核电站放射性监测技术

1、核电站放射性监测技术第一章 概论 教学目的：1.了解核电站放射性的来源及存在特性；2.了解核电站放射性的排放特点；3.了解放射性监测的基本概念和术语 。第1页/共44页1.1核电站放射性的来源及存在特性1. 核电站放射性的来源：核电站放射性主要来源于以下两个途径：裂变产物：如La-140（发现裂变反应的重要核素）、Cs-137、Sr-90、Tc-99等。裂变产物的特点是形成裂变产物链，质量分布从A=74到A=170左右。如著名的裂变链A=140：Te-140I-140 Xe-140 Cs-140 Ba-140 La-140 Ce-140。第2页/共44页 中子活化产物：如Np-237、Pu-2

2、39、240；Am-241、Ar-41、N-16等。 其中： Pu-239、240；Am-241等是238U (n, )的反应产物； Np-237是238U (n, 2n)的反应产物； Ar-41是40Ar (n, )的反应产物； N-16是16O (n, )的反应产物。第3页/共44页1.2 放射性核素的存在特性 元素周期表上，各种元素基本分为三种： 金属：如Sr、Cs、Np、Am等。分为易挥发及难挥发两种； 非金属：如I等。其中，I-131是常见的事故污染核素，而I-129是长寿命的污染核素； 气体：如Kr（Kr-85）、Xe（Xe-135）、 Ar-41、N-16等。第4页/共44页核电

3、站对放射性物质的三道屏障 1. 燃料包壳2. 冷却剂3. 密封厂房或压力容器 在正常运行时，仍然会有少量放射性物质排放。 主要以气态形式，也有液态流出物。这些都是核电站对环境影响的根源。 第5页/共44页1.3放射性监测的基本概念和术语 放射性活度：衰变速率，以贝克（Bq）或居里（Ci）为单位； 比活度：单位质量样品中的放射性活度； 射线强度：放射性核素在单位时间内释放的射线数目。 照射量：dQ/dm。其中dQ是光子在质量为dm的空气中释放出来的（正、负）电子，完全被空气所阻止时，空气中产生的任一种符号的离子总电荷的绝对值；第6页/共44页 吸收剂量：射线在单位质量的物体中所沉积的能量。单位：

4、戈瑞（Gy）。1Gy=1J/kg。 剂量当量：组织中某点处的剂量当量（H）为：H=DQN。其中：D为吸收剂量，Q为品质因数，N为其它修正因子。目前指定N=1。单位为Sv。 如果Q=1，则1Gy=1Sv（均匀照射）第7页/共44页第二章 核电站放射性流出物监测 教学目的：1.了解核电站流出物的监测目的；2.了解核电站放射性流出物的限值；3.了解气态放射性流出物的监测技术；4.了解液态放射性流出物的监测技术。第8页/共44页2.1核电站流出物的监测目的有如下目的：1.判明本设施流出物中的放射性物质数量，以便与管理限值或运行限值进行比较；2.为应用适当的环境模式评价环境质量、估算公众所受剂量提供源项

5、数据和资料；3.为判明设施的运行以及放射性废物的处理和控制装置的工作是否正常有效提供数据和资料；第9页/共44页4. 使公众确信核设施的放射性释放确实受到严格的控制；5. 迅速发现和鉴定计划外释放的性质（种类）及其规模；6. 给出是否需要启动报警系统或应急报警系统的信息。第10页/共44页2.2 核电站放射性流出物的限值1.每座核电厂向环境释放的放射性物质对公众中任何个人（成人）造成的有效剂量当量，每年应小于0.25mSv；2.每座压水堆核电厂气载和液体放射性流出物的年排放量，除了满足以上规定外，还应该低于以下控制值：惰性气体：2.51015Bq(7104Ci)碘： 8d）： 21011Bq(

6、5Ci)第11页/共44页液体放射性流出物1.氚： 1.51014Bq(4103Ci)2.其余核素： 7.51011Bq(20Ci)其它堆型根据情况另外确定。第12页/共44页气态放射性流出物的监测技术 放射性物质以气态形式释放，一般有两种形式：气体和气溶胶。通过烟囱排放。 以气体形式释放的放射性物质，只有氩、氪、氙、氡。氚主要以氚水蒸气形式释放。 放射性物质可以被吸附在气体中的胶体上，以气态形式释放。任何放射性核素都可以作为气溶胶形式释放。特别是Cs-137，它的母体是Xe-137，以气体形式释放后，再衰变。第13页/共44页监测技术 只能通过取样测量，分为气体取样和气溶胶取样两种； 将敏感

7、区域的气体抽到测量容器中，进行气流总测量，是气体流出物监测的基本形式； 使用过滤器材（滤纸或滤布）对气体进行过滤，在测量过滤器材上的放射性核素，是测量气溶胶放射性的基本形式。第14页/共44页液态放射性流出物的监测技术 液态放射性流出物与气体不同，不能直接排放，必须先排放到暂存池中。 在暂存池中在线或取样测量，是液态放射性流出物监测的基本形式。 一回路冷却剂是在线监测的。主要目的是监测冷却剂中放射性强度，判断是否存在燃料元件破损。特别是中子的监测，判断是否存在缓发中子。但一回路冷却剂不能排放。因此不是放射性流出物。第15页/共44页 在暂存池中监测液态放射性流出物，主要采用能谱分析技术。 辅助

8、采用、测量技术。 因为、测量技术分辨核素比能谱分析技术困难，而且、射线在液体中吸收大，定量测量困难。而液态放射性流出物要求对核素定量。 具体的测量技术与环境放射性测量技术基本相同。第16页/共44页核电站的其它监测1.区域监测：在核电站厂区内布置剂量率测量探测器，并联网；2.反应堆大厅的中子剂量监测：监测反应堆运行时，堆大厅的中子剂量率；3.缓发中子监测：监测一回路冷却剂中是否存在缓发中子。以上这些不属于放射性流出物监测范围。第17页/共44页第三章 核电站环境放射性监测教学目的：1.了解核电站环境放射性的来源；2.了解环境放射性监测目的；3.初步了解环境放射性监测的相关法规。第18页/共44

9、页3.1核电站环境放射性的来源 人工放射性核素的排放； 天然放射性核素：第19页/共44页陆地天然放射性 地壳中存在的一些重的放射性核素形成三个天然放射性系。它们母体的半衰期都很长，和地球年龄（1010年）相近或更长，因而经过漫长的地质年代后还能保存下来，自然界的这三个天然放射性系列是：铀析、钍系和锕-铀系。第20页/共44页钍系（4n系） 钍系的母体是232Th，经过10次连续衰变，最后到稳定核素208Pb。232Th的半衰期为1.411010a ，子体半衰期最长的是228Ra（MsTh1），T1/2 = 5.76a，所以钍系建立起长期平衡需要5060a的时间。这个衰变系成员的质量数是4的整

10、数倍，即A=4n（其中n=5258），所以钍系也叫4n系。 第21页/共44页铀系（4n+2系，或称铀镭系） 从238U开始，经过14次连续衰变，最后到稳定核素206Pb。母体238U的半衰期为4.468109a。238U之后的子体半衰期最长的是234U(U), T1/2 = 2.45105a，所以，铀系建立起长期平衡，需要近3百万年的时间。该系成员的质量数A都是4的整数倍加2，即A=4n+2（其中n=5159），所以铀系也称4n+2系。 第22页/共44页锕系（4n+3系，或称锕铀系） 从235U开始，经过11次连续衰变，最后到稳定核素207Pb。该系成员的质量数A都是4的整数倍加3，即A=

11、4n+3（其中n=5158），所以锕系也称4n+3系。母体235U的半衰期为7.038104a，锕系建立起长期平衡，需要时十万年时间。 第23页/共44页镎系（4n+1系） 综上可看到，在地壳中存在4n，4n+2和4n+3三个天然放射性系列，但是缺少4n+1这样一个放射系。后来用人工方法合成了4n+1系。把238U放在反应堆中照射，连续俘获三个中子变成了241U，它 经两次 衰变变成了具有较长寿命（T1/2=14.4a）的241Pu。 在这个系列中，237Np的半衰期最长。当时间足够长后，241Pu和241Am几乎衰变完了，而237Np还会存在，并与其子体建立起平衡，所以这个系列叫镎系。该系成

12、员的质量数A都是4的倍数加1，即A=4n+1，因而也称4n+1系列。由于237Np的半衰期比地球年龄小很多，地壳中原有的Np早已衰变成了209Bi，所以人们在中没有发现4n+1系列。 第24页/共44页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，在自然界还存在一些非系列的放射性核素，它们经一次衰变后即成为稳定的核素，现在已知的有200种左右，但它们的量都非常少。其中 较有较有实际意义的有钾，铷，铟等，尤其是40K，在地壳中分布极广，具有衰变和K俘获两种衰变方式。 天然钾有三个同位素，即39K（丰度93.258%），40K（丰度0.012%）和41K（丰度6.73%），其中只有

13、40K具有放射性，它的半衰期为1.27109a。 40K放出能量为1.31MeV的粒子，另外还放出能量为1.46MeV的光子。钾衰变后形成40Ar和40Ca，它们都是稳定核素，因此在含钾的岩石中均存在40Ar和40Ca。 第25页/共44页主要天然放射性核素 只有其半衰期可与地球年龄相比较的核素存在于陆地物质中，主要的原生放射性核素有40K，238U，232Th。其次是87Rb和235U。钍和铀为若干放射性核素系列之首，其中许多放射性核素对人体产生照射。 从剂量学观点来看，235U系中的放射性核素不太重要。天然235U和238U的质量比约为0.0073，放射性活度比为0.046。而226Ra是

14、铀系最重要的同位素，因此，关心的主要天然放射性核素是238U ， 226Ra， 232Th和40K 。 第26页/共44页地球及其壳层的天然放射性 地球及其壳层的天然放射性主要取决于岩石和矿物中的天然放射性核素。主要分布在花岗岩和玄武岩圈， 含量最高的是Th，其次是U，它们的含量比在花岗岩圈为3.4，在玄武岩圈为4.0。地球U的平均含量为（4.425.85）10-8g/g，Th的平均含量为（17.6628.55）10-8g/g。含量差异明显，但是由于232Th的半衰期与238U的半衰期之比为3.15，所以地圈中232Th与238U的放射性含量大体是接近的。 第27页/共44页岩石和煤炭中的放射

15、性含量 放射性元素的地球化学性质决定着它们在岩石中的分布。一般火成岩的放射性比沉积岩和变质岩为高，而且铀，钍钾的含量是随着含硅量的 而增高。岩石中含有的放射性核素在开采和应用过程中会部分地释放到环境。 煤炭本身是远古时期的植物，其放射性来源于矿化过程中周围介质中放射性物质在煤炭中的沉积。煤炭中的放射性核素主要是238U，232Th，及其子体，以及40K。据调查我国24个省市563例发电用煤中原生核素238U， 232Th，和40K的平均比活度分别为54、30及104Bq/kg。 第28页/共44页土壤中的天然放射性 土壤是岩石风化以后，在气候，生物及地形等因素影响下经过成壤作用而逐渐发育形成的

16、，它由矿物质，有机质，土壤溶液和土壤空气等组成。在成壤过程中放射性核素进行了再分配，由于核素自身化学性质和储存条件的变化，它们有的在土壤表层富集，有的在土壤下部富集，还有的被带出表层，进入地表水，或地下水流。因而，土壤放射性核素含量会因季节变化而有所不同。 第29页/共44页 各国，各地区土壤中长寿命天然放射性核素比活度的分布很不均匀，有23个数量级的变化，例如40K变化在03200Bq/kg（英国），铀变化在2690 Bq/kg（中国），镭在10900 Bq/kg（瑞士），钍的变化在1360 Bq/kg（中国）。但是各国各核素的均值变化不大，各核素的平均世界中值与各国均值差别不大。 第30页

17、/共44页气圈，水圈和生物圈 大气中的天然放射性核素主要是从岩石，土壤和水中释放出的铀，钍，镭及其子体产物。以及宇宙射线与大气层氮相互作用产生的14C和3H。其浓度随着环境，气候等条件的变化而有所不同。 海洋环境中的天然放射性核素有宇宙射线产生的3H，7Be， 14C，26Al，和原生核素40K及天然铀，钍系列及其子体等，其中天然14C 90%以上存在于海洋，天然氚大部分也存在于海洋。与地圈相比，原生放射性核素（如铀）低两个数量级左右。第31页/共44页氡的来源及分布 自然界中的三种同位素（222Rn，220Rn，219Rn）分别来自三个天然放射系：铀系，钍系和锕系。因为219Rn母体(235

18、U)在地壳中的丰度很小，加之219Rn半衰期很短（3.9s），故在环境空气中几乎显示不出它的存在。主要关心的是222Rn和220Rn 。铀（镭）是自然界中广泛分布的微量元素，在花岗岩中的含量最高，其次是页岩，石灰岩，火山岩，和砂岩。氡从岩石，土壤析出到空气中，全球来讲，环境空气中的氡主要来源于陆地表面释放（7.61019Bq/a，占环境空气中氡全部来源的77%），陆地植物与地下水载带（11019Bq/a，占10.2%），核工业释放（11019Bq/a，占10.2%），其它占2%。第32页/共44页3.2 环境放射性监测目的 环境辐射监测包括辐射环境质量监测和对重点污染源的监测。从国家机构来说，

19、辐射环境监测的目的是全面掌握辐射环境质量状况和变化趋势，为有关方面决策服务为公众提供辐射环境信息。监测辐射污染物排放，为执法提供依据；预警辐射事件，为确保辐射安全服务；为有关部门和公众提供辐射环境信息。第33页/共44页核设施环境监测 核设施环境监测是指对核设施周边的辐射水平所进行与核设施的运行有关的测量，其监测的对象是环境介质与生物。核设施环境辐射监测的目的是确定环境中的辐射水平是否符合国家和地方的有关规定，并对核设施释放到环境的辐射的长期变化趋势进行监视，其中包括对由人为活动所造成的天然环境辐射水平的变化的监测。 第34页/共44页3.3 环境放射性监测相关法规基本分为两大类：1.环境辐射

20、监测管理标准2.环境辐射监测分析方法标准第35页/共44页环境辐射监测管理标准与核电厂有关的管理标准：1.核电厂环境辐射防护规定2.反应堆退役辐射防护规定3.核设施流出物监测的一般规定4.环境核辐射监测规定还有有关监测工作质量保证的规定等。第36页/共44页环境辐射监测分析方法标准 规定了水、土壤和生物样品中的铀、钍、镭、钚、氚、锶-90、铯-137和空气中氡及氡子体的监测方法； 用最基本的方法，大部分是放射化学的方法； 标准是最低要求。完全可以用最先进的方法进行监测，只要证明了方法的可靠性。第37页/共44页第一章 概论 教学目的：1.了解核电站放射性的来源及存在特性；2.了解核电站放射性的

21、排放特点；3.了解放射性监测的基本概念和术语 。第38页/共44页4. 使公众确信核设施的放射性释放确实受到严格的控制；5. 迅速发现和鉴定计划外释放的性质（种类）及其规模；6. 给出是否需要启动报警系统或应急报警系统的信息。第39页/共44页钍系（4n系） 钍系的母体是232Th，经过10次连续衰变，最后到稳定核素208Pb。232Th的半衰期为1.411010a ，子体半衰期最长的是228Ra（MsTh1），T1/2 = 5.76a，所以钍系建立起长期平衡需要5060a的时间。这个衰变系成员的质量数是4的整数倍，即A=4n（其中n=5258），所以钍系也叫4n系。 第40页/共44页镎系（4n+1系） 综上可看到，在地壳中存在4n，4n+2和4n+3三个天然