачена при кристаллизации минерала из окружающей среды. Объемный метод не позволял разделить эти два типа аргона. Поэтому датировки, полученные этим способом, представляют сегодня лишь историческую (в смысле истории науки) ценность. При масс-спектрометрических измерениях радиогенный аргон-40 отделяют от захваченного исходя из допущения, что весь захваченный аргон имел отношение 40Ar/36Ar как в современном воздухе. Это допущение не всегда верное, что вносит свои погрешности в датировку, иногда неизвестного порядка. В аргон-аргоновом методе существует возможность определять исходный изотопный состав захваченного аргона и такими образом более правильно оценивать долю радиогенной части аргона.
Следует отметить, что требования к точности датировок в геологических исследованиях заметно выросли и точность, которая казалась удовлетворительной тридцать лет назад, сегодня не годится.
Современная амбициозная задача геохронологии калибровать время основных биологических изменений, зафиксированных в стратиграфической шкале времени, с точностью лучше 1%.
Это на самом деле не так просто, как может показаться. Сама схема и константы распада калия-40 до сих пор не очень хорошо известны. В физической и геологической литературе пользуются значениями, которые при пересчете на возраст дают расхождения порядка 1-2% и сейчас очевидно, что ни те, ни другие константы не являются правильными. Например, фиксируется систематическое отличие при датировании одновозрастных образований уран-свинцовым и аргон-аргоновым методом на уровне 1%. Т.е. когда я говорю о проблемах, то речь обычно идет о проблемах такого порядка величин. Бывают и заметно большие нестыковки, но обычно это случаи применения метода либо к каким-то особым объектам, трудно поддающимся датированию, либо датирования сверхмолодых или наоборот необычайно древних образований.
Какой материал пригоден для датирования калий-аргоновым методом? Сколько образцов нужно для валидного анализа?
Теоретически – это любой минерал с калием. Лучше если калий входит в структуру минерала, но иногда можно датировать и по минералам с примесями этого элемента. На практике лучше всего датировать минералы, кристаллизовавшиеся из магмы. По крайней мере понятна исходная точка отсчета, какое именно геологическое событие датируется. Можно датировать также метаморфические минералы, но в этом случае надо исходно понимать, что с этим минералом происходило. Был ли метаморфизм одноактным, как быстро происходило охлаждение минерала. Быстрое охлаждение важно, поскольку аргон инертный газ и сравнительно легко покидает минерал хозяин при его нагревании еще до разрушения кристаллической решетки минерала. Т.е. минерал мог уже закристаллизоваться, на сленге геохронологов – изотопные часы пошли, но радиогенный аргон не остается в минерале, а частично покидает его. Этот недостаток позже пытались (и пытаются) использовать как преимущество для реконструкции термальной истории минералов. Теоретически можно датировать время образования минералов при осадконакоплении. Практически такие попытки тоже были, но тут есть заметные сложности.
Сколько нужно образцов – зависит от типа решаемой геологической задачи. Образец может быть и один. В данном случае статистикой ничего исправить нельзя. Либо объект (минерал) подлежит датированию, либо он заведомо не годен для этого. Обычно я привожу грубый, но доходчивый пример.
Можно взять известку с потолка. В ней есть и калий и аргон, но их соотношение нам ничего не скажет о времени побелки.
Каковы основные ограничения метода? Какие трудности связаны с его использованием и каковы пути их преодоления?
Ограничения метода можно разделить на технические и принципиальные.
Под техническими ограничениями я имею в виду те ограничения, которые накладываются из уровня развития измерительной техники, и вытекающие из этого проблемы. Скажем так, сегодня технически невозможно измерить образец с возрастом меньше примерно тысячи лет, а также невозможно получить датировку с точностью лучше 1-2%, поскольку примерно такая неопределенность существует в константах распада калия-40. Принципиальные ограничения в свою очередь зависят от того, что именно вы хотите датировать. Рассмотрим несколько простых примеров, естественно с некоторыми упрощениями.
Например, извергся вулкан, из него вытекла лава. Из лавы кристаллизовались, допустим, полевые шпаты. Через миллион лет на это место пришел геолог и взял образец, сделал шлиф и видит под микроскопом, что полевой шпат «свежий», он не претерпел никаких вторичных изменений. Можно ожидать, что изотопная система с момента кристаллизации минерала до момента отбора пробы оставалась закрытой. Такой образец подлежит датированию. А вот если на месте полевого шпата уже сплошь новообразованные минералы, мелкие слюдки, то система была открыта и датировка будет заведомо омоложена. В лучшем случае если перекристаллизация минерала происходила одноактно, можно получить информацию о времени этого процесса.
Другой пример: есть древняя порода, залегающая где-то на глубине. Из-за тектонического стресса она начала перемещаться по разлому, из-за трения произошел разогрев, кристаллизовалась новая слюда. Эту слюду можно датировать и сказать о времени перемещений. Порода древняя, некоторые
минералы, например цирконы, которые также можно датировать, но уже уран-свинцовым методом, об этом говорят, а слюды – молодые. Они кристаллизовались намного позже.
Таким образом, не каждый образец можно датировать в принципе. Именно с тем, что на ранних этапах применения метода далеко не всегда понимали, что именно пытаются датировать, и связано разочарование, которое постигло калий-аргоновый метод после периода повального увлечения, скажем в 1960-е. Утвердилось мнение, что у калий-аргонового метода есть только своя ниша в интервале «молодых» возрастов.
Какие наиболее известные датировки получены с помощью метода?
При ответе на этот вопрос в первую очередь в голову приходит известная датировка извержения 79 года нашей эры вулкана Везувий, того самого, которое похоронило Помпеи и Геркуланум. Но в данном случае эта датировка известна не тем, что была получена какая то новая информация для археологов, а тем, что было показано, что аргон-аргоновый метод может решать задачи на уровне первых тысяч лет. Т.е. тут тестировалась сама методика для верхнего возрастного предела метода. Что же касается новой информации для, например, антропологии, то аргон-аргоновым методами в начале 1990-х датировались останки женщины-австралопитека «Люси», найденной на севере Танзании в 1974 г. Конечно же датировались не сами кости, а вулканические пеплы, в которых они были захоронены. В итоге возраст Люси оказался чуть больше 3 миллионов лет. Калий-аргоновым и аргон-аргоновым методами датировали тектиты, связанные с Чиксулубским метеоритом, который упал на Землю примерно 65 млн лет назад. Вообще эти методы – рабочие лошадки и датировок слишком много, чтобы можно было выбрать среди них.
Какие лаборатории в СНГ осуществляют датирование калий-аргоновым методом?
Не знаю, остались ли какие то лаборатории за пределами России на территории бывшего СССР, но и у нас негусто. Другие коллеги, надеюсь, не обидятся, но регулярное датирование выполняют только две лаборатории – калий-аргоновым методом в ИГЕМ РАН в Москве и аргон-аргоновым методом в ИГиМ СО РАН в Новосибирске. Недавно запущена калий-аргоновая лаборатория в ДВГИ ДВО РАН во Владивостоке (хотя особых результатов, кроме тестовых измерений, пока никто не видел), и аргон-аргоновая лаборатория у нас в ИЗК СО РАН в Иркутске. Первые датировки по образцам с неизвестным возрастом я начал делать в мае этого года. Для сравнения в одном только Пекине – 11 таких лабораторий. Хотя конечно не с Китаем нам сейчас равняться, поскольку по количеству нового научного оборудования он, думаю, находится на втором месте после США, если уже не на первом.
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка радиометрических систем и методов полевых и дистанционных измерений радиоактивного загрязнения»
Актуальность темы. В процессе становления и отработки технологий, используемых на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) бывшего СССР, были загрязнены пойменные ландшафты рек: Течи, Исети, Енисея, Томи. Так, например, в результате имевших место радиационных аварий и инцидентов на объектах ПО «Маяк» к концу 1960-х гг. произошло радиоактивное загрязнение не только территории промышленной площадки, санитарно-защитной зоны вокруг предприятия, но и части территорий Челябинской, Свердловской и Курганской областей. Наибольшие радиоэкологические и радиологические последствия имели сбросы ЖРО в Течу и авария 1957 г. — взрыв емкости-хранилища РАО (Восточно-Уральский радиоактивный след). В результате только аварии 1957 г. в окружающую среду (за пределами промплощадки) поступило около 2 МКи. В 1949-1956 гг. жидкие радиоактивные отходы радиохимического производства сбрасывались непосредственно в малую реку Теча .
В результате испытаний ядерного оружия в 60-х годах на поверхности земли северного полушария присутствует большое количество радиоактивных веществ, определяющее так называемое глобальное фоновое загрязнение. К 1986 году (до Чернобыльской аварии) общая активность 137Сз и 908г, находившаяся на территории северного полушария, составила десятки МКи.
Авария на ЧАЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г., по масштабам радиоактивного загрязнения окружающей среды превзошла все предшествующие радиационные инциденты. На основе аэрогамма-съемки и паземпьтх обследований были созданы и изданы карты загрязнения Европейской части России радионуклидами шСз, 908г о
239Ри. Наиболее загрязненными в России являются Брянская (11 800 км2 загрязненных
2 2 ^ территорий), Калужская (4 900 км ), Тульская (11 600 км ) и Орловская (8 900 км») области .
Радиоактивное загрязнение рек и озер обусловлено, главным образом, смывом радионуклидов с поверхности почвы территории водосбора, причем влияние смыва особо ощутимо в зонах, загрязненных после аварий на ЧАЭС и ПО «Маяк». Однако загрязнение воды и донных отложений практически во всех реках и водоемах России не представляет опасности для водопользования, т.к. в целом происходит довольно интенсивный процесс самоочищения поверхностных вод и допиьтх отложений.
Радиоэкологическая обстановка загрязненных территорий являются важным элементом системы радиационной безопасности. Как правило, радиоэкологические работы включают в себя детальное картирование уровней загрязнения и проведение систематических наблюдений за радиационной обстановкой. Очевидно, что выполнять исследования наземных и водных экосистем необходимо с использованием современных подходов и методов, которые требуют постоянного совершенствования и развития.
Анализ потребления энергии в мире показывает, что в ближайшие десятилетия глобальное производство энергии может быть увеличено в 2 — 3 раза, поэтому на первое место выходит вопрос о сырьевом ресурсе топлива. Ядерная энергетика способна к расширенному воспроизводству топлива, что обеспечивает ее неисчерпаемыми ресурсами при замкнутости топливного цикла и, по-видимому, приведет к крупномасштабному использованию атомной энергии в будущем. Однако наращивание ядерных мощностей требует обеспечения ядерной и радиационной безопасности на всех этапах жизненного цикла ядерных установок. Это относится и к конечной стадии жизненного цикла ядерных установок — их выводу из эксплуатации и обращению с радиоактивными отходами, образующимися в процессе работы ядерных объектов. В результате многолетней производственной деятельности научно-исследовательских центров страны, обладающих ядерно-техническими установками, также накопилось большое количество радиоактивных отходов, которые помещались в специально сооруженные временные хранилища. Все эти события и процессы привели к изменению радиоэкологической обстановки на некоторых территориях страны, которые требуют, в зависимости от ситуации, проведения обследования загрязненных территорий или осуществления реабилитационных работ, радиационного контроля или вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии.
Цель и задачи исследования. Для проведения широкомасштабного обследования загрязненных территорий, повышения эффективности реабилитационных работ на объектах использования атомной энергии потребовалась разработка приборов, систем и новых методов измерений. Такие средства и методы должны не только обеспечить эффективное и безопасное проведение работ по реабилитации, но также сделать обследование загрязненных территорий оперативным, дешевым, т.е. экономически целесообразным. В аварийных ситуациях, например, таких как обследование центрального зала IV блока ЧАЭС, для уменьшения вредного воздействия на персонал должны применяться дистанционные методы измерений и мониторинга ионизирующего излучения, аппаратные и программные средства, позволяющие оценивать радиационную обстановку, давать оценку активности распределенных источников излучения, определять их изотопный состав и другие характеристики.
Совершенствование и обновление технологий, используемых при выполнении работ по выводу из эксплуатации ядерных реакторов, требуют развития новых технических решений с применением более совершенных методов и средств радиационных измерений. Подобные средства также должны обеспечивать получение различного вида информации (визуальной, графической или цифровой) в реальном масштабе времени в виде, удобном для дальнейшего использования, обеспечивать повышение чувствительности и оперативности измерений, осуществлять прогноз радиационной обстановки в различных рабочих или аварийных ситуациях.
Объект и предмет исследования. Авария 1986 г. на ЧАЭС явилась крупнейшим радиационным инцидентом прошлого столетия и привела к разрушению объектов IV блока и крупномасштабным радиоактивным загрязнениям окружающей среды. Ряд территорий Брянской области оказался в зоне высокого уровня загрязнения, что привело даже к отселению жителей некоторых населенных пунктов. Для таких населенных пунктов требовалось детальное обследование на предмет определения как уровней, так и характера их загрязнения, что позволило бы дать оценку путей и способов реабилитационных мероприятий на этих территориях. Вопросы обследования являлись актуальными и для разрушенных объектов IV блока ЧАЭС. Эти чернобыльские объекты в силу своей специфики тоже нуждались в обследовании с использованием нестандартных приборов и систем радиационного контроля, что потребовало их разработки. Они оказались востребованными и при выполнении других работ, в частности, при ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов.
Пойменные участки рек Течи и Енисея, загрязненные в результате сброса в их гидросистему радиоактивных отходов предприятиями ЯТЦ, являются объектами постоянного радиоэкологического мониторинга, для обследования которых также необходимы разработка методов и создание на их основе приборов оперативного измерения радиоактивных загрязнений.
РНЦ «Курчатовский институт» — один из крупнейших научно-исследовательских центров страны, обладает комплексом ядерно-физических установок. Экспериментальная база РНЦ «Курчатовский институт» состояла из 12 исследовательских установок с реакторами различного типа, 19 критических стендов и других радиационно опасных объектов, включая горячие лаборатории, облучательные установки, временные хранилища ядерного топлива и радиоактивных отходов. В результате многолетней производственной деятельности на его территории накопилось значительное количество радиоактивных отходов, которые направлялись во временные хранилища, расположенные на территории центра. Эти временные хранилища отходов образовались на начальном этапе работ института, и по современным меркам они не соответствовали нормам и правилам радиационной безопасности. С развитием Москвы территория института оказалась со всех сторон окруженной жилой застройкой и площадки с размещением хранилищ оказались расположенными в нескольких десятках метров от жилых домов. В рамках проекта «Реабилитация» в 2002-2007 годах были проведены работы по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов на территории института.
В настоящее время в РНЦ «Курчатовский институт» продолжают эксплуатироваться шесть из двенадцати реакторных установок. Остальные шесть остановлены для вывода из эксплуатации и частично или полностью демонтированы. В рамках работ по Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности России на 2008 год и на период до 2015г.» осуществляется вывод из эксплуатации* многоцелевого петлевого материаловедческого реактора МР, одного из наиболее сложных ядерных объектов. Другой важной и актуальной задачей является радиационное обследование объектов топливного цикла. В 2007-2008 гг. специалистами РНЦ «Курчатовский институт» были проведены обследования радиоактивно загрязненных объектов и территория Кирово-Чепецкого химического комбината (КЧХК), на котором осуществлялась переработка уранового сырья. Загрязнение территории и производственных объектов происходило на ранних стадиях отработки технологии переработки гекса- и тетрафторида урана. Радионуклидное загрязнение любого объекта или территории проще всего обнаружить по регистрации гамма-излучения. Трудности обследования объектов и территории КЧХК заключались в том, что их загрязнение было обусловлено, в основном, мелкодисперсной фракцией неравновесного урана. Уран и его ближайшие дочерние радионуклиды (торий и протактиний), находящиеся с ним в равновесии, либо не являются гамма-излучающими, либо выход гамма-квантов на распад у них очень мал. Поэтому в этих ситуациях требуется развитие новых методов и подходов при радиационном обследовании подобных объектов.
Методы исследований. Традиционными методами обследования загрязненных радионуклидами территорий являются авиационная гамма-съемка (аэрогамма-съемка), метод пробоотбора и методы полевой радиометрии.
Аэрогамма-съемка широко используется при обследовании загрязненных территорий. Начиная с середины 50-х годов, аэрогамма-съемка использовалась при обследовании территорий, прилегающих к полигонам испытания ядерного оружия. Так, например, в 1956 г. была проведена аэрогамма-съемка прилегающих к Семипалатинскому полигону районов на расстояниях до 500 км от центра опытного поля, аналогичные исследования проводились при испытаниях на Новой Земле и позже — после аварии на ЧАЭС. И в настоящее время этот метод широко используется в ведущих научных и научно-производственных организациях и структурах и совершенствуется на базе развития новых приборных средств
Авиационная гамма-съемка имеет ряд достоинств и предназначена, в основном, для проведения крупномасштабных измерений огромных территорий, загрязненных в результате испытаний ядерного оружия или аварийных инцидентов. Однако для обследования загрязнения населенных пунктов, пойменных участков рек аэрогамма-съемка не всегда подходит, т.к. пространственное разрешение этого метода невысокое и недостаточное для получения детальной информации, необходимой для проведения реабилитационных мероприятий на этих территориях.
Методы полевой радиометрии тоже применяются при обследовании загрязненных радионуклидами территорий. Недостатком ранее известных методик полевой гамма-радиометрии была необходимость получения предварительной дополнительной информации о характере заглубления радионуклидов в почве в окрестности 10-15 м от спектрометрического детектора, расположенного на высоте ~1м над поверхностью почвы. Здесь предполагалось осуществление процедуры отбора пробы с последующим спектрометрическим анализом ее на предмет оценки характера распределения радионуклидов по глубине, для того чтобы учитывать самопоглощение излучения заглубленных в почве радионуклидов. Для этого предполагается наличие мобильного передвижного спектрометрического комплекса, с помощью которого в полевых условиях (т-вйи) осуществлялись бы процедура отбора пробы и ее анализ. Это обстоятельство делало этот подход трудоемким и неэффективным. Поэтому развитие методов полевой радиометрии, которые обеспечивали бы измерения в полевых условиях без какой-либо предварительной информации о характере заглубления радионуклидов в почве, — актуальная задача при проведении обследований загрязненных территорий населенных пунктов, пойменных участков рек и т.п.
Метод пробоотбора является классическим способом определения характеристик загрязнения почвы. Как правило, традиционным является измерение активности гамма-излучающих радионуклидов счетных образцов почвы спектрометрическими полупроводниковыми или сцинтилляционными детекторами в геометриях сосуда Маринелли, «геологического кольца» или «Дента» .
Метод пробоотбора включает в себя три этапа: 1 — отбор проб (счетных образцов) на местности; 2 — радиохимическое выделение и концентрирование определяемого радионуклида (при необходимости); 3 — спектрометрический анализ счетных образцов и определение активности находящихся в них радионуклидов. Такой подход является достаточно трудоемким, требующим длительного времени и достаточно дорогостоящим. Наиболее ярким примером этого может быть определение 908г, являющегося Р-излучающим радионуклидом, требующим радиохимического выделения из исследуемых образцов. 908г занимает особое место из-за своей высокой подвижности в водной и почвенных средах. Являясь химическим аналогом стабильного кальция, 908г может через пищевые цепочки попадать в организм человека и накапливаться в костных тканях (908г — остеотропный радионуклид), что делает его достаточно опасным с радиологической точки зрения. Это обстоятельство требует постоянного контроля над содержанием 908г в почве и воде на загрязненных, территориях.
Альтернативой традиционным радиохимическим методам может служить радиометрический метод определения содержания 908г. Основным недостатком радиометрического метода является его низкая чувствительность, однако он вполне конкурентно способен, если измеряемые уровни активности 908г выше предела его чувствительности.
При эксплуатации различных ядерных реакторов возникает необходимость определения радиационных характеристик ОЯТ как в процессе пребывания его в реакторе, так и в процессе хранения после выгрузки. Знание радиационных характеристик ОЯТ также важно при его транспортировке и утилизации, при радиохимической и металлургической переработке твэлов. Поскольку ОЯТ представляет собой высокоактивный материал, обращение с которым не позволяет проводить какие-либо операции по оценке его характеристик разрушающими методами, перспективным представляется применение спектрометрического метода, относящегося к методам неразрушающего анализа. Основой спектрометрического метода является измерение аппаратурного спектра излучения как материалов самого ядерного топлива, так и продуктов деления. Для этих целей необходимо использовать спектрометрическую аппаратуру высокого разрешения, т.к. в облученном топливе могут содержаться радионуклиды со сложным спектром излучения, требующие предварительной идентификации для количественной оценки. Однако получение аппаратурного спектра является необходимым, но не достаточным условием для определения характеристик топлива. Как правило, нужна дополнительная информация (значения различных калибровочных констант, необходимых зависимостей и т.д.), позволяющая по результатам спектрометрических измерений получать количественную оценку основных характеристик облученного топлива (глубины выгорания, времени выдержки, величины обогащения и т.д.). Такая дополнительная информация может быть получена расчетным путем с использованием метода Монте-Карло для условий реальной геометрии спектрометрического измерения. Метод Монте-Карло порой является единственным способом получения дополнительной информации, т.к. создание эквивалентного калибровочного источника либо не представляется возможным, либо не является универсальным в силу постоянно изменяющейся геометрии измерения (изменение формы, размера, структуры источника излучения). Поэтому использование метода Монте-Карло позволяет существенно расширить возможности спектрометрического способа оценки характеристик ОЯТ.
Методологический подход
В основу методологического подхода положены разработка и применение математических моделей радиометрических приборов и систем, созданных с использованием метода Монте-Карло. Эти модели позволили оперативно разрабатывать не только радиометрические приборы и системы (априори определять их метрологические характеристики и параметры), но и создавать для них методики измерения на основе анализа данных моделирования. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработка метода радиометрического определения характеристик загрязнения почвы радионуклидами 137Сз в полевых условиях с помощью коллимированного спектрометрического детектора. Такой метод позволит без какой-либо априорной
1 пп информации измерять поверхностную активность Сб в дозообразующем слое почвы (~3дсп) от уровней загрязнения ~ 20кБк/м2, определять толщину слоя, в котором находится свыше 80% общего содержания 137Сз, выявлять и оценивать толщину верхнего чистого слоя почвы.
2. Создание радиометрического прибора и разработка метода оперативного
137 измерения поверхностной активности радионуклидов Сб в донных отложениях с использованием водного погружного детектора. Этот способ позволит исключить применение процедуры пробоотбора.
3. Разработка аппаратурного и методического обеспечения для измерения удельной активности 137Cs иб0Со(152Еи) вдоль технологических скважин, с использованием погружных детекторов, работающих в спектрометрическом и токовом режимах. Такие приборы позволят определить характер распределений радионуклидов по глубине почвы, загрязненной в результате аварийных выпадений (авария на ЧАЭС), вблизи временных хранилищ радиоактивных отходов или сброса радиоактивных отходов в гидросистему рек (пойма р. Течи, Енисея).
4. Разработка экспресс-метода для измерения удельной эффективной активности EPH в стройматериалах в полевых условиях (контроль на объекте).
5. Разработка методов расчета мощности дозы на загрязненных территориях с учетом влияния естественного ландшафта, лесного покрова по данным радиометрической съемки и способы оценки радиационной обстановки аварийных объектов по данным дистанционных измерений системы радиационного контроля (гамма-локатор).
6. Разработка способа определения уровня загрязнений бетона радионуклидами 137Cs и 60Со с использованием спектрометрических систем высокого разрешения.
7. Разработка спектрометрического метода оценки характеристик отработавшего ядерного топлива (ОТВС) для идентификации TBC по типу твэлов с применением мобильных спектрометрических систем с ОЧГ детектором.
8. Создание аппаратурного и методического обеспечения для определения активности 90Sr(90Y) и неравновесного 238U(234mPa) в присутствии техногенных
1 7 /iO радионуклидов Cs и Со при проведении обследований загрязненных территорий, производственных объектов использования атомной энергии и реабилитационных работ (в полевых условиях).
9. Разработка математических моделей спектрометрических детекторов гамма- и нейтронного излучения с кремниевыми фотоприемниками (фотодиоды и твердотельные фотоумножители) и создание на их основе детекторов для использования в приборах и системах радиационного контроля.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в создании математических моделей радиометрических приборов и разработке на их основе методик измерений, аппаратных средств, программного обеспечения для обработки результатов измерений; в разработке методов калибровки и их проведении для разработанных средств измерений; в осуществлении лабораторных испытаний, верификации и тестировании как методов, так и самих приборных средств. Автор разработал алгоритмы и способы оценки радиационной обстановки по результатам радиометрической съемки и дистанционных измерений радиоактивных загрязнений, которые нашли применение при проведении обследований территорий ряда населенных пунктов, пострадавших от аварии на ЧАЭС; при обследовании аварийных объектов ЧАЭС; при решении ряда радиоэкологических задач для пойменных участков рек, в которые осуществлялся сброс радиоактивных отходов; при проведении реабилитационных работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов.
Разработал спектрометрический способ оценки характеристик отработавшего ядерного топлива, который нашел применение при выполнении работ по транспортировке ОТВС и выводу из эксплуатации объектов использования атомной энергии.
Лично принимал участие в некоторых экспедициях по обследованию загрязнений пойменных территорий рек и обследованию донных отложений, в проведении измерений при выполнении работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов. Проводил расчеты и измерения, осуществлял анализ полученных результатов. Разработал математические модели сцинтилляционных детекторов, созданных на основе кремниевых фотоприемников, принимал участие в их разработке, испытаниях и оценке метрологических характеристик.
Практическая значимость работы состоит в том, что
1. разработанные радиометрические средства измерений и методы были использованы в ходе работ по обследованию ряда территорий населенных пунктов Белоруссии и России, пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Эти средства и методы также использовались при обследовании пойменных участков рек Течи, Енисея, в гидросистему которых осуществлялся сброс радиоактивных отходов. Наиболее важной разработкой было создание гамма — локатора, с помощью которого дистанционным методом измерялась радиационная обстановка на 4-ом блоке ЧАЭС, на основе чего проводились дезактивационные работы.
2. В 2002-2007 годах в рамках проекта «Реабилитация» при проведении работ по реабилитации объектов и территории РНЦ «Курчатовский институт» использовались приборы, системы и методики для определения состояния хранилищ РАО, для подготовки РАО к отправке в МосНПО «Радон», для измерения загрязнений грунта и объектов хранилищ. Разработанные методы и приборы использовались также в работах по подготовке и вывозу ОЯТ исследовательских реакторов Центра.
3. В 2007-2008 гг. при обследовании радиоактивного загрязнения объектов и территории Кирово-Чепецкого химического комбината, на котором осуществлялась переработка гекса- и тетрафторида урана, использовался разработанный бета-радиометр для определения поверхностной и удельной активности 238U по регистрации бета-излучения равновесного 234шРа.
4. Совместно со специалистами из Комиссариата по атомной энергии Франции, специалистами Германии, Дании, Норвегии был разработан и усовершенствован ряд аппаратных и программных средств, которые были использованы на объектах Европейского сообщества, а также при выполнении ряда совместных проектов. Научные программы, в рамках которых были получены результаты диссертации. Диссертационная работа основана на результатах многолетних исследований (1992-2009 гг.), выполненных автором в рамках проекта «Реабилитация» в 2002-2007 годах при проведении работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов на территории «Курчатовского института»; в рамках работ по Федеральной целевой программе «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности России на 2008 год и на период до 2015г.»; при выполнении международных проектов INTAS agreement No.-INTAS-93-2288 , INCO-COPERNICUS agreement No.-IC15-CT96-00807 (DG12-CDPE); проектов INCO-COPERNICUS Project ERB IC15-CT98-0219 («STREAM»); по программам МНТЦ «Радиационное наследие бывшего СССР» (RADLEG, RADINFO), в которых автор был исполнителем и научным руководителем («STREAM»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: VI Российская научная конференция по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, 1994, Обнинск; Всероссийская конференция «Радиоэкологические, медицинские и социально-экономические последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Реабилитация территорий и населения». 1995, Москва; Всероссийская научно-практическая конференция «Чернобыль: 10 лет спустя. Итоги и перспективы. 1996, Брянск; International Conference «International and National aspects of Ecological Monitoring». St.Petersberg, 1997; VII Российская научная конференция «Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок». 1998, Обнинск; IEEE Nuclear Science Symposium-Medical Imaging Conference: 1997, Albuquerqe, New Mexico, USA; 2000, Lyon, France; 2008 Dresden, Germany;
Международная конференция «Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях». th
2000, Москва. — СПб; 5 International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and Antarctic. St. Petersburg, Russia, 2002; Second AMAP International Symposium on Environmental Pollution of the Arctic. Rovaniemi, 2002; 6-я Международная конференция, Радиационная безопасность: Атомтранс-2003, Транспортирование радиоактивных материалов. Санкт-Петербург, 2003; Международная научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск, 2004; WM’04 Conference, , 2004, Tucson, AZ, USA; WM’06 Conference, 2006, Tucson, AZ, USA; Radioecology & Environmental Radioactivity Bergen, Norway, 2008; 7-я Международная конференция «Безопастность ядерных технологий: обращение с РАО» Санкт-Петербург, 2004; Международная конференция «Ядерная энергетика в Республике Казахстан. ЯЭ-2005», г. Курчатов, Казахстан, 2005; Международная конференция «Моделирование процессов переноса радионуклидов в окружающей среде и вопросы разработки баз метаданных по радиационным объектам Советского ядерного комплекса. РАДЛЕГ-РАДИНФО-2005». Москва, 2005; Международный семинар «Проблемы очистки и реабилитации территорий, загрязненных радиоактивными материалами». Москва, 2007; International Conference «20 years after Chernobyl: strategy for recovery and sustainable development if the affected regionas» Minsk-Gomel, 2006; семинар «Актуальные вопросы радиационной физики» кафедры «Биофизика, радиационная физика и экология» МИФИ, 2007, 2009, (рук. проф. Г.А. Федоров), семинар «Физика ядерных реакторов» (рук. проф. С.М. Зарицкий), 2009, РНЦ «Курчатовский институт».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 35 научных статей в реферируемых отечественных и зарубежных журналах (в том числе в журналах из Перечня ВАК — 19 статьи),
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников из 196 наименований. Общий объем работы 304 страниц, включая 155 рисунков, 21 таблицу.