DANIEL GODLER NADZOR RADIOAKTIVNE KONTAMINACIJE ZRAKA V NUKLEARNI ELEKTRARNI KRŠKO Krško, november 2011

Transkripcija

1 DANIEL GODLER NADZOR RADIOAKTIVNE KONTAMINACIJE ZRAKA V NUKLEARNI ELEKTRARNI KRŠKO Krško, november 2011

2

3 Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje NADZOR RADIOAKTIVNE KONTAMINACIJE ZRAKA V NUKLEARNI ELEKTRARNI KRŠKO Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Lektor(ica): Daniel Godler UN Energetika doc. dr. Miralem Hadţiselimović Matjaţ Habinc, univ. dipl. inţ. Marjana Milekić, prof. Krško, november 2011 I

4 II

5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Miralemu Hadţiselimoviću in somentorju Matjaţu Habincu, univ. dipl. inţ. el. za vodenje in pomoč pri opravljanju diplomskega dela. Zahvala gre tudi Marjanu Pavlinu, dipl. inţ. stroj., Rudolfu Ermanu, univ. dipl. fiz. in Alešu Volčanšku, univ. dipl. inţ. kem. za strokovno pomoč, ter Nuklearni elektrarni Krško d.o.o. za vso gradivo in informacije. Hvala tudi mami in partnerki za podporo in potrpljenje v času študija. III

6 NADZOR RADIOAKTIVNE KONTAMINACIJE ZRAKA V NUKLEARNI ELEKTRARNI KRŠKO Ključne besede: merilnik partikulatov, jodov in ţlahtnih plinov (PING206-S), Nuklearna elektrarna Krško (NEK), kakovost meritev volumetričnih radioaktivnih aktivnosti, umerjanje in vzdrţevanje merilnika radioaktivne aktivnosti. UDK: :502.3(043.2) Povzetek Diplomsko delo obravnava meritve radioaktivne aktivnosti zraka v Nuklearni elektrarni Krško z novim merilnikom partikulatov, jodov in žlahtnih plinov. V začetku dela so na kratko opisane fizikalne osnove in detektorji ionizirajočega sevanja, kratek opis Nuklearne elektrarne Krško, izvori radioaktivnih snovi v Nuklearni elektrarni Krško in osnovni razlogi za zamenjavo starega merilnega sistema. V nadaljevanju je predstavljen novi merilnik, njegova postavitev, meritve in vloga rezultatov meritev. Razloženo je tudi vzdrževanje in umerjanje merilnika. Na koncu je podana analiza izboljšav glede na star merilni sistem. IV

7 CONTROL OF RADIOACTIVE CONTAMINATION OF AIR IN NUCLEAR POWER PLANT KRŠKO Key words: particulate, iodine and noble gas monitor (PING206-S), Nuclear power plant Krško (NEK), quality of monitoring of the volumetric radioactive activity, calibration and maintenance of radioactive activity monitor. UDK: :502.3(043.2) Abstract The diploma deals with measurements of radioactive air activity in the Nuclear Power Plant Krško with a new particulate, iodine and noble gas monitor. At the beginning of the work there are briefly described physical basis of radiation and detectors, a brief description of the Nuclear Power Plant Krško, sources of radioactive material in the Nuclear Power Plant Krško and the basic reasons for replacing the old measuring system. Below is introduced the new monitor, its installation, measurement and application of measurement results. Also the maintenance and calibration of the meter are explained. At the end is analysis of the improvements over the old measuring system. V

8 VSEBINA 1 UVOD FIZIKALNE OSNOVE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA O sevanju na splošno Zgradba snovi Radioaktivni razpad Vplivi ionizirajočega sevanja na ljudi in meje ekvivalentnih ter efektivnih doz Razpadna konstanta in razpolovni čas Detektorji ionizirajočega sevanja Mejne vrednosti merilnih kanalov sistema za nadzor sevanja v NEK PREDSTAVITEV NEK Opis NEK Nastanek radioaktivnih snovi v NEK PREDSTAVITEV MERILNIKOV ZA NADZOR PARTIKULATOV, ŢLAHTNIH PLINOV IN JODOV V ATMOSFERI ZADRŢEVALNEGA HRAMA IN V GLAVNEM IZPUSTNEM KANALU VENTILACIJSKEGA SISTEMA (PING206-S, V NADALJEVANJU PING) Fizična postavitev, plinske in komunikacijske povezave PING ter običajne kartice v LPU-ju MERITVE Alfa in beta partikulatni kanal (ABPM) Jodni kanal Monitor ţlahtnih plinov Program MASS Vloga rezultatov meritev PING-a v nadzornem sistemu NEK VZDRŢEVANJE IN UMERJANJE PING-A Redno in korektivno vzdrţevanje ter nadzorno testiranje Fizikalno umerjanje partikulatnega monitorja Fizikalno umerjanje jodnega monitorja Fizikalno umerjanje monitorja ţlahtnih plinov ZAKLJUČEK VIRI, LITERATURA PRILOGE GM detektor Teletector 6112 B proizvajalca Automess (za merjenje višjih hitrosti doz na oddaljenosti) GM detektor s stranskim oknom HP-270 proizvajalca Eberline (za merjenje hitrosti doz) »Palačinkasti«, (pancake) GM detektor HP-210 proizvajalca Eberline (za merjenje aktivnosti brisov ali filtrov) VI

9 9.4 GM detektor FH 40 F1 proizvajalca FAG (za merjenje hitrosti doz) Proporcionalni števec LB 122 proizvajalca Berthold (za merjenje kontaminacije površin) Proporcionalni števec PBG 62 proizvajalca MGP Instruments (za merjenje oseb) Ionizacijska celica RAM ION proizvajalca Rotem (za merjenje hitrosti doz) Scintilacijski detektor NaI Inspector 1000 proizvajalca Canberra (za merjenje hitrosti doz in za določanje gama sevalcev) Scintilacijski detektor ZnS SHP-380AB z instrumentom E600 proizvajalca Eberline (za merjenje kontaminacije površin) Diodni detektor dnevni osebni elektronski dozimeter DMC 2000 S proizvajalca MGP Instruments Diodni detektor GIM 204 proizvajalca MGP Instruments (za merjenje hitrosti doz v prostorih) HPGe detektorja proizvajalca Canberra (za natančno določanje vrste in aktivnosti gama sevalcev) Termoluminiscentni mesečni osebni dozimeter proizvajalca MGP Instruments Prenosni nevtronski detektor NRD Rem Ball (BF 3 ) z instrumentom E600 proizvajalca Eberline/ Thermo Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije diplomskega dela in objavi osebnih podatkov avtorja VII

10 KAZALO SLIK Slika 2.1: Naravni viri sevanja... 4 Slika 2.2: Shema atoma... 5 Slika 2.3: Bohrov model atoma... 6 Slika 2.4: Ionizacija atoma... 7 Slika 2.5: Primer razpada alfa... 8 Slika 2.6: Primer razpada beta... 9 Slika 2.7: Primer razpada gama... 9 Slika 2.8: Prodornost ionizirajočih sevanj Slika 2.9: Poenostavljena shema merilnikov ionizirajočega sevanja Slika 2.10: Fotoelektrični efekt Slika 2.11: Komptonsko sipanje Slika 2.12: Tvorba parov Slika 2.13: Karakteristika multiplikacij v plinskih detektorjih Slika 2.14: GM s stranskim oknom [5] Slika 2.15:»Pancake«in»end winow«gm Slika 2.16: Prenosni proporcionalni merilnik s pretokom plina Slika 2.17: Shema ionizacijske celice Slika 2.18: Blokovni prikaz scintilacijskega merilnika Slika 2.19: Elektroni v normalnem stanju Slika 2.20: Vzbujeni elektroni Slika 2.21: Oddajanje fotonov svetlobe Slika 2.22: Oddan foton svetlobe aktivatorja Slika 2.23: Fotopomnoţevalka [9] Slika 2.24: Čisti kristal germanija Slika 2.25: N-tip germanijevega kristala Slika 2.26: P-tip germanijevega kristala Slika 2.27: Spoj n in p-tipa polprevodnika Slika 2.28: Diodni detektor; a) keramični obroč, b) sprednja elektroda, c) silicijeva rezina, d) kovinsko ohišje in e) koaksialni priključek [5] Slika 2.29: Detektor s površinsko bariero Slika 2.30: Izdelava PIP detektorjev Slika 2.31: Kompenzacija akceptorjev z litijem Slika 2.32: Ravninski HPGe detektor Slika 2.33: Koaksialni HPGe detektor Slika 2.34: Vzbujanje termoluminiscentnega kristala Slika 2.35: Osvobojen elektron Slika 2.36: Osvobojena vrzel Slika 2.37: Nevtronska interakcija v BF 3 plinu Slika 2.38: Nevtronska interakcija v He-3 plinu Slika 3.1: Poenostavljena shema NEK [12] Slika 3.2: Razpored zgradb in opreme NEK [12] Slika 4.1: Blokovni diagram PING, P partikulatni monitor, I jodni monitor, NG monitor ţlahtnih plinov, TI testni izvor (Cs-137), MP merilec pretoka, PIS partikulatno/jodna vzorčna linija, TP tlačni pretvornik Slika 4.2: Razpored enot na PING-u [16] VIII

11 Slika 4.3: Postavitev obeh sklopov PING [16] Slika 4.4: Plinske povezave sklopov PING [16] Slika 4.5: Komunikacijske povezave Slika 4.6: Sestava LPU-ja [16] Slika 5.1: Spekter energij ABPM [15] Slika 5.2: Kompenzacija beta in alfa volumetrične aktivnosti s potomci radona [15] Slika 5.3: Gama spekter jodnega kanala [15] Slika 5.4: Glavni pogled v programu MASS [21] Slika 5.5: Ventili za izolacijo zadrţevalnega hrama [16] Slika 5.6: Izhodni ventil sistema za predelavo odpadkov [16] Slika 5.7: RDU-ji in alarmno okno v glavni komandni sobi [21] Slika 5.8: Instrumentacijske povezave obeh PING-ov [16] Slika 5.9: Prikaz na sistemu za informacije o procesih [21] Slika 9.1: Slika in specifikacije Teletector 6112 B [16], [21] Slika 9.2: Sliki in specifikacije HP-270 [16], [21] Slika 9.3: Slika in specifikacije HP-210 [16], [21] Slika 9.4: Slika in specifikacije FH 40 F1 [16], [21] Slika 9.5: Slika in specifikacije LB 122 [16], [21] Slika 9.6: Slika in specifikacije PBG 62 [16], [21] Slika 9.7: Slika in specifikacije RAM ION [16], [21] Slika 9.8: Slika in specifikacije Inspector 1000 [16], [21] Slika 9.9: Slika in specifikacije SHP-380AB [16], [21] Slika 9.10: Slika in specifikacije DMC 2000 S [16], [21] Slika 9.11: Slika in specifikacije Gim Slika 9.12: Slika in krivulja izkoristka HPGe glede na energijo Slika 9.13: Termoluminiscentni dozimeter Slika 9.14: NRD Rem Ball in E IX

12 SEZNAM TABEL Tabela 2.1: Vrste ionizirajočega sevanja, viri in prodornost teh sevanj Tabela 2.2: Uteţni faktorji sevanj Tabela 2.3: Uteţni faktorji tkiv Tabela 2.4: Delitev detektorjev glede na agregatno stanje njihovih medijev Tabela 2.5: Radiološki merilni kanali v NEK Tabela 3.1: Tehnični podatki NEK Tabela 5.1: Primerjava izmerjenih vrednosti zraka z mejnimi vrednostmi med normalnim obratovanjem elektrarne X

13 UPORABLJENI SIMBOLI A [Bq] aktivnost radioaktivnega izvora T [ C] temperatura e [C, As] naboj m [g] masa E [Ws, J] energija U [V] napetost l [m] dolţina t [s] čas ν [s -1 ] frekvenca valovanja α - sevanje alfa β - sevanje beta γ - sevanje gama n - nevtron e - - elektron - nevtrino E D [ev] kinetična energija delca ali ţarka (1 ev = J) D [Gy] absorbirana doza H [Sv] ekvivalentna doza X [1 R=2, As/kg] obsevna doza (stara enota) N - število radioaktivnih jeder λ [s -1 ] razpadna konstanta λ [m] valovna dolţina t 1/2 [s] razpolovni čas w R - uteţni faktor sevanj w T - uteţni faktor tkiv I [A] električni tok T [ C] temperatura p [Pa, bar] tlak P [W] moč R [cps] odčitek števila pulzov na sekundo (izvor) R 0 [cps] odčitek števila pulzov na sekundo (ozadje) E xx - izkoristek detektorja XI

14 UPORABLJENE KRATICE NEK - Nuklearna elektrarna Krško PIS - procesno informacijski sistem URSJV - Urad Republike Slovenije za jedrsko varnost PING - merilnik partikulatov, jodov in ţlahtnih plinov GM - Geiger-Mueller detektor TLD - termoluminiscentni dozimeter UV - ultravijolična svetloba PIP - detektor z vsajenimi ioni in neaktivno plastjo NaI - detektor s kristalom natrija in joda ZnS - detektor s praškom cinka in ţvepla SiLi - silicijski detektor kompenziran z litijem GeLi - germanijev detektor kompenziran z litijem HPGe - germanijev detektor visoke čistosti BF 3, He-3 - nevtronska detektorja RMS - sistem za nadzor ionizirajočega sevanja v NEK PARMS - sistem za nadzor ionizirajočega sevanja v NEK po nesreči RAO - radioaktivni odpadki ZNRAO - zelo nizko radioaktivni odpadki NSRAO - nizko in srednje radioaktivni odpadki VRAO - visoko radioaktivni odpadki HEPA - visoko učinkovit partikulatni filter LPU - lokalna procesna enota LDU - lokalna prikazovalna enota RDU - dislocirana prikazovalna enota RS serijska povezovalna vrata RS serijska povezovalna vrata LPU/SAS - LPU s spektralno analizo in NaI detektorjem LPU/PIPS - LPU s spektralno analizo in Si detektorjem XII

15 1 UVOD V vseh jedrskih elektrarnah je vgrajen sistem za nadzor ionizirajočega sevanja. Sistem je običajno razdeljen na tri skupine: merjenje ionizirajočega sevanja v sistemskih tekočinah in plinih, merjenje ionizirajočega sevanja v prostorih in vzorčenje. Ta sistem je povezan z nadzornim sistemom elektrarne, sproţa alarme v glavni komandni sobi, operaterjem daje pomembne informacije o stanju tekočin in plinov v elektrarni, je v veliko pomoč sluţbi radiološke zaščite, ima svoje akcije (zapiranje ventilov, odklop ventilacije) in ščiti zdravje in ţivljenja ljudi v in zunaj elektrarne. Rezultati meritev so prikazani in shranjeni v procesno informacijskem sistemu (PIS). Zaradi vseh teh pomembnih nalog mora biti sistem zanesljiv, natančen, hitro odziven, povezljiv z novejšimi protokoli in mora ustrezati vsem predpisom. Prav tako mora biti sistem redno in pravilno vzdrţevan kot tudi redno umerjen in testiran. V Nuklearni elektrarni Krško (NEK) so se pred nekaj leti odločili za zamenjavo vseh radiacijskih monitorjev. Obstoječi sistem za radiološki nadzor je bil vgrajen pri izgradnji elektrarne in je bil tako po tehnološki plati kot po funkcijski plati ţe precej zastarel, prav tako pa je v zadnjih letih prihajalo do pogostih odpovedi posameznih komponent merilnih kanalov. Skoraj vsak mesec je bila potrebna korekcija nastavitev operacijskih ojačevalcev v predojačevalnih enotah. Napak na detektorju, pri prenosu podatkov in na signalnih komponentah ni zaznal samodejno. Območni monitorji so delovali nezanesljivo v območju nad 1 R/h, meritve so prikazovali v neustreznih enotah R/h, prenos podatkov od detektorskih enot do prikazovalnih enot v komandni sobi je potekal preko komunikacijskega vmesnika 0 do 5 V in nekateri kanali so bili seizmično neustrezni. Nekateri rezervni deli niso bili več dobavljivi. Osnovni razlog za zamenjavo pa je bila zahteva Urada Republike Slovenije za jedrsko varnost (URSJV), po kateri morajo biti nekateri merilni kanali seizmično kvalificirani na potres. Za zamenjavo so se odločili zaradi praktično nemogoče kvalifikacije obstoječe opreme, izdelava enakih modelov in njihovo fizično testiranje pa bi bilo predrago v primerjavi z nabavo novih kanalov. Namen diplomskega dela je predstaviti sistem nadzora ionizirajočega sevanja v NEK s poudarkom na merilnih kanalih za nadzor partikulatov, ţlahtnih plinov in jodov v atmosferi zadrţevalnega hrama in v glavnem izpustnem oddušniku ventilacijskega sistema s ciljem poudariti pomen natančnosti rezultatov meritev teh kanalov tako za obratovanje elektrarne, kot tudi za zdravje ljudi in varstva okolja. V zaključnem delu bodo obravnavani rezultati meritev le pri normalnem delovanju jedrske elektrarne in pri fizikalnem umerjanju. V zaključnem delu bo uporabljena deskriptivna (opisna) metoda. Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih poglavij: Prvo poglavje je uvod. 1

16 V drugem poglavju so razloţene fizikalne osnove in vrste ionizirajočega sevanja ter detektorjev ionizirajočega sevanja v NEK. Podane so tudi mejne vrednosti in merilni obsegi merilnih kanalov v NEK. V tretjem poglavju je podan kratek opis NEK in izvori radioaktivnih snovi v NEK. Četrto poglavje vsebuje predstavitev merilnikov za nadzor partikulatov, jodov in ţlahtnih plinov (PING) v atmosferi zadrţevalnega hrama ter v glavnem izpustnem kanalu ventilacijskega sistema. V tem poglavju je opisana postavitev merilnika, priključitev in poteki meritev. V petem poglavju je razloţena vloga rezultatov meritev PING v nadzornem sistemu NEK. Predstavljen je prikaz meritev na sistemu za informacije o procesih (PIS) ter akcije in alarmi. Šesto poglavje zajema vzdrţevanje merilnika z natančnimi opisi elektronskega in fizikalnega (z radioaktivnim izotopom) umerjanja ter rednega cikličnega testiranja. V sedmem, zadnjem poglavju sta podana analiza izboljšav glede na star merilni sistem in ugotovitve zanesljivosti novega sistema. 2

17 2 FIZIKALNE OSNOVE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA 2.1 O sevanju na splošno»sevanje obstaja, kar obstaja vesolje. Je normalen del narave in ţivljenja. Svetloba, toplota, radijski valovi, sevanje radioaktivnih snovi, celo zvok so primeri sevanj, s katerimi se srečujemo vsakodnevno. Naše telo je vsak trenutek izpostavljeno različnim virom sevanja. Sevanje prihaja na primer iz vesolja. Sevanje Sonca vsi dobro poznamo in tudi vemo, da je močnejše, čim više gremo. Manj vemo o kozmičnem sevanju, to je toku delcev, ki z veliko energijo priletijo iz globin vesolja v našo atmosfero. Tudi to sevanje z višino narašča. Čim višje v gore se vzpnemo, tem več ga prejmemo, še več, če letimo z letalom. Sevanje prihaja tudi iz zemeljske skorje. Minerali vsebujejo radioaktivne elemente, ki oddajajo sevanje ob svojem razpadu, zato je sevanje vsakdanji spremljevalec dejavnosti, s katerimi poseţemo v globlje geološke plasti. Z njim se srečujemo v rudnikih, v podzemnih jamah, pa tudi mineralne vode in topli vrelci, ki prihajajo iz globin, nosijo s seboj radioaktivne snovi, ki oddajajo sevanje. Ne nazadnje je vir sevanja tudi človek sam. Oddajamo toploto, sevamo pa tudi zaradi radioaktivnih snovi, ki so prisotne v telesu vsakogar: v kosteh se na primer kopičita radioaktivni polonij in radij, v mišicah se nabirata radioaktivni ogljik in kalij, v naših pljučih se zadrţujejo radioaktivni ţlahtni plini. Velika večina teh sevanj je naravnega izvora in je torej del našega naravnega okolja, le zelo majhen del je plod človekove dejavnosti in razvoja tehnologije. Za veliko večino sevanj človek nima ustreznih čutil: oči, ušesa, nos, jezik in koţa se nanje ne odzovejo. Zaznamo jih le z instrumenti, brez njih ne moremo vedeti, kakšno je sevanje v naši okolici. Fiziki sevanje opisujejo kot pojav, pri katerem se energija iz vira širi v obliki delcev ali valovanja. Sevanje je torej oddajanje in razširjanje valovanja ali delcev in s tem energije v prostor. Poleg pojava oddajanja in širjenja valovanja in delcev v prostor se lahko pojem sevanja uporablja tudi za energijo, ki se širi pri tem pojavu. Od energije valovanja ali delcev, ki jih vir oddaja, je odvisno, kakšen učinek bo sevanje imelo na snov, skozi katero gre ali jo na svoji poti zadane. Če je ta energija dovolj velika, bo sevanje pri prehodu skozi snov iz atomov te snovi izbilo elektrone. V snovi se pojavijo ioni in zato taka sevanja imenujemo ionizirajoča sevanja. Sevanja, ki nimajo dovolj velike energije, da bi povzročila nastanek ionov, pa so neionizirajoča sevanja. Kadar govorimo o valovanju, namesto o energiji raje razmišljamo o valovni dolţini ali pa frekvenci. Obe sta neposredno povezani s količino energije, ki se prenaša z valovanjem. Daljša valovna dolţina in hkrati niţja frekvenca sta značilni za sevanje, ki nosi manj energije in je neionizirajoče. Krajša valovna dolţina in hkrati večja frekvenca pa sta značilnosti sevanja, ki nosi več energije in je ionizirajoče«[1]. 3

18 Slika 2.1: Naravni viri sevanja Radioaktivnost je lastnost nekaterih atomov, da njihova jedra spontano razpadejo. Pri tem nastajajo nova jedra in sproščena energija. Celoten proces spremlja ena ali več vrst ionizirajočega sevanja (alfa, beta, gama). Radioaktivni razpad je moţen pri skoraj vseh kemijskih elementih. Večina kemijskih elementov je namreč sestavljena iz dveh ali več izotopov atomov z enakim vrstnim številom in različnim masnim številom. Izotopi istega kemijskega elementa imajo v jedru enako število protonov in različno število nevtronov. Atomsko jedro je stabilno le, če vsebuje uravnoteţeno število protonov in nevtronov. Jedra s preseţkom ali mankom nevtronov imajo preseţek energije, kar v jedru povzroča nestabilnost, ki slej ko prej privede do razpada takega atoma. Večji kot je preseţek ali manko nevtronov, bolj nestabilno je jedro in prej bo razpadlo. Ob razpadu jedro izseva višek energije v obliki elektromagnetnega valovanja (ţarka gama) ali pa jo v obliki kinetične energije odnese oddani delec. Nestabilna jedra imenujemo tudi radioaktivna jedra ali radionuklidi, izsevanje preseţne energije pa radioaktivni razpad. Snovi, ki vsebujejo nestabilna radioaktivna jedra, ki s časom spontano razpadajo, imenujemo krajše tudi radioaktivne snovi. Ob razpadu vsebovanih radioaktivnih jeder take snovi oddajajo sevanje. Kakšno je to sevanje, je odvisno od vsebovanih radionuklidov in vrste razpada, s katerim ta jedra razpadajo. Pomembno je vedeti, kako aktivno je to sevanje oziroma kako aktivna je posamezna radioaktivna snov. Aktivnost neke količine radioaktivne snovi pomeni število spontanih radioaktivnih razpadov dane snovi na enoto časa. Enota za aktivnost je Bq (becquerel) ali s -1, kar pomeni en radioaktivni razpad v sekundi. Aktivnost 1 Bq je zelo majhna. Radioaktivne snovi lahko imajo obliko in videz popolnoma običajnega kosa kamnine, kot je npr. uranova ruda. Radioaktivne vire srečamo tudi v naših domovih oz. javnih 4

19 ustanovah. Tak primer so javljalniki poţara ali detektorji dima. Vsebujejo radioaktiven vir, ki ionizira zrak in ob nastanku poţara sproţi alarm [2]. 2.2 Zgradba snovi Snov zavzema prostor in ima maso. Sestavljena je iz molekul, ki vsebujejo kemijske elemente. V naravi je znanih 92 kemično različnih elementov od vodika (H) do urana (U). V 20. stoletju so z različnimi procesi odkrili nove umetne kemične elemente vse do zaporedne številke 109. Osnovni gradniki kemičnih elementov so atomi. Tudi atomi imajo svojo notranjo strukturo. Sestavljeni so iz atomskega jedra in elektronskega oblaka. Atomsko jedro je sestavljeno iz protonov in nevtronov, ki so pribliţno enakih mas, razlikujejo pa se po električnem naboju. Nevtron je električno nevtralen, naboj protona pa je +e 0, kjer je e 0 elementarni naboj, ki je 1, C. Elektron ima v primerjavi z nevtronom ali protonom zalo majhno maso, saj je njegova masa pribliţno 1/1850 mase protona. Naboj elektrona je -e 0. Atom je v normalnem stanju električno nevtralen, to pomeni, da ima v jedru toliko protonov, kolikor ima v elektronskem oblaku elektronov. Slika 2.2: Shema atoma Atom elementa označujemo s simbolom za dani element. V levem kotu nad simbolom je masno število A, ki pove, kolikšno je skupno število protonov in nevtronov v jedru atoma. V levem kotu spodaj je vrstno število, ki pove, koliko protonov ima atomsko jedro ali koliko elektronov je v elektronskem oblaku v električno nevtralnem atomu. Vrstno število označujemo s črko Z. Primeri označevanja atomov: Kemični elementi so sistematizirani v periodnem sistemu. Na istem mestu v periodnem sistemu so atomi, ki imajo enako vrstno število, lahko pa se razlikujejo po skupnem številu 5

20 protonov in nevtronov v atomskem jedru; tedaj govorimo o izotopih danega elementa. Izotopi so atomi istega kemijskega elementa, ki se med seboj razlikujejo po številu nevtronov v jedru. Imajo povsem enake kemijske, vendar različne fizikalne lastnosti. Kot primer si oglejmo izotope elementa vodika: - navadni vodik z enim protonom - teţki vodik ali devterij - superteţki vodik ali tritij z enim protonom in dva nevtrona Nekateri izotopi so nestabilni in jih imenujemo radioizotopi. Jedra radioizotopov brez posebnega zunanjega vpliva prehajajo v druga jedra in pri tem oddajajo energijo. V atomih se dogajajo različni procesi, ki jih lahko razumemo, če uporabimo ustrezen model atoma. Uporabimo lahko Bohrov model atoma, ki pravi, da je atom sestavljen iz atomskega jedra, okoli katerega so elektroni v določenih energijskih stanjih. Slika 2.3: Bohrov model atoma Pod zunanjim vplivom se atom vzbudi, to pomeni, da elektron preskoči v višji energijski nivo. V tem stanju ostane le kratek čas, nato se vrne v osnovno energijsko stanje. Pri tem pa višek energije izseva v obliki elektromagnetnega valovanja (izseva se foton z energijo h ν, kjer je h - Planckova konstanta, ν - frekvenca valovanja). 6

21 Slika 2.4: Ionizacija atoma Pod drugim zunanjim vplivom pa lahko atom odda ali sprejme elektrone in se s tem ionizira. Pri ionizaciji atoma nastane negativni ion (anion) ali pozitivni ion (kation). Lastnosti osnovnih delcev atoma so [3], [4]: elektron: oznaka: e - me - = 9, kg e = -1, C (negativen) stabilen delec proton: nevtron: foton: nevtrino: razpad nevtrona: oznaka: p mp = 1836 me - (1, kg) e = +1, C (pozitiven) stabilen delec oznaka: n mn > mp (1, kg) e = 0 nestabilen delec oznaka: γ mγ = 0 (kvant elektromagnetnega polja) E - energija (E = h ν; h = 6, Js) oznaka: m = 0 (mirovna masa) e = 0 stabilen delec n p + e - + 7

22 2.3 Radioaktivni razpad Izraz»radioaktivno sevanje«je strokovno zavajajoč. Sevanje je lahko le ionizirajoče ali neionizirajoče. Radioaktivna je le snov, ki sevanje oddaja. Nekatera atomska jedra so stabilna, nekatera pa brez posebnega zunanjega vpliva prehajajo v druga jedra. Tem nestabilnim atomskim jedrom pravimo radioaktivna jedra ali radionuklidi. Procesu prehajanja radioaktivnih jeder v druga jedra, to je izsevanje preseţne energije, pravimo radioaktivni razpad. Med radioaktivnim razpadom jedra radioizotopov oddajajo ionizirajoče sevanje različnih vrst. Sevanje alfa je tok delcev alfa (α), to je helijevih jeder (dva protona in dva nevtrona), začetnemu jedru pa se vrstno število zmanjša za dve in masno število za štiri. Z razpadom alfa razpadajo teţja jedra. Teoretično je sicer moţen pri jedrih z masnim številom večjim od 133, a v resnici so taki razpadi silno redki vse do svinca, ki ima masno število 208. Šele od bizmuta naprej z masnim številom 209 vsa jedra razpadejo z alfa razpadom. Zaradi svoje sorazmerno velike mase je zelo neprodorno, saj ima v zraku domet nekaj centimetrov, zaustavi pa ga ţe list papirja. Alfa radioaktivni viri zato ne predstavljajo resne nevarnosti kot zunanji radioaktivni viri. Nevarni pa so sevalci alfa, če prispejo v človekovo telo (interna kontaminacija), saj ima sevanje alfa veliko moč ionizacije. Slika 2.5: Primer razpada alfa Sevanje beta je tok delcev beta (β), to je elektronov ali pozitronov, ki nastanejo pri beta radioaktivnem razpadu jeder radioizotopov. Pri tem se v jedru en nevtron spremeni v proton ali obratno, jedro odda elektron ali pozitron, vrstno število se ustrezno poveča ali pomanjša za 1, masno pa se ne spremeni. Ločimo razpad β -, pri katerem jedro odda elektron in elektronski antinevtrino, in β +, pri katerem jedro odda pozitron in elektronski nevtrino. Z razpadom alfa ali beta se jedra pogosto ne znebijo celotnega preseţka energije in kljub razpadu ostanejo v tako imenovanem vzbujenem stanju. Osnovno ali niţje vzbujeno stanje doseţejo šele z novim razpadom, pri katerem oddajo višek energije z izsevanjem fotona oziroma ţarka gama. 8

23 Sevanje beta je prodornejše kot alfa in doseţe v zraku domet nekaj metrov. Zaustavi pa ga ţe tanka plast aluminijeve folije. Kot zunanji vir povzroča poškodbe na koţi in očesni leči. Slika 2.6: Primer razpada beta Sevanje gama (γ) je elektromagnetno valovanje, ki nastane pri gama razpadu jeder radioizotopov. Snov ionizira indirektno. Sevanje gama je zelo prodorno sevanje, saj ima v zraku domet nekaj kilometrov. Zaustavi ga nekaj centimetrov svinca. Sevalci gama so nevarni kot zunanji in notranji viri sevanja. Gama ţarek imenujemo tudi foton. Slika 2.7: Primer razpada gama Nevtronsko sevanje je tok nevtronov (n). Pojavlja se pri nekaterih jedrskih reakcijah, kot je cepitev v jedrskem reaktorju ali pa nastane pri mešanih izvorih, najbolj znani so alfanevtronski izvori. Nevtroni nimajo naboja, zato indirektno ionizirajo snov. Na snov delujejo z fizičnim trkom v jedra atomov. Pri tem se lahko odbijejo od jedra ali se z njim 9

24 zdruţijo. V primeru zdruţitve nevtrona z jedrom je lahko oddan proton, alfa delec ali gama ţarek. Glede na njihovo (kinetično) energijo jih pribliţno delimo na: - termalni (0,025 ev) - počasni (< 10 ev) - vmesni (10 ev 100 kev) - hitri (> 100 kev) Nevtronsko sevanje je zelo prodorno. Rentgensko sevanje je elektromagnetno valovanje podobno kot sevanje gama. Nastaja v elektronskem oblaku in ni produkt radioaktivnega razpada [1], [3]. Slika 2.8: Prodornost ionizirajočih sevanj Tabela 2.1: Vrste ionizirajočega sevanja, viri in prodornost teh sevanj Vrsta sevanja Vir sevanja Prodornost sevanje alfa ali ţarki α teţki radioizotopi npr. cepitveni produkti nekaj cm v zraku ali list papirja sevanje beta ali ţarki β srednje teţki radioizotopi npr. aktivni korozijski produkti nekaj m v zraku, nekaj mm aluminija ali plast stekla sevanje gama ali ţarki skoraj vsi radioizotopi nekaj cm svinca ali γ nevtronsko sevanje ali nevtroni proces cepitve npr. v reaktorju nekaj dm betona nekaj m vode, parafina ali betona 10

25 2.4 Vplivi ionizirajočega sevanja na ljudi in meje ekvivalentnih ter efektivnih doz Sevanje povzroča fizikalne, kemijske in biološke učinke. Človeško telo je na učinke sevanja zelo občutljivo, še posebej to velja za očesne leče, spolne celice, celice pljuč, celice jeter in ščitnico. Pri prehodu sevanja skozi človeško telo pride do ionizacije atomov in molekul. Celice so ionizirajočemu sevanju lahko izpostavljene neposredno ali posredno. Neposredno lahko pride do interakcij sevanja in molekule DNK, kateri lahko pretrga katero izmed kemijskih vezi. Posredno učinkovanje ionizirajočega sevanja na celico poteka prek učinkovanja prostih radikalov, ki so kemično zelo reaktivni in lahko agresivno vplivajo na molekulo DNK. Prosti radikali nastanejo kot posledica ionizacije vode, ki predstavlja skoraj 85 % vsebine celice. Proces imenujemo radioliza vode. Posledice sevanja na ţivo snov so odvisne od energije in vrste sevanja. Osnovna količina, s katero ovrednotimo učinek sevanja na snov, je prejeta energija, preračunana na enoto mase. Imenujemo jo absorbirana doza, enota je gray (1 Gy = 1 J/kg). Da lahko učinke prenosa energije na ţivo snov poveţemo z absorbirano dozo, je za vsako vrsto sevanja uveden uteţni faktor in vpeljana količina ekvivalentna doza v sievertih (Sv). Ekvivalentna doza velja le za določeno tkivo ali organ. Brezdimenzijske uteţne faktorje sevanj w R navaja spodnja tabela. Tabela 2.2: Uteţni faktorji sevanj Vrsta sevanja in energija Uteţni faktor w R gama (vse energije) 1 beta (vse energije), mioni 1 nevtroni: E D < 10 kev 5 10 kev < E D < 100 kev kev < E D < 2 MeV 20 2 MeV < E D < 20 MeV 10 E D > 20 MeV 5 protoni, razen odrivnih 2 alfa, teţka jedra in cepitveni produkti 20 Poznamo deterministične učinke, kjer z gotovostjo trdimo, da se bodo pri določeni dozi pojavili, pri niţji pa ne in stohastične (naključne) učinke, pri katerih se učinek pojavi kasneje v istem tkivu ali pa se prenese na potomce. Če seštejemo ekvivalentne doze za posamezne organe in če pri tem upoštevamo še uteţne faktorje posameznih organov, dobimo efektivno dozo tudi v Sv. Efektivna doza predstavlja merilo tveganja zaradi stohastičnih učinkov sevanja. Uteţni faktorji posameznih organov 11

26 w T, ki so določeni na osnovi spoznanj iz epidemioloških študij preţivelih iz Hirošime, Nagasakija, Černobila in drugih radioloških nesreč, so podani v spodnji tabeli. Tabela 2.3: Uteţni faktorji tkiv Tkivo ali organ Uteţni faktor w T spolne ţleze (gonade) 0,20 kostni mozeg (rdeči) 0,12 debelo črevo 0,12 pljuča 0,12 ţelodec 0,12 sečni mehur 0,05 prsa 0,05 jetra 0,05 poţiralnik 0,05 ščitnica 0,05 koţa 0,01 pokostnica 0,01 ostalo 0,05 Mejna vrednost doze, ki jo sme zaradi dodatne izpostavljenosti sevanju zaradi uporabe virov sevanj prejeti posameznik prebivalec je 1mSv v enem letu. Tu so izvzeti naravno ozadje, medicinske raziskave ali zdravljenja. Mejne doze za poklicno izpostavljene delavce so [8]: omejitev efektivne doze 20 msv na koledarsko leto; omejitev ekvivalentne doze 150 msv za očesno lečo na leto; omejitev ekvivalentne doze 500 msv za koţo na leto; omejitev ekvivalentne doze 500 msv za roke, podlakti, noge in gleţnje na leto. 2.5 Razpadna konstanta in razpolovni čas Razpadna konstanta (oznaka λ) je v jedrski fiziki količina, ki podaja verjetnost za radioaktivni razpad atomskih jeder v časovni enoti. Mednarodni sistem enot predpisuje za razpadni čas izpeljano enoto s -1. Odvisnost števila radioaktivnih jeder od časa je podana z enačbo (2.1): ( ) ( ) (2.1) 12

27 kjer je: N(t) število radioaktivnih jeder po razpadu v času t; N(0) število radioaktivnih jeder v času t=0; λ razpadna konstanta. Prav tako lahko zapišemo aktivnost (A v Bq) radioizotopa z enačbo (2.2): ( ) ( ) (2.2) kjer je: A(t) aktivnost radioizotopa po razpadu v času t; A(0) aktivnost radioizotopa v času t=0. Razpolovni čas (t 1/2 ) radioizotopa je tisti čas, v katerem razpade polovica jeder. Povezava med razpolovnim časom in razpolovno konstanto je podana z enačbo (2.3) [3]: (2.3) kjer je: t 1/2 razpolovni čas. 2.6 Detektorji ionizirajočega sevanja Ionizirajoče sevanje merimo na osnovi učinkov, ki jih sevanje povzroči pri prehodu skozi snov. Pri prehodu sevanja skozi detekcijski medij poznamo naslednje efekte: počrnitev fotografske emulzije; scintilacija; termoluminiscenca; ionizacija. Vse merilnike ionizirajočega sevanja lahko predstavimo s poenostavljeno shemo kot na spodnji sliki. Slika 2.9: Poenostavljena shema merilnikov ionizirajočega sevanja 13

28 Detektorje lahko delimo glede na agregatno stanje detekcijskega medija: Tabela 2.4: Delitev detektorjev glede na agregatno stanje njihovih medijev Plinski Tekočinski Trdni ionizacijske komore tekočinski scintilacijski števci scintilacijski α, β, γ števci proporcionalni števci Čerenkovi števci polprevodniški Ge-Li detektorji Geiger-Mueller fotografske emulzije (GM) števci termoluminescentni halogeni števci dozimetri (TLD) plinski scintilacijski števci pretočni števci Plinski detektorji so sestavljeni iz treh glavnih komponent: Katoda (negativno nabita elektroda) običajno je to kar zunanja stena komore detektorja in del katode lahko sluţi tudi kot okno, skozi katero sevanje vstopa v detektor. Anoda (pozitivno nabita elektroda) običajno je nameščena v centru detektorja in je v obliki zelo tanke ţice. Polnilni plin. Ionizacija plina in nadaljnjo gibanje ionov proti anodi in katodi povzročijo oblikovanje pulza. Ko gre nabit delec (alfa delec, elektron ali proton) skozi plin, ga ionizira, na svoji poti ustvarja ionske pare. Električno polje med elektrodama razdvoji te pare. Anioni (ioni z negativnim električnim nabojem) se zberejo na anodi, kationi (ioni s pozitivnim električnim nabojem) pa na katodi. Tako dobimo električni pulz, ki ga vodimo naprej v obdelavo. Gama ţarki ne ionizirajo plin direktno, ampak delujejo preko fotoelektričnega efekta, komptonskega sipanja ali tvorbe parov. V teh iterakcijah je energija prenesena na elektron, ki potem ionizira plin. Gama ţarki običajno prenesejo energijo elektronom v katodi. Pri fotoelektričnem efektu se foton zaleti v elektron atoma, pri čemer se vsa energija fotona prenese na elektron in ta odleti od atoma. Nekaj energije se porabi za vezalno energijo elektrona, vsa ostala se pretvori v kinetično elektrona. Ta elektron je običajno iz K-lupine. Na tem mestu nastane vrzel, ki jo zapolne elektron iz lupine z večjo energijo. Pri tem nastane karakteristični X ţarek ali augerjev elektron. Fotoelektrični efekt je najbolj verjeten pri fotonih niţjih energij in pri materialih z visokim atomskim številom (svinec). 14

29 Slika 2.10: Fotoelektrični efekt Pri komptonskem sipanju foton zavije ob zunanji elektronski lupini, pri čemer izbije elektron iz zunanje lupine, foton pa spremeni smer in izgubi del energije. Energija fotona se porazdeli med elektronom in sipanem fotonom. Kot θ se manjša z večanjem energije vhodnega fotona. Komptonsko sipanje se pojavi pri vseh energijah fotonov in pri vseh materialih, je najbolj pogosta iterakcija gama ţarkov. Slika 2.11: Komptonsko sipanje Pri tvorbi parov pride do interakcije ali trka fotona z električnim poljem atoma. Foton popolnoma izgine, nastaneta pa elektron in pozitron. Ker sta nastala elektron in pozitron vsak ekvivalentna energiji 511 kev, mora imeti vhodni foton energijo večjo od 1022 kev. Vsa energija vhodnega fotona je spremenjena v kinetični energiji elektrona in pozitrona, vendar ni nujno enako porazdeljena med njima. Elektron bo iteriral preko ionizacijskega vzbujanja ali preko zavornega sevanja. Pozitron pa bo, ko bo izgubil svojo kinetično energijo, anihiliral (se izničil) z enim od elektronov. Pri tem nastaneta dva fotona z energijama 511 kev, ki pod kotom 180 odletita vsak v svojo smer. 15

30 Slika 2.12: Tvorba parov Električno polje med elektrodama v detektorju pospeši gibanje ionov k ustrezni elektrodi. Napetost med anodo in katodo je lahko različna. V odvisnosti od velikosti te napetosti delimo plinske detektorje na: ionizacijske celice; proporcionalne števce; Geiger-Muellerjevi števci. Slika 2.13: Karakteristika multiplikacij v plinskih detektorjih 16

31 V nadaljevanju je uporabljen izraz pulz!»med tem ko je diskretni impulz trenutnega trajanja, torej ničte dolţine, so pulzi merljive dolţine. V naravi lahko ustvarjamo le pulze, impulzi so le izjemno pomembni matematični pripomočki [7].«Geiger-Mueller (GM) detektorji so predstavniki plinskih detektorjev ionizirajočega sevanja in so v NEK prisotni tako v prenosnih instrumentih za merjenje hitrosti doz, kot tudi v sistemu za merjenje sistemskih tekočin in plinov in sicer za merjenje radioaktivnih plinov v izhodu iz ejektorja in v ponezgodnem merilnem sistemu za merjenje aktivnosti jodnih filtrov in hitrosti doze v prostoru. Primera detektorjev s specifikacijami sta v prilogi 9.1 in 9.4. GM s stranskim oknom se uporabljajo za merjenje predvsem gama sevanja, z dovolj tanko folijo na oknu pa tudi za beta sevanje. Primer detektorja s specifikacijami je v prilogi 9.2. Slika 2.14: GM s stranskim oknom [5]»Palačinkasti«, (pancake) GM in GM z oknom na koncu cevi (end window) se uporabljajo predvsem za merjenje beta sevanja, odzivajo pa se tudi na gama in alfa sevanje. Primer detektorja s specifikacijami je v prilogi 9.3. Slika 2.15:»Pancake«in»end winow«gm 17

32 Geiger-Mueller detektorji imajo za polnilne pline ţlahtne pline (neon, argon, helij, kripton) ki so pod podtlakom. Napetosti so od 1000 V do 1200 V. Ob vsakem vpadlem ţarku ali delcu se sproţi plaz ionizacij vzdolţ celotne anode zaradi dodatnih ionizacij s fotoni, ki se sprostijo ob prvih ionizacijah. Zaradi močne sekundarne ionizacije se ob anodi nabere plast pozitivnih ionov, ki močno oslabi električno polje. Dokler se ti pozitivni ioni ne umaknejo k katodi, detektor ne deluje, to imenujemo mrtvi čas detektorja. Da se mrtvi čas zmanjša, je polnilnemu plinu dodan dušilni plin (brom, organski plini). Proporcionalni števci so najpogosteje uporabljani za merjenje alfa in beta sevanja. Uporabni so tudi za merjenje nevtronskega sevanja (BF 3, He-3). V NEK so vgrajeni v prenosnih instrumentih za merjenje alfa in beta aktivnosti površin in predmetov, ter za merjenje nevtronskih hitrosti doz, v laboratorijskih instrumentih za merjenje alfa in beta aktivnosti brisov in filtrov in v portalnih merilnikih oseb. Primera detektorjev s specifikacijami sta v prilogi 9.5 in 9.6. Ločimo zaprte detektorje in detektorje s pretokom plina. Dve bistveni prednosti proporcionalnih števcev: pulzi so večji kot pri ionizacijskih celicah; to pomeni, da lahko delujejo v pulznem načinu; en detektor se lahko uporablja za merjenje alfa in beta, samo alfa ali samo beta sevanja. Če pri proporcionalnem števcu povečamo napetost, se poveča višina izhodnih pulzov. Višina izhodnih pulzov je premo sorazmerna s številom elektronov, ki doseţejo anodo, torej je proporcionalna energiji odloţeni v plinu. Ko gre nabit delec skozi plin v detektorju, proizvede primarne ionske pare, ki so sestavljeni iz elektrona in iz pozitivno nabite molekule plina. V območju delovanja proporcionalnih števcev ( V) doseţe anodo od 10 do elektronov na vsak primarni ionski par, saj vsak elektron iz primarnih ionskih parov, ki se giblje proti anodi, kreira sekundarne ionske pare; temu rečemo plaz. Da lahko primarni elektroni s svojo kinetični energijo sproţijo plaz, moramo imeti električno polje večje od 1 MV/m. Ker so tako izhodni pulzi dovolj veliki za štetje, večina proporcionalnih števcev deluje v pulznem načinu. Alfa in beta sevanje se glede na izhodni pulz odraţata drugače. Alfa pulzi so večji od beta pulzov, ker alfa sevanje odloţi vso energijo v plinu, beta sevanje pa le del, in ker imajo alfa delci v glavnem večjo energijo od beta delcev. Tipične energije alfa delcev so od 4 do 8 MeV, medtem, ko so energije beta delcev redko višje od 2 MeV. Če pogledamo spodnji graf števila pulzov v odvisnosti od višine pulza, opazimo, da alfa delci proizvedejo oţji vrh kot beta delci. To je zaradi tega, ker imajo alfa delci kratki doseg in odloţijo vso svojo energijo v detektorju, beta delci pa proizvedejo širok vrh, ker imajo širok razpon dosegov v detektorju. Višina vrhov je odvisna od energije delcev. 18

33 Graf 2.1: Alfa/beta spekter Anode pri proporcionalnih števcih so zelo tanke ţice (0.01 mm) iz nerjavečega jekla ali iz platine. Čim tanjša je ţica, manjšo visoko napetost rabimo. Konfiguracija ţice v detektorju mora biti takšna, da zagotovi čim bolj uniformno električno polje po detektorju. Slika 2.16: Prenosni proporcionalni merilnik s pretokom plina Okno detektorja (folija) je iz aluminiziranega biaksialno orientiranega polietilena. Folije so lahko zelo tanke (0.08 mg/cm 2 ) za merjenje alfa sevanja. Aluminizirana površina sluţi kot ščit pred svetlobo (UV komponenta svetlobe lahko generira laţne pulze). Pri formaciji plazu se pri nekih molekulah plina elektroni prestavijo v lupine z višjo energijo namesto, da bi se popolnoma odcepili od molekul. Ko se ti elektroni vrnejo na originalne lupine, oddajo fotone vidne ali UV svetlobe. Ti fotoni pa lahko interirajo z molekulami plina preko fotoelektričnega efekta in aktivirajo nov plaz, ki pa nima veze z primarno odloţeno energijo v detektorju in tako povzročijo laţne pulze. Kot rešitev je tudi v proporcionalnih števcih dodan dušilni plin (metan), ki absorbira sekundarne fotone, pri tem pa se ionizira. 19

34 Ionizacijske celice delujejo v območju od 100 do 300 V. Polnilni plin je zrak pod okoliškim tlakom. Obratujejo v ravnem delu karakteristike. Nastali električni signal je neodvisno od napetosti premosorazmeren s številom primarnih ionskih parov, ki jih sevanje sproţi v plinu. Ker zaradi nizke napetosti ne pride do plazov, je nastali električni signal šibak in je potrebna precejšna ojačitev. Ionizacijska celica se uporablja za detekcijo gama sevanja in x ţarkov, v pulznem načinu pa tudi za štetje alfa in beta delcev. Primer detektorja s specifikacijami je v prilogi 9.7. Glede na princip Bragg-Gray se lahko določi absorbirana doza v steni detektorja. Če je stena detektorja iste gostote kot tkivo, lahko z ionizacijskimi celicami merimo absorbirano dozo na tkivo. V NEK so ionizacijske celice uporabljene pri prenosnih instrumentih za merjenje hitrosti doze, v zadrţevalnem hramu za merjenje absorbirane doze, v ponezgodnem sistemu za merjenje aktivnosti zraka v glavnem oddušnem kanalu, v oddušnem kanalu od zgradbe za ravnanje z gorivom in na izhodu iz ejektorja kondenzatorja. Prav tako so uporabljene za meritev hitrosti doz pri bazenu z izrabljenim gorivom in za meritve aktivnosti efluentov: merjenje aktivnosti primarnega hladila in merjenje aktivnosti pare na razbremenilnih ventilih uparjalnikov. Ionizacijske celice lahko delujejo v pulznem ali tokovnem načinu. V pulznem načinu se štejejo pulzi, ki določajo število interakcij alfa in beta delcev ali fotonov v detektorju, ne dajo pa informacije o absorbirani dozi. Pulzni način delovanja ionizacijskih celic je običajno namenjen za določevanje aktivnosti alfa emiterjev. Večina ionizacijskih celic deluje v tokovnem načinu. Tok, ki ga proizvede detektor, je sorazmeren z intenziteto ionizirajočega sevanja. Ker je tok na izhodu zelo majhen (v polju x ţarkov intenzitete 1 R/h dobimo na izhodu le 16 pa toka) in ker namesto toka merimo padec napetosti na uporu, potrebujemo upor z zelo veliko upornostjo. Na ţalost so takšni upori zelo občutljivi na spremembe temperature, zato je potrebna temperaturna kompenzacija. Trije načini, kako povečati občutljivost ionizacijske celice: dvigniti tlak polnilnega plina; uporabiti plin z večjim atomskim številom kot ga ima zrak; uporabiti večjo prostornino detektorja. Slika 2.17: Shema ionizacijske celice 20

35 Scintilacijski detektorji se v veliki meri uporabljajo v nuklearni industriji, okoljskem monitoringu in medicini za merjenje radioaktivne kontaminacije predmetov in površin, kot tudi za določitev radioaktivnih izotopov (gama sevalcev) v snoveh. Namen scintilacijskega detektorja je, da se energija, ki jo električno nabit delec izgubi na poti skozi scintilator, pretvori v električni impulz. Pri tem ţelimo čim natančnejšo definicijo časa prehoda in potrošene energije. Delovanje scintilacijskega detektorja lahko razdelimo na sledeče procese: absorbcija energije vpadlega sevanja v scintilator; konverzija absorbirane energije v energijo vzbujenega atoma ter izsevan foton pri deeksitaciji atoma; absorbcija izsevanih fotonov v katodi fotopomnoţevalke s fotoelektričnim efektom, pri čemer so oddani fotoelektroni; proces multiplikacije elektronov na dinodah fotopomnoţevalke, zbiranje teh elektronov na anodi (kolektorju) in oblikovanje električnega impulza; ojačitev impulza in merjenje njegove amplitude in/ali časa prihoda. Pomembni dejstvi: 1. En delec sevanja (alfa ali beta delec, gama ali rentgenski ţarek ali nevtron), ki se absorbira v scintilatorju, pozroči en blisk svetlobe, torej en električni pulz. 2. Večja kot je energija, ki se absorbira v scintilatorju, večje je število vzburjenih elektronov in večje je število fotonov svetlobe sproščene iz scintilatorja. Z drugimi besedami: večja je odloţena energija, svetlejši je blisk svetlobe in večji je električni pulz. Slika 2.18: Blokovni prikaz scintilacijskega merilnika Scintilacijske materiale lahko razdelimo na plinske, tekoče in trdne. Podrobno pa jih klasificiramo kot: 1. ANORGANSKI: 2. ORGANSKI: plinski (He, Xe); kristalni (NaI, ZnS, CsI, LiI, BGO); stekleni. tekoči (PPO, POPOP); kristalni (antracen, stilben); plastični. 21

36 V nadaljevanju bodo predstavljeni ZnS in NaI detektorji. V trdnih anorganskih kristalih so energijski nivoji elektronov definirani kot pasovi. V normalnem stanju zasedajo elektroni valenčni pas (podobno kot valenčna lupina pri atomu). Nad valenčnim pasom je prevodni pas. Energijska razlika med tema dvema pasovoma je znan kot prepovedan pas. Slika 2.19: Elektroni v normalnem stanju Če je valenčni pas poln, so elektroni fiksirani in material ne prevaja električnega toka. Ker je valenčni pas pri anorganskih kristalnih scintilatorjih poln, so le ti izolatorji. Gama ali rentgenski ţarek, alfa ali beta delec sprostijo energijo v anorganskem scintilatorju. Nekaj te energije se prenese na elektrone (jih vzbudi) v valenčnem pasu, ki zato preskočijo v prevodni pas. Za vsakim takšnim elektronom ostane v valenčnem pasu vrzel. Slika 2.20: Vzbujeni elektroni Elektroni v prevodnem pasu se takoj "razvzbudijo" s padcem nazaj v valenčni pas, kjer zapolnijo vrzeli. Pri vsakem padcu elektrona v niţji energijski pas elektron odda foton svetlobe. Slika 2.21: Oddajanje fotonov svetlobe 22

37 Energija izsevane svetlobe je enaka energiji elektrona v prevodnem pasu minus končna energija elektrona v valenčnem pasu. Valovna dolţina te svetlobe se izračuna po formuli (2.4): (2.4) Pri čemer je: λ valovna dolţina (m); h Planckova konstanta ( Js); c hitrost svetlobe ( m/s); E energija sevanja/svetlobe (J) Kot primer izračunajmo valovno dolţino fotona, če je energija fotona 5 ev: (2.5) Svetloba te valovne dolţine spada v ultravijolični spekter in je s fotopomnoţevalko ne moremo zaznati. Aktivatorji: Scintilacijski kristal oddaja svetlobo, vendar jo lahko tudi absorbira. Del proizvedene svetlobe bo absorbiran preden zapusti kristal. V čistem kristalu je valovna dolţina absorbirane in oddane svetlobe enaka. Če pa kristal vsebuje nečistoče, se oddajni spekter svetlobe zamakne in ni več enak absorbiranemu. Rezultat tega je, da več svetlobe zapusti kristal. Aktivator je nečistoča, ki je dodana kristalu, da zviša količino svetlobe, ki zapusti scintilator. Aktivator je uporabljen tudi za premik (dvig) valovne dolţine oddane svetlobe, da laţje zaznamo s fotopomnoţevalko. Primeri aktivatorjev so talij v NaI detektorjih in srebro v ZnS detektorjih. 23

38 Slika 2.22: Oddan foton svetlobe aktivatorja Fotopomnoţevalka: Deluje podobno kot fotocelica. Ima fotokatodo, iz katere nastali svetlobni blisk izbija elektrone, več dodanih elektrod npr. do 20 t. i. dinod za povečevanje števila izbitih elektronov ter pozitivno anodo, ki zbere končni električni signal in ga pošlje skozi anodni upor R. Prva dinoda, ki je tik za fotokatodo, je za V bolj pozitivna kot fotokatoda, druga dinoda pa ravno za toliko bolj pozitivna kot prva itd. Svetlobni signal, ki ga vpadni delec povzroči v scintilatorju, se s svetlobnim vodnikom prenese do fotokatode, iz katere izbije elektrone. Število izbitih elektronov je premo sorazmerno z energijo vpadnih oz. absorbiranih delcev. Iz fotokatode izbiti elektroni se pospešijo k prvi dinodi, udarijo ob njo in iz nje izbijejo več sekundarnih elektronov. Ti se pospešijo k drugi dinodi, nato k tretji, itd. Začetni tok elektronov se tako močno ojači od 10 6 do 10 8 krat. Izhodni električni signal, to je napetost na anodnem uporniku R, je premo sorazmeren z energijo vpadnega sevanja. Zato lahko scintilacijski števec uporabljamo podobno kot proporcionalni števec za merjenje energije vpadnega sevanja. Prednost scintilacijskega števca je predvsem v tem, da se pulz razvije v izredno kratkem času (mikrosekunda) in je zato primeren za štetje hitro spreminjajočih se pojavov. Razen tega scintilator mnogo učinkovitejše absorbira fotone gama kot npr. detektorski plin v plinskih števcih [3],[5],[8]. 24

39 Slika 2.23: Fotopomnoţevalka [9] V NEK so scintilacijski detektorji prisotni pri mnogih meritvah radioaktivne kontaminacije površin, filtrov, tekočin in zraka. NaI detektorji so uporabljeni pri vseh monitorjih aktivnosti procesnih tekočin, radioaktivnega joda v oglenih filtrih, radioaktivnega izotopa dušika (N-16) v glavnih parovodih iz uparjalnikov ter za določevanje vrste in količine radioaktivnih izotopov v radioaktivnih pošiljkah ali na filtrih vzorčenega zraka (gamaspektrometrija). Primer detektorja s specifikacijami je v prilogi 9.8. ZnS detektorji pa so uporabljeni v prenosnih merilnikih radioaktivne kontaminacije pri iznosu opreme in orodja iz nadzorovanega območja in za merjenje alfa kontaminacije na brisih v nadzorovanem območju. Primer detektorja s specifikacijami je v prilogi 9.9. Polprevodniški detektorji delujejo vsi na podobnem principu. Alfa ali beta delci v polprevodniškem detektorju kreirajo ionske pare elektron-vrzel. Pod vplivom električnega polja se ioni gibljejo proti elektrodam in tako dobimo pulz. Gama ţarki proizvedejo sekundarne elektrone preko fotoelektričnega efekta, komptonskega sipanja ali tvorbe parov. Ti elektroni potem kreirajo ionske pare elektron-vrzel. Polprevodniški detektor je trdni ekvivalent ionizacijski celici. Polprevodnik je material, pri katerem je valenčni pas poln in prepovedani pas energijske širine 3-5 ev, da lahko dobimo v prevodni pas dovolj elektronov za prevajanje električnega toka. Polprevodnik v normalnih pogojih ne prevaja toka. Najpogosteje se uporabljata germanij in silicij. Oba sta elementa četrte skupine elementov, vsak atom ima štiri elektrone v zunanji lupini, ki tvorijo kovalentno vez in so glede energije v valenčnem pasu. V kristalu so atomi razporejeni simetrično. 25

40 Slika 2.24: Čisti kristal germanija Ločimo dva tipa polprevodnikov, n in p tip. Germanij in silicij sta razvrščena glede na tip nečistoč (primesi) v njih. N-tip germanija ali silicija vsebuje primesi iz pete skupine elementov, ki imajo pet valenčnih elektronov. V kristalu tako dobimo prosto gibajoč se elektron. Te primesi imenujemo donorji in so običajno fosfor, arzen ali antimon. Slika 2.25: N-tip germanijevega kristala P-tip kristala vsebuje trivalentne primesi. Dobimo prosto gibajočo se vrzel. Te primesi so bor, aluminij, galij ali indij. Imenujemo jih akceptorji. 26

41 Slika 2.26: P-tip germanijevega kristala Germanijevi ali silicijevi kristali so lahko veliki kot hlebec kruha. Germanijev kristal je opazno teţji od silicijevega. Lahko se reţejo na različne kose, da ustrezajo posameznim detektorjem. Germanijev kristal mora biti za merjenje ohlajen na -193 C. Na kristal se naneseta električna kontakta, anoda in katoda, iz zlata, aluminija, litija ali bora. Tudi, ko se med anodo in katodo ustvari električno polje, brez zunanjih vplivov (sevanja) tok čez kristal ne bo tekel. Ko sevanje odloţi svojo energijo v kristalu, nekaj elektronov postane prostih in se pričnejo gibati proti anodi. Nastale vrzeli pa se gibljejo proti katodi. Dobimo električni pulz. Diodni detektorji so tanke rezine silicija (včasih tudi germanija), ki imajo zelo ozko področje relativne čistosti. To področje je aktiven volumen detektorja in je poznano kot spoj, notranje področje ali osiromašeno področje naboja. Osiromašeno področje je tako ozko, da lahko le nabiti delci (alfa) deponirajo svojo energijo v detektorju. Poznamo spojne detektorje, detektorje s površinsko bariero, detektorje z difundiranim spojem, detektorje z vsajenimi ioni in detektorje z vsajenimi ioni in neaktivno plastjo (PIP). Spoj je na mestu, kjer se spajata n in p-tip materiala. Blizu spoja elektroni iz n-tipa difundirajo k vrzelim v p-tipu. Tako nastane osiromašeno območje brez prostih vrzeli ali elektronov. Akumulacija elektronov in vrzeli ob spoju ustvari potencialno razliko naboja, ki lahko doseţe 1 V. Zaradi te potencialne razlike je vsak ionski par, ki je nastal zaradi ionizirajočega sevanja, potegnjen iz osiromašenega območja. Rezultat je električni tok, ki je direktno odvisen od intenzitete ionizirajočega sevanja. Da se poveča osiromašeno območje in zmanjša šum, priključimo zunanje električno polje v zaporni smeri. 27

42 Slika 2.27: Spoj n in p-tipa polprevodnika Večina diodnih detektorjev je takšnih kot na sliki Slika 2.28: Diodni detektor; a) keramični obroč, b) sprednja elektroda, c) silicijeva rezina, d) kovinsko ohišje in e) koaksialni priključek [5] Detektorji z difundiranim spojem se ne proizvajajo več masovno. Rezina p-tipa silicija se pri visokih temperaturah izpostavi fosfornim hlapom, kar na površini ustvari n-tip silicija. Spoj je meja med n in p tipom silicija. Ko se priključi električno polje v zaporni smeri, se osiromašeno območje razširi v p-tip. Rezultat je relativno debela plast n-tipa (od 0.1 do 2 μm), skozi katero mora sevanje priti do aktivnega volumna. Ti detektorji imajo slabo resolucijo, vendar so robustni. Detektorji s površinsko bariero se proizvajajo tako, da se tanka rezina silicija izpostavi hlapom kisline, kar naredi na površini sloj silicijevega oksida, ki je p-tipa. Ko oksid odstranimo iz ene strani rezine, drugo stran prevlečemo s tankim slojem zlata, ki nam sluţi za katodo. Stran, s katere smo odstranili oksid, prevlečemo z aluminijem, ki nam sluţi kot anoda. 28

43 Slika 2.29: Detektor s površinsko bariero Detektorji z vsajenimi ioni in neaktivno plastjo (PIP) se proizvajajo iz večjih rezin n-tipa silicija visoke čistosti. Več detektorjev se lahko proizvede iz ene rezine. Najprej se nanese neaktivna plast p-tipa (SiO 2 ), ki se na eni strani rezine nato popolnoma odstrani, na drugi strani pa se odstrani samo za velikosti oken. Spodnja stran rezine se dopira z arzenom, donorsko primesjo, okna pa se dopira z borom, akceptorsko primesjo. Bor spremeni n-tip silicijske rezine v p-tip. Nato se okna in spodnji del prevlečejo še z aluminijastimi elektrodami in rezina se razreţe na posamezne detektorje. Slika 2.30: Izdelava PIP detektorjev Izkoristek diodnih detektorjev za nabite delce je 100 % kar pomeni, da bo vsak vpadel delec v okno detektorja proizvedel pulz. Absolutni izkoristek detektorja je manjši, ker je odvisen samega okna in poloţaja detektorja glede na izvor ionizirajočega sevanja. Ker imajo tudi dobro ločljivost, jih s pridom uporabljamo za alfa in beta spektroskopijo. 29

44 V NEK so diodni detektorji dnevni elektronski dozimetri in vsi področni monitorji, ki merijo ekvivalentno hitrost doze. Ti monitorji imajo osem občutljivih diod za nizko območje in eno manj občutljivo diodo za visoko območje. V monitorjih ţlahtnih plinov in partikulatov v zadrţevalnem hramu in v glavnem izpustnem kanalu ventilacijskega sistema in v prenosnih merilnikih parikulatov pa so uporabljeni diodni detektorji z veliko površino. Primera detektorjev s specifikacijami sta v prilogi 9.10 in Detektorji kompenzirani z litijem so silicijevi (SiLi) ali germanijevi (GeLi) kristali p-tipa, kjer z litijem kompenziramo akceptorske primesi. GeLi detektorji se ne proizvajajo več, ker so jih nadomestili germanijevi visoke čistosti. Detektorji kompenzirani z litijem so lahko zelo veliki in so zato primarno uporabljeni za detekcijo gama ţarkov in spektroskopijo x ţarkov ter včasih za spektroskopijo beta delcev. Delovanje teh detektorjev je enako kot germanijevih visoke čistosti in bo razloţeno v nadaljevanju. Silicijev kristal izpostavimo param litija pri 60 C. Litij je majhen atom z enim prostim elektronom, lahko si ga predstavljamo kot edini elektron. Priklopi se električno polje v zaporni smeri in atomi litija potujejo proti sredini kristala. Litijevi atomi se veţejo na akceptroske primesi v kristalu. Ta proces traja pribliţno dva tedna. Slika 2.31: Kompenzacija akceptorjev z litijem Detektorji kompenzirani z litijem morajo biti za delovanje ohlajeni na temperaturo tekočega dušika (-190 C) zaradi zmanjšanja šuma detektorja. GeLi detektorji morajo biti ohlajeni tudi, ko niso v uporabi, saj lahko v nasprotnem primeru litijevi atomi uidejo iz germanijevega kristala. Teh detektorjev se v NEK ne uporablja več. Germanijevi detektorji visoke čistosti (HPGe) dominirajo na področju gama spektroskopije. V primerjavi z GeLi detektorji imajo HPGe dve prednosti: ko niso v uporabi, se lahko segrejejo na sobno temperaturo in hitreje se proizvedejo. Čistost teh kristalov je velika; v enem kubičnem centimetru je le atomov nečistoč ali en atom nečistoč na vsakih atomov germanija. Kljub zelo majhni koncentraciji nečistoč se HPGe kristali še vedno delijo na n in p-tip. 30

45 Kristal germanija se segreva z indukcijskim grelnikom, ki je v obliki obroča. Do temperature tališča germanija se prične greti na spodnjem delu kristala in nato se grelec počasi pomika proti vrhu kristala. Nečistoče iz kristala se pomikajo v talino z največjo temperaturo in ko grelec doseţe vrh kristala, je večina nečistoč zbranih tam. Ta del kristala se nato odreţe in ostane nam germanijev kristal visoke čistosti. Ti kristali se potem stalijo v kvarčni cilindrični celici. Na posebno palico se nato namesti majhen kristal germanija in vse skupaj se potopi v talino. Okoli majhnega kristala začne germanij kristalizirati. Palica se nato počasi obrača okoli svoje osi in dviguje iz taline. Od hitrosti obračanja in izvleka je odvisna velikost končnega kristala. Ta se potem še razreţe v ţelene kose, ki se še spolirajo. HPGe detektorje delimo na ravninske in koaksialne. Ravninski HPGe detektorji so namenjeni za spektroskopijo gama ali x ţarkov nizke energije (od enega do nekaj sto kev). Imajo obliko diska premera od 1 do 5 cm in debeline od 0,5 do 2 cm. Na vrhu je katoda iz bora debeline manj kot 3 μm, na spodnjem delu pa je od 500 do 1000 μm debela anoda iz litija. Da dobimo boljši prehod gama ţarkov nizkih energij do detektorja je na aluminijasto ohišje nameščeno okno iz berilija debeline od 0,508 do 0,762 mm. Ravninski detektorji imajo boljšo ločljivost od koaksialnih za gama ţarke izpod 100 kev. Slika 2.32: Ravninski HPGe detektor Koaksialni HPGe detektorji so narejeni iz cilindričnih kristalov n ali p-tipa. Mere so od 4 do 7 cm premera in od 4 do 7 cm dolţine. Na eni strani se v kristal zvrta luknja, ki sluţi za notranjo elektrodo. Druga elektroda se nanese na zunanjo površino kristala. Zunanja elektroda je pri p-tipu od 500 do 1000 μm debel nanos litija, notranja elektroda pa je manj kot 3 μm debela plast bora ali zlata. Ti detektorji so primerni za energije od 50 kev do več kot 10 MeV. Pri n-tipu so elektrode zamenjane, zato so ti detektorji primerni za niţje energije in imajo ista okna kot ravninski detektorji. HPGe detektorji morajo biti med delovanjem ohlajeni. To se doseţe preko debele bakrene palice, ki je na enem koncu pritrjena na kristal, drug konec pa je potopljen v tekoči dušik. 31

46 Slika 2.33: Koaksialni HPGe detektor V NEK se koaksialni HPGe detektorji uporabljajo za določevanje vrste in aktivnosti radioaktivnih gama izotopov na vzorčevalnih filtrih zraka, na brisih, v tekočinah in v aktivnem oglju. Vsi ti detektorji so nameščeni v prostorih z nizkim sevalnim ozadjem in še dodatno zaprti v debel svinčen ščit. Primera detektorjev s specifikacijami sta v prilogi Termoluminiscentni dozimetri (TLD) se v NEK uporabljajo za določevanje količine ekvivalentne gama, beta in nevtronske doze, ki so jo delavci prejeli pri delu z ionizirajočim sevanjem. Primer TLD-ja je v prilogi Narejeni so iz neprevodnih trdnih kristalnih snovi (LiF, CaF 2, Li 2 B 4 O 7, CaSO 4 ), ki imajo lastnost, da se atomi pri prehodu ionizirajočega sevanja skozi kristal vzbudijo in ostanejo v tem stanju dokler jih ne segrejemo. Pri segrevanju se atomi vrnejo nazaj v osnovno stanje, pri tem višek energije izsevajo v obliki svetlobe. Osnovnim materialom se dodajo aktivatorji kot nečistoče z elektroni z drugačnimi energijami kot elektroni v osnovnem materialu. Kot primer oznaka LiF (Mg) pomeni, da je magnezij aktivator. Te aktivatorje delimo na elektronske pasti in vrzelne pasti. Elektronska past je nečistoča s premajhnim številom elektronov, da bi tvorile kovalentno vez z okoliškimi atomi. Ta manjkajoči elektron predstavlja vrzel. Če pride elektron iz valenčnega pasa v prevodni pas, postane prosto gibljiv in tako lahko pride do nečistoče, kjer pade v elektronsko past. Elektron ima zdaj manjšo energijo kot jo je imel v prevodnem pasu, vendar večjo kot jo je imel v valenčnem pasu. Vsak termoluminiscentni material ima določeno število različnih nečistoč in tako imajo tudi elektroni teh nečistoč različne energije. Te energije se porazdelijo po različnih nivojih v prepovedanem pasu. Energije bliţe prevodnega pasu imenujemo plitke pasti, tiste bliţe sredini prepovedanega pasu pa globoke pasti. Teh pasti na istem nivoju je več. Elektronsko past bomo v nadaljevanju označili s +. Vrzelna past je nečistoča z več elektroni kot jih potrebuje za tvorjenje kovalentne vezi z okoliškimi atomi. Ta višek elektronov je šibkeje vezan kot tisti, ki tvorijo kovalentne vezi. Tudi njihove energije so malenkost višje kot v valenčnem pasu. Vrzelno past bomo v nadaljevanju označili z e -. 32

47 Slika 2.34: Vzbujanje termoluminiscentnega kristala Ko vzbujeni termoluminiscentni kristal segrevamo, se ujet elektron osvobodi in spodbudi iz pasti v prevodni pas, od koder pade v zapolnjeno vrzelno past. Pri tem pade elektron iz višjega energijskega nivoja na niţji in pri tem odda foton svetlobe valovne dolţine od 300 do 600 nm. Druga moţnost je, da je ujeta vrzel osvobojena in se preko valenčnega pasu premakne v zapolnjeno elektronsko past. Pri tem pade elektron v valenčni pas in pri tem tudi odda foton svetlobe. Temperaturo segrevanja počasi dvigujemo in pri tem s posebno napravo štejemo svetlobne bliske. Globlje so zapolnjene elektronske past, večjo temperaturo potrebujemo za osvoboditev elektronov. Izsevana svetloba je proporcionalna s prejeto dozo. Slika 2.35: Osvobojen elektron 33

48 Slika 2.36: Osvobojena vrzel Nevtronski detektorji lahko merijo hitre ali počasne nevtrone, ne pa obeh. Najbolj so pogosti detektorji počasnih nevtronov, ki se modificirajo, da merijo tudi hitre nevtrone. V glavnem merijo: nevtronski tok (fluks) v n/cm 2 /s (število nevtronov na 1cm 2 v eni sekundi); hitrost doze v Sv/h; energijski spekter; ekvivalentno dozo v Sv. Osnovna detektorja za vse vrste merjenj sta BF 3 in He-3. Oba delujeta kot proporcionalni zaprt detektor in sta občutljiva le za termalne nevtrone. BF 3 detektor je sestavljen iz zaprte aluminijske cevi napolnjene s BF 3 plinom. Podvrţen je nevtron-alfa interakciji: B-10 (n, α) Li-7 B-10 + n Li-7 + α (2.6) Termalni nevtron se zdruţi z atomom B-10. Pri tem nastaneta atom Li-7 in alfa delec, ki se oddaljita v nasprotnih smereh. Ko potujeta po BF 3 plinu, ga ionizirata. Slika 2.37: Nevtronska interakcija v BF 3 plinu He-3 detektorji so bolj popularni kot BF 3, ker je plin manj škodljiv. Na ţalost so pulzi manjši. Sestavljen iz zaprte aluminijske cevi napolnjene s plinom He-3 pod tlakom nekaj barov. Podvrţen je nevtron-proton interakciji: He-3 (n, p) H-3 He-3 + n H-3 + p (2.7) 34

49 Termalni nevtron se zdruţi z atomom He-3. Pri tem nastaneta atom H-3 in proton, ki se oddaljita v nasprotnih smereh. Ko potujeta po He-3 plinu, ga ionizirata. Slika 2.38: Nevtronska interakcija v He-3 plinu Da se hitri nevtroni upočasnijo, se detektor vstavi v moderator oblike krogle iz polietilena ali parafina. V NEK se ti detektorji uporabljajo v prenosnih instrumentih za merjenje nevtronskega sevanja med delovanjem elektrarne v zadrţevalnem hramu in v njegovi neposredni okolici ter za merjenje nevtronskega toka do 10 % moči reaktorja. Primer prenosnega nevtronskega detektorja je v prilogi Za merjenje nevtronskega toka od 10 % do 100 % moči reaktorja se v NEK uporabljajo kompenzirane in nekompenzirane ionizacijske celice. Sestavljene so iz dveh skoraj identičnih ionizacijskih celic. Ena je na notranji strani prevlečena s tanko plastjo bora in se odziva na nevtronsko in gama sevanje, medtem ko je druga celica navadna in se odziva samo na gama sevanje. Elektronika ta dva signala odšteje in rezultat je samo nevtronsko sevanje [3],[5],[8],[10]. 2.7 Mejne vrednosti merilnih kanalov sistema za nadzor sevanja v NEK Sistem za nadzor ionizirajočega sevanja v NEK (RMS) je razdeljen na naslednje podsisteme: sistem za merjenje nivoja ionizirajočega sevanja v sistemskih tekočinah; radiološki sistem za vzorčenje; sistem za merjenje nivoja ionizirajočega sevanja v prostorih; sistem za merjenje nivoja ionizirajočega sevanja v prostorih in tekočinah po nesreči (PARMS). RMS ima glavne funkcije, kot so: opozoriti operativno osebje na vsako zdravju škodljivo sevanje; opozoriti na puščanje iz sistemov, ki vsebujejo radioaktivne snovi; merjenje aktivnosti v izpuščenih tekočinah in plinih; izolirati cevi, v katerih nivo aktivnosti preseţe nastavljeno vrednost; snemanje vrednosti; 35

50 PROSTORI ZRA K PARMS komponente izboljšanje funkcij RMS in dajanje dodatnih informacij med normalnim delovanjem, med nesrečo ali po nesreči; zagotavljati stalen nadzor nivoja gama sevanja v določenih prostorih; zagotavljati vzorce zraka na filtrih. V spodnji tabeli so navedeni vsi radiološki merilni kanali v NEK, njihova lokacija, merilni obseg in mejne vrednosti. Tabela 2.5: Radiološki merilni kanali v NEK Merilni kanal Tip Funkcija Merilni obseg 36 Mejna vrednost kontrolna soba, gama, izolacija R-1 Si 0,025 msv/h ventilacije msv/h R-2 Si zadrţevalni hram, gama 0,8 msv/h msv/h R-3 Si radiokemijski laboratorij, gama 0,02 msv/h msv/h R-4 Si prostor polnilnih črpalk, gama 0,1 msv/h msv/h zgradba za ravnanje z gorivom, R-5 Si 0,4 msv/h gama msv/h zgradba za ravnanje z gorivom R-5.2 IC msv/h 80 msv/h za primer nesreče, gama R-6 Si prostor za vzorčenje, gama 0,2 msv/h msv/h zadrţevalni hram središčna R-7 Si 0,8 msv/h instrumentacija, gama msv/h prostor za polnjenje sodov, R-8 Si 0,4 msv/h gama msv/h R-8.1 Si R-8.2 Si zgradba za dekontaminacijo, μsv/h R-41 Si 100 μsv/h gama msv/h 1 msv/h skladišče starih uparjalnikov, μsv/h R-42 Si 100 μsv/h gama msv/h 1 msv/h R-51 Si 1 msv/h zadrţevalni hram, aerosoli, R-11 Si Bq/m Bq/m 3 ustavi izpust R-12 Si zadrţevalni hram, ţlahtni plini, 3, , Bq/m 3 prostor sušenja odpadkov, prostor sušenja odpadkov, skladišče radioaktivnih msv/h 1 msv/h gama gama odpadkov, gama msv/h msv/h msv/h 10 msv/h 10 msv/h

51 KAPLJEVINE PARMS ustavi izpust 3, Bq/m 3 R-22 NaI zadrţevalni hram, izotopi joda Bq/m Bq/m 3 glavni ventilacijski oddušnik, 3,7-3, R-13 NaI izotopi joda Bq/m Bq/m 3 glavni ventilacijski oddušnik, 3, R-14 Si ţlahtni plini, zapre loputo 3, Bq/m 3 1, Bq/m 3 R-15 GM 1, Bq/m 3 glavni ventilacijski oddušnik, R-21 Si Bq/m Bq/m 3 aerosoli zgradba za dekontaminacijo, R-40 Si Bq/m 3 70 Bq/m 3 partikulati, izolira ventilacijo R-16 NaI 1, Bq/m 3 voda v sistemu za hlajenje R-17 NaI 1, Bq/m 3 za odvod zakasnele toplote) odzračevalnik kondenzatorja, aktivnost destilata uparjalnika komponent,(puščanje sistema puščanje uparjalnikov v sistemu za recikliranje bora reaktorskega hladila ali sistema Bq/m 3 Bq/m 3 Bq/m 3 R-18 NaI R-19 NaI R-20 NaI R-23 NaI R-24.1 R-24.2 R-25.1 R-25.2 IC IC IC IC R-31 NaI R-32 NaI odpadna voda iz WMT v varnostno oskrbno vodo,ustavi izpust tekočinski vzorci iz sekundarne strani uparjalnikov izpust ESW(varnostne bistvene oskrbne vode) kaluţa uparjalnikov,ustavi izpust glavni ventilacijski kanal, ţlahtni plini, jodi, partikulati,beta glavni ventilacijski kanal. ţlahtni plini, jodi, partikulati, beta za primer nezgode oddušnik ejektorskega odzračevalnika kondenzatorja, ţlahtni plini,beta oddušnik ejektorskega odzračevalnika kondenzatorja, ţlahtni plini,beta (nezgoda) na parovodu zanka A, puščanje uparjalnika, N16 na parovodu zanka B, puščanje uparjalnika, N Bq/m 3 1, Bq/m Bq/m 3 4, Bq/m Bq/m 3 1, Bq/m Bq/m 3 4, Bq/m 3 3, ,05 10 Bq/m 3-3, Bq/m 3 8, Bq/m 3 3, Bq/m 3 3, , Bq/m 3-3, Bq/m 3 2, Bq/m 3 3, Bq/m 3 3, , Bq/m 3 3, Bq/m 3 5, Bq/m 3 3, , Bq/m 3-3, Bq/m 3 9, Bq/m 3 3, Bq/m 3 > 5000 cps > 5000 cps 200 cps 230 cps 400 cps 140 cps 200 cps 400 cps R-9, IC zadrţevalni hram za primer 0, ,06 Gy/h 37

52 R10 nezgode, gama Gy/h 10 Gy/h 3, ,06 Gy/h R-26 IC monitor puščanja goriva,gama 3, Bq/m 3 10 Gy/h R-33, izpust preko PORV(puščanje 3, , Bq/m 3 IC R-34 uparjalnika) 3, Bq/m 3 1, Bq/m 3 beta monitor ventilacije pomoţne 3, R-27 scinti- zgradbe, ţlahtni plini, 3, Bq/m 3 5, Bq/m 3 lator partikulati, beta R-28 PS-100 A, B, C beta scintilator GM ventilacija zgradbe za rokovanjem z gorivom, ţlahtni plini, partikulati, beta glavni ventilacijski kanal, jodi, partikulati, za primer nezgode 3, , Bq/m 3 2, Bq/m 3 0,1 1 mgy/h 10 9 Bq/m 3 1, Bq/m Bq/m 3 Pojasnilo: GM Geiger-Muellerjev števec, NaI scintilator, IC ionizacijska celica, Si polprevodniški detektor. 38

53 3 PREDSTAVITEV NEK 3.1 Opis NEK NEK deluje podobno kot klasična termoelektrarna na fosilna goriva, vendar izvor toplote ni gorenje premoga ali plina, temveč se toplota sprošča ob cepitvi uranovih jeder v reaktorju. Reaktor sestavlja reaktorska posoda z gorivnimi elementi, ki tvorijo sredico. Skozi reaktor kroţi prečiščena navadna voda pod tlakom, ki odvaja sproščeno toploto v uparjalnika. V uparjalnikih nastaja para, ki poganja turbino, ta pa električni generator. Vsa oprema reaktorja in pripadajočega primarnega hladilnega kroga se nahaja v reaktorski zgradbi, ki ji zaradi njene funkcije pravimo tudi zadrţevalni hram. Slika 3.1: Poenostavljena shema NEK [12] Reaktorska posoda, v kateri so gorivni elementi, je med obratovanjem zaprta. Za načrtovano menjavo goriva je potrebno elektrarno zaustaviti. Obdobje med dvema menjavama goriva imenujemo gorivni ciklus, ki v NEK traja 18 mesecev. Po zaključku vsakega gorivnega ciklusa se izrabljeni gorivni elementi nadomestijo s sveţimi. 39

54 Tehnološki del jedrske elektrarne je razdeljen v tri osnovne termodinamične sklope sistemov: primarni sistemi; sekundarni sistemi; terciarni sistemi. Ker v vseh treh sklopih sistemov, ki so med seboj ločeni, kroţi voda, jih lahko zaradi laţjega razumevanja poimenujemo tudi krogi. Prva dva kroga sta sklenjena, tretji pa je, ker za ohlajanje pare uporabljamo savsko vodo, povezan z okoljem. Primarni krog sestavljajo: reaktor, uparjalnika, reaktorski črpalki, tlačnik in cevovodi. Toplota, ki se sprošča v sredici reaktorja, segreva vodo, ki kroţi v primarnem krogu. Toplota vode se preko sten cevi v uparjalnikih prenese na vodo sekundarnega kroga. Kroţenje vode v primarnem krogu omogočata reaktorski črpalki. Tlačnik vzdrţuje tlak v primarnem krogu in preprečuje vrenje vode v sredici. Vse komponente primarnega kroga so nameščene v zadrţevalnem hramu, ki ima nalogo, da tudi v primeru nezgode izolira primarni sistem od okolja. Sekundarni krog sestavljajo: uparjalnika, turbine, generator, kondenzator, napajalne črpalke in cevovodi. Uparjalnika sta v bistvu parna kotla, v katerih iz vode sekundarnega kroga nastaja para, ki odteka v turbino. V turbini se energija pare pretvarja v mehansko energijo. To energijo generator pretvori v električno energijo in jo preko transformatorjev oddaja v elektroenergetsko omreţje. Izrabljena para iz turbine odteka v kondenzator, kjer se v stiku s hladnimi cevmi kondenzatorja spremeni v vodo. Napajalne črpalke potiskajo vodo iz kondenzatorja nazaj v uparjalnik, kjer ponovno nastaja para. Terciarni krog sestavljajo: kondenzator, hladilne črpalke, hladilna stolpa in cevovodi. Terciarni krog je namenjen odvajanju toplote, ki je ni mogoče koristno izrabiti za proizvodnjo električne energije in je potreben za hlajenje kondenzatorja. Hladilne črpalke potiskajo savsko vodo v kondenzator ter vračajo v Savo. Pri pretoku skozi kondenzator se savska voda segreje, ker sprejme toploto izrabljene pare. Ker segrevanje savske vode lahko vpliva na biološke lastnosti reke Save, upravne omejitve določajo dovoljen prirastek temperature in deleţ odvzetega pretoka. V primeru neugodnih vremenskih razmer se uporabljajo hladilni stolpi. V izjemno neugodnih vremenskih razmerah je treba zniţati moč elektrarne. Varnostni sistemi preprečujejo nekontrolirano sproščanje radioaktivnih snovi v okolje. Jedrski varnosti je ţe v fazi načrtovanja reaktorja in projektiranja elektrarne namenjena velika pozornost. Projektirani so varnostni sistemi, ki v vseh obratovalnih stanjih, tudi v primeru odpovedi določene opreme, zagotavljajo varnostne funkcije. Jedrska elektrarna se nahaja v varnem stanju, če so v vsakem trenutku izpolnjeni trije osnovni varnostni pogoji: učinkovit nadzor nad močjo reaktorja; hlajenje jedrskega goriva v reaktorju; zadrţevanje radioaktivnih snovi (onemogočeno sproščanje radioaktivnih snovi v okolje). 40

55 Sproščanje radioaktivnih snovi v okolje preprečujejo 4 zaporedne varnostne pregrade: Prva pregrada je samo jedrsko gorivo (tabletke jedrskega goriva), ki zadrţuje radioaktivne snovi v sebi. Druga pregrada je srajčka, ki obdaja gorivne tabletke in preprečuje pobeg radioaktivnih plinov iz goriva. Tretja pregrada je meja primarnega sistema (stene cevi, reaktorske posode in drugih primarnih komponent), ki zadrţuje radioaktivno vodo za hlajenje reaktorja. Četrta pregrada je zadrţevalni hram, ki hermetično ločuje primarni sistem od okolja. Osnovni cilj prvih treh pregrad je, da preprečijo prehod radioaktivnih snovi do naslednje pregrade, četrta pregrada pa preprečuje neposredno sproščanje radioaktivnih snovi v okolje jedrske elektrarne. Ker je delovanje varnostnih sistemov v primeru napake in odpovedi ali celo malo verjetne nezgode v jedrski elektrarni izjemnega pomena, so vsi varnostni sistemi podvojeni (jedrska elektrarna ima dve progi varnostnih sistemov). Za izpolnjevanje varnostnih pogojev in ohranjanje varnostnih pregrad je vedno dovolj delovanje samo ene proge varnostnih sistemov. Poleg tega se vsi varnostni sistemi oziroma njihove posamezne naprave med obratovanjem elektrarne in med rednim remontom sistematično testirajo. Tehnični podatki NEK so podani v spodnji tabeli. Tabela 3.1: Tehnični podatki NEK Elektrarna Tip reaktorja: Lahkovodni tlačni reaktor Toplotna moč reaktorja: 1994 MW Električna moč na sponkah generatorja: 727 MW Moč na pragu elektrarne: 696 MW Toplotni izkoristek: 35 % Gorivo Število gorivnih elementov: 121 Število gorivnih palic v gorivnem elementu: 235 Razporeditev gorivnih palic: 16 x 16 Dolţina gorivnih palic: 3,658 m Debelina srajčke: 0,572 mm Gradivo srajčke: Zircaloy-4 Kemična sestava goriva: UO2 Premer tablete goriva: 8,192 mm Dolţina tablete goriva: 13,46 mm Skupna količina urana: 48,7 t Reaktorsko hladilo Snov: H2O Dodatki: H3BO3 Število hladilnih zank: 2 Skupni masni pretok: 9220 kg/s Tlak: 15,41 MPa (157 ata) 41

56 Celotna prostornina: 197 m3 Temperatura na vstopu v reaktor: 287 C Temperatura pri izstopu iz reaktorja: 324 C Število črpalk: 2 Zmogljivost črpalke: 6,3 m3/s Moč motorja črpalke: 5,22 MW Regulacijske palice Število regulacijskih sveţnjev: 33 Število absorpcijskih palic v sveţnju: 20 Celotna teţa regulacijskega sveţnja: 53,07 kg Nevtronski absorber: Ag-In-Cd Odstotna sestava: % Uparjalnik Material: INCONEL 690 TT Število uparjalnikov: 2 Tlak pare pri izstopu: 6,5 MPa (63,5 ata) Temperatura pare pri izstopu: 280,1 C Temperatura napajalne vode pri vstopu: 219,4 C Masni pretok pare iz obeh uparjalnikov: 1090 kg/s Višina uparjalnika: 20,6 m Teţa uparjalnika: 345 t Število U-cevi v uparjalniku: 5428 Celotna površina prenosa toplote: 7177 m2 Zunanji premer U-cevi: 19,05 mm Debelina U-cevi: 1,09 mm Turboagregat Maksimalna moč: 727 MW Pretok pare: 1090 kg/s Vstopni tlak sveţe pare: 6,2 MPa (63 ata) Temperatura sveţe pare: 275,5 C Vrtilna hitrost turbine: 157 rad/s (1500 vrt./min) Vlaţnost pare ob vstopu: 0,46 % Kondenzacijski tlak (vakuum): 5,1 kpa (0,052 ata) Povprečna temperatura kondenzata: 33 C Število glavnih napajalnih črpalk: 3 Zmogljivost napajalne črpalke: 50 % Nazivna moč generatorja: 813 MVA Nazivna napetost: 21 kv Nazivna frekvenca generatorja: 50 Hz Nazivni cos ø: 0,85 Transformatorji Blokovna transformatorja Nazivna moč: Prestavno razmerje: Transformatorja lastne rabe Maksimalno dovoljena trajna moč: 42 1 x 500 MVA 1 x 400 MVA 21/400 kv 2 X 30 MVA

57 Pomoţni transformator Maksimalno dovoljena trajna moč: Prestavno razmerje: 60 MVA 105/6,3/6,3 kv Razpored zgradb in opreme NEK je razloţen na spodnji sliki. Slika 3.2: Razpored zgradb in opreme NEK [12] 1 reaktorska zgradba (RB) 10 iztočna zgradba 2 pomoţna zgradba (AB) 11 stikališče 3 zgradba za ravnanje z gorivom (FHB) 12 skladišče rezervnih delov 4 zgradba za hlajenje komponent (CCB) 13 jez na Savi 5 turbinska zgradba (TB) 14 skladišče za radioaktivne odpadke 6 stavba usposabljanja in simulator (SU) 15 zgradba zasilnih dizel generatorjev (DG) 7 črpališče bistvene oskrbne vode (ESW) 16 recepcija 8 hladilni stolpi (CT) 17 upravna zgradba 9 vtočna zgradba 18 skladišče starih uparjalnikov [12] 3.2 Nastanek radioaktivnih snovi v NEK Med obratovanjem nuklearne elektrarne, zaradi veriţne jedrske reakcije in njenih produktov, kakor tudi zaradi posredne aktivacije (korozijski produkti ) in zaradi raznih vzdrţevalnih del, nastajajo različne odpadne snovi, ki so lahko v tekočem, trdnem ali 43

58 plinastem agregatnem stanju. Če so primesi radionuklidov v njih nad predpisanimi vrednostmi, se odpadna snov obravnava kot radioaktivni odpad (RAO). RAO razvrščamo na zelo nizko radioaktivne (ZNRAO), nizko in srednje radioaktivne (NSRAO) in visoko radioaktivne (VRAO). Med ZNRAO uvrščamo prehodno radioaktivne odpadke, ki doseţejo opustitev nadzora v manj kot petih letih. NSRAO so odpadki, ki nimajo toplotne moči in jih delimo na kratkoţive in dolgoţive. Med NSRAO spadajo stisljivi odpadki, osebna zaščitna oprema, plastika, izrabljeni filtri iz tehnoloških sistemov, ionske mase, koncentrat izparilnika, pepel po pripravi za skladiščenje in ostalo. VRAO imajo toplotno moč, zato jih moramo več let hladiti. Mednje spada izrabljeno nuklearno gorivo. RAO delimo še glede na agregatno stanje. Plinasti RAO so mešanica plinov, ki izhaja iz primarnega sistema ali iz izrabljenega goriva in vsebuje radionuklide ţlahtnih plinov ali drugih elementov v obliki hlapov in aerosolov. Tekoči RAO so tekočine, kontaminirane z radionuklidi, katerih koncentracija presega vrednost za odpravo radiološkega nadzora. Ti odpadki predstavljajo pomemben deleţ glede na količino, zato jih čistimo v izparilnikih, ionskih izmenjevalcih in preko filtrov. Trdni RAO so odpadne snovi, med katere uvrščamo solidificirane in enkapsulirane RAO, filtre, plastiko, papir, cunje, osebno zaščitno opremo, orodje in strojne dele. [13] V kontroliranem območju NEK lahko pride do kontaminacije zraka z radioaktivnimi plini ali aerosoli. Plini lahko nastanejo v zgradbi za ravnanje z gorivom iz potencialno poškodovanega goriva, v pomoţni zgradbi iz cevovodov s primarnim hladilom ali iz zbiralnikov za razpad plinov in v zadrţevalnem hramu ob slučajnem puščanju primarnega sistema. Aerosoli pa lahko izvirajo iz vseh kontaminiranih sistemov, ob vzdrţevalnih delih in pri ravnanju z RAO. Sistem ventilacije v tehnološkem delu NEK ima pomembno vlogo pri delovanju cele elektrarne. Sistem filtrira, meša, greje in hladi zrak. Zagotavlja ugodno delovno atmosfero kot tudi prave pogoje za opremo. Ventilacija tudi preprečuje razširitev radioaktivne kontaminacije zraka v okolje in zmanjšuje njeno koncentracijo v prostorih v primeru radioloških nesreč. Ventilacija radiološko kontroliranega območja je razdeljena na pomoţno zgradbo, kontaminiran del kontrolne zgradbe, zgradbo za ravnanje z gorivom, prostore z varnostnimi črpalkami, zadrţevalni hram, vmesni prostor (prostor okoli zadrţevalnega hrama) in zgradbo za dekontaminacijo. Vse te ventilacije imajo na izhodu grobe partikulatne filtre, fine partikulatne filtre (HEPA) in oglene filtre za čiščenje potencialno kontaminiranega zraka. Zadrţevalni hram je med delovanjem elektrarne hermetično zaprt, zato ventilacija samo hladi atmosfero. Izpusti iz zadrţevalnega hrama so le v primeru povečanega pritiska ter strogo nadzorovani s strani elektrarne in drţavnih institucij. V atmosferi zadrţevalnega hrama se kontinuirano meri prisotnost radioaktivnih partikulatov, plinov in jodov ter vsebnost vodika. Zgradba za dekontaminacijo je popolnoma ločena od elektrarne in ima svojo ventilacijo in oddušnik z lastnim merilnim kanalom radioaktivne kontaminacije zraka. V vmesnem prostoru se vzdrţuje podtlak glede na okolje, da se prepreči uhajanje radioaktivnih snovi v zraku v okolje. Nasprotno je v komandni sobi, kjer se vzdrţuje nadtlak in kjer zrak kroţi preko oglenih filtrov, da se zaščiti operativno osebje. 44

59 Ventilacije pomoţne zgradbe, zgradbe za ravnanje z gorivom in prostorov varnostnih črpalk morajo zagotavljati naslednje zahteve [14]: omogočati ugodno klimo za ljudi in opremo (v pomoţni zgradbi med 16 C in 40 C); zagotavljati tok zraka iz območij z niţjo kontaminacijo na območja z višjo; zagotavljati ustrezen podtlak glede na okolje (v pomoţni zgradbi najmanj 0,392 bar glede na okolje); zmanjšati koncentracijo radioaktivnih snovi v prostorih z recirkulacijo kot tudi pri izpustih v okolje preko grobih, finih in oglenih filtrov; omogočati meritve in kontrolo pri izpustih v okolje; vsebovati morajo vso potrebno instrumentacijo za merjenje in kontrolo hlajenja, gretja, pretokov in filtracije; kjer je predpisano, morajo imeti redundančno opremo; vsebovati morajo instrumentacijo za merjenje in shranjevanje podatkov pretokov in koncentracije radioaktivnih snovi v zraku. 45

60 4 PREDSTAVITEV MERILNIKOV ZA NADZOR PARTIKULATOV, ŢLAHTNIH PLINOV IN JODOV V ATMOSFERI ZADRŢEVALNEGA HRAMA IN V GLAVNEM IZPUSTNEM KANALU VENTILACIJSKEGA SISTEMA (PING206-S, V NADALJEVANJU PING) Skupini merilnih kanalov za nadzor partikulatov, ţlahtnih plinov in jodov v atmosferi zadrţevalnega hrama in v glavnem izpustnem oddušniku ventilacijskega sistema sta dva identična sklopa naprav s to razliko, da ima sklop R-11, R-12 in R-22 vgrajeno še dodatno neodvisno partikulatno/jodno vzorčno linijo za jemanje vzorcev za laboratorijsko analizo. Zaradi te dodatne linije ima ta sklop tudi zmogljivejšo črpalko. V nadaljevanju bo zato obravnavan le sklop za nadzor atmosfere zadrţevalnega hrama. Konfiguracija PING omogoča kontinuiran monitoring kontaminacije zraka z radioaktivnimi partikulati, ţlahtnimi plini in jodi. Je del sistema za nadzor sevanja RAMSYS proizvajalca MGP Instruments, Synodys Group. Monitor je sestavljen iz treh detekcijskih plinsko zaporedno vezanih podsestavov: ABPM201 alfa in beta partikulatni monitor (kanal R-11, R-21); IM201 jodni monitor (kanal R-22, R13); NGM204 monitor ţlahtnih plinov (kanal R-12, R-14) z dinamično kompenzacijo ozadja. Vsak kanal ima svojo procesno enoto (LPU local processing unit), ki je povezana na skupno prikazovalno enoto (LDU local display unit). LDU sluţi za: vizualno in zvočno signalizacijo; s pomočjo prikazovalnika je moţno nadzirati različne parametre in meritve; skrbi za krmiljenje ventilov in črpalke; preko RS232 priključka je moţna priključitev prenosnega računalnika, za izvedbo nastavitev, nadzor in kalibracijo; jodni kanal ima vgrajen spektralni analizator za enostavno identifikacijo izotopov. Za transport vzorca preko detekcijskih enot ima sistem vgrajeno vakuumsko črpalko. LPU-je delimo na LPU/SAS (pretvarja detektorski signal v 1024 kanalni spekter) in LPU/PIPS (detektorski signal loči na alfa, beta in gama spektre glede na energije sevanj). 46

61 Slika 4.1: Blokovni diagram PING, P partikulatni monitor, I jodni monitor, NG monitor ţlahtnih plinov, TI testni izvor (Cs-137), MP merilec pretoka, PIS partikulatno/jodna vzorčna linija, TP tlačni pretvornik Alfa in beta partikulatni monitor je namenjen kontinuiranemu merjenju alfa in beta volumetrične aktivnosti radioaktivnih partikulatov v zraku. Enota vsebuje: detekcijsko enoto sestavljeno iz para silicijskih detektorjev povezanih s predojačevalci; filtrsko enoto, ki lovi partikulate; lokalno procesno enoto (LPU/PIPS), ki: obdeluje pulze iz detektorjev; generira prikaz meritve, napak in alarmov; upravlja pnevmatski tokokrog (napaja in odčitava masni merilec pretoka, da lahko izračunava aktivnost na enoto volumna ter odčitava tlačni stikali pred in po filtru, da ugotavlja status filtra); upravlja premike filtrskega traku. Detekcijska enota je postavljena neposredno pred filtrom. Ohišje je iz nerjavečega jekla, da se zmanjšajo izgube parikulatov zaradi hrapave površine. Izmerjeno vrednost masnega pretoka uporablja algoritem za izračun volumetrične aktivnosti direktno v Bq/m 3. Sekvenčno premikajoči se filtrski trak lovi partikulate iz zraka. Filtrski trak, ki ga premika poseben mehanizem, zadostuje za pribliţno dva meseca delovanja. 47

62 Tlačni stikali pred in za filtrskim trakom sluţita za določevanje padca tlaka na filtru. Če se trak pretrga, je padec tlaka premajhen in LPU javi napako. Če pa se trak nasiči s partikulati, je padec tlaka prevelik in izvede se premik filtrskega traku. Silicijska detektorja sta postavljena eden za drugim pred filtrom. Prvi detektor meri alfa, beta in gama sevanje, drugi pa meri le gama sevanje depozitov na filtru in okoljskega ozadja. To omogoča dinamično kompenzacijo gama ozadja. Med prvim detektorjem in filtrom je vgrajena posebno oblikovana radialna mreţa, ki prepušča samo alfa delce iz filtra, alfa sevalce iz naravnega ozadja (radon in torij) pa zadrţi. Mreţa prepušča samo tiste alfa delce, ki se gibljejo pravokotno na prvi detektor. Jodni monitor kontinuirano meri volumetrično aktivnost radioaktivnega joda (I-131) v zraku. Enoto sestavljajo: Detekcijska enota, ki je sestavljena iz vzorčevalne enote s filtrsko kartušo napolnjeno z aktivnim ogljem, NaI detektorja, fotopomnoţevalke in integriranega Am-241 izvora. Lokalna procesna enota (LPU/SAS), ki pretvarja in procesira detektorski signal v 1024 kanalni spekter, generira prikaz meritve, napak in alarmov ter napaja in odčitava masni merilec pretoka, da lahko izračunava aktivnost na enoto volumna. Detektor in filtrska kartuša sta zaprta v 5 cm debel svinčen ščit, ki močno zmanjša vpliv okoljskega gama sevanja na meritev. Filtrsko kartušo lahko menjamo s pomočjo posebnega dvigala, ki pritisne filter ob detektor. S tem doseţemo tudi tesnjenje pnevmatskega kroga. Detektor je NaI kristal povezan s fotopomnoţevalko in obrnjen proti aktivni strani filtrske kartuše. Integriran Am-241 izvor sluţi za stabilizacijo energijskega spektra glede na nihanje temperature ali ojačitve signala v fotopomnoţevalki. Učinkovitost oglene filtrske kartuše je med 99 in 100 % pri pretoku zraka 35 l/min. Monitor ţlahtnih plinov je namenjen kontinuirani meritvi beta sevanja radioaktivnih ţlahtnih plinov. Enota vsebuje: detekcijsko enoto z dvema silicijskima detektorjema in predojačevalcem, ki so zaprti v 5 cm debelem svinčenem ščitu lokalno procesno enoto (LPU/PIPS), ki procesira pulze iz detektorjev, prikazuje meritev in generira tri digitalne izhode za napake in alarme Detektorja merita aktivnost plina v komori z nespremenljivim volumnom, skozi katero teče zrak s pretokom 35 l/min. Detektorja delujeta na isti način kot pri partikulatnem monitorju, le da sta od komore ločena s titanovo membrano, ki preprečuje kontaminacijo detektorjev. Tudi tu je omogočena dinamična kompenzacija gama ozadja. Tlačni pretvornik meri tlak na mestu detekcije in pošilja tokovni signal 4 do 20 ma do LPU/PIPS. Tu se signal procesira in uporabi pri algoritmu volumetrične aktivnosti za korekcijo meritve zaradi vakuumskega efekta na plin. Partikulatno/jodna vzorčevalna enota vsebuje ročno vstavljena partikulatni (papir) in jodni (ogleni) filter, ki se tedensko zamenjata in izmerita v radiokemijskem laboratoriju. 48

63 Slika 4.2: Razpored enot na PING-u [16] 4.1 Fizična postavitev, plinske in komunikacijske povezave PING ter običajne kartice v LPU-ju Sklop R-11, 12, 22 je postavljen v pomoţni stavbi na elevaciji 107 na juţnem obronku zadrţevalnega hrama. Vzorec zraka jemlje iz sistema za recirkulacijo zraka v zadrţevalnem hramu, vrača pa ga v atmosfero zadrţevalnega hrama. Sklop R-13, 14, 21 pa je postavljen v pomoţni stavbi na elevaciji 115 na jugovzhodnem obronku zadrţevalnega hrama. Vzorec zraka jemlje iz glavnega oddušnika ventilacije in ga tja tudi vrača. Slika 4.3: Postavitev obeh sklopov PING [16] 49

64 Slika 4.4: Plinske povezave sklopov PING [16] Detektorji so s svojimi LPU-ji povezani z 19 ţilnimi kabli, po katerih dobijo detektorji napajanje, LPU-ji pa podatke o delovanju detektorja, meritvi in temperaturi. Vsak LPU je povezan s svojo dislocirano prikazovalno enoto (RDU) na kabinetu v glavni komandni sobi. Med LPU-ji, LDU-ji, RDU-ji in centralnim računalnikom so asinhrone serijske povezave RS 485, ki so lahko dolge največ 1200 m. Za potrebe testiranj in umerjanj se uporablja prenosni računalnik in povezava RS 232, s katero se lahko priklopimo na LDU ali RDU. Uporabljen je komunikacijski protokol MODBUS/JBUS, ki omogoča priklop do 255 enot. 50

65 Slika 4.5: Komunikacijske povezave LPU je osnovni element RAMSYS sistema. Njegova glavna naloga je procesiranje podatkov dobljenih od detektorja, katerega tudi nadzira. LPU tudi shranjuje zgodovinske trende meritev in upravlja z enim ali dvema RS 485 linijama. Funkcije LPU-ja so: pridobivanje in ojačitev detektorskih pulzov; predstavitev meritev v prej določenih enotah; aktiviranje alarmov radiacije ali napak opreme; shranjevanje dogodkov (napake, alarmi, ukazi, spremembe parametrov) v trajen spomin; shranjevanje meritev vsako minuto (10 let); shranjevanje internih parametrov (10 let); izvajanje lastnih testov (napajalnik, temperatura, nizka napetost, elektronika, emulacija (elektronska simulacija radioaktivnega sevanja); upravljanje z do dvema RS 485 linijama in tremi izhodnimi alarmnimi releji. LPU sestavlja napajalnik, komunikacijsko vodilo (G 96), električni priključki in različne kartice (napajalni modul, procesna kartica, merilna kartica, kartica lokalnih vmesnikov). Merilne kartice delimo glede na tip detektorja: alfa-beta, silicijski, NaI, ionizacijska celica, proporcionalni ali GM. 51

66 Slika 4.6: Sestava LPU-ja [16] 52

67 5 MERITVE 5.1 Alfa in beta partikulatni kanal (ABPM) Radioaktivni partikulati se ujamejo na filtru, kjer jih detektira silicijski detektor in proizvede pulze proporcionalne energiji partikulatov. Predstavitev različnih energij je prikazana na spodnjem diagramu. Slika 5.1: Spekter energij ABPM [15] Alfa-beta merilna kartica obsega natančno izbrana okna, v katera se razvrstijo pulzi glede na energijo in tako se določi izvor izmerjene aktivnosti. Pri ABPM-ju se običajno določi okno za vse beta energije, umetne alfe in tri okna za potomce radona. Za neto volumetrično vrednost aktivnosti umetnih sevalcev je potrebno odšteti gama ozadje in vrednost potomcev radona, ki je naravni sevalec. Potomci radona so beta in alfa sevalci. Algoritem za izračun beta volumetrične aktivnosti uporablja število pulzov v beta oknu, od katerega odšteva število pulzov drugega detektorja, ki meri samo gama sevanje, in število pulzov v Po-212 in Po-214 oknih. Volumetrična aktivnost na vseh treh enotah se izraţa z enoto Bq/m 3. Algoritem za izračun alfa volumetrične aktivnosti pa uporablja število pulzov v oknu umetnih alf, od katerega odšteva število pulzov v Po-218 oknu. Oba algoritma upoštevata še rezultat meritve pretoka zraka preko filtra. 53

68 Slika 5.2: Kompenzacija beta in alfa volumetrične aktivnosti s potomci radona [15] 5.2 Jodni kanal Radioaktivni jod (I-131) se ujame na oglenem filtru. Izkoristek tega filtra je 99,99 %. NaI detektor pretvori samo gama sevanje ujetih sevalcev v pulze, ki so proporcionalni energiji teh sevalcev. Energija gama ţarkov I-131 je 364 kev. Predstavitev različnih energij je prikazana na spodnjem diagramu. Slika 5.3: Gama spekter jodnega kanala [15] Glavno okno, ki zajema vrh joda I-131, meri specifično samo ta izotop. Sosednji okni sluţita kompenzaciji gama ozadja. Vrh vgrajenega izotopa Am-241 sluţi za neprestano energijsko korekcijo celotnega spektra. Spekter se premakne, če se spremeni temperatura NaI detektorja. Am-241 je primešan NaI kristalu po celem volumnu in na spektru se vidi vrh alfa energije Am-241 (5.49 MeV), ki je ekvivalentna gama energiji. Algoritem za izračun volumetrične aktivnosti joda uporablja število pulzov v glavnem oknu in rezultat meritve pretoka zraka skozi filter. 54

69 5.3 Monitor ţlahtnih plinov Vzorčen zrak teče skozi komoro velikosti 300 cm 3, kjer ga meri silicijski detektor. Detektor je zaščiten z zelo tanko membrano, ki mu omogoča merjenje nizkih energij beta sevanja. Gama ozadje se kompenzira na isti način kot pri ABPM-ju. Monitor ţlahtnih plinov je namenjen merjenju beta aktivnosti ţlahtnih plinov. Algoritem za izračun volumetrične aktivnosti ţlahtnih plinov uporablja število pulzov v beta oknu prvega detektorja, število pulzov v gama oknu drugega detektorja, rezultat meritve pretoka zraka skozi komoro (uporablja merilnik pretoka od jodnega monitorja) in rezultat meritve tlaka v komori. PING prikazuje volumske aktivnosti in generira svetlobne in zvočne alarme, če je kateri od prednastavljenih pragov preseţen. To se izvaja ciklično; običajni merilni cikel traja od 3 do 5 sekund. Vsak cikel LPU prenaša vsa merjenja in statuse do LDU, ki lokalno prikazuje meritve in alarme. 5.4 Program MASS MASS med normalnim obratovanjem ni potreben. Naloţen je na glavnem računalniku in na prenosnih računalnikih. Uporaben je za spremljanje delovanja posameznih monitorjev, testiranje, priklic shranjenih meritev in dogodkov, spreminjanje parametrov in nastavitev ter za elektronsko in fizikalno umerjanje. Program ima moţnost štirih nivojev dostopa: operater, vzdrţevalec, vodja in proizvajalec. Z najvišjim nivojem dostopa imamo moţnost spreminjanja vseh nastavitev, z najniţjim nivojem pa lahko le spremljamo podatke. V glavnem pogledu vidimo shemo topologije posameznih monitorjev in njihovih merilnih kanalov. Na desni strani so prikazane meritve s številko in enoto, barva pa označuje delovanje ali stopnjo alarma. Do podrobnih podatkov in nastavitev posameznih monitorjev in kanalov dostopamo z desnim klikom na miški. 55

70 Slika 5.4: Glavni pogled v programu MASS [21] 5.5 Vloga rezultatov meritev PING-a v nadzornem sistemu NEK Monitorja R-11 in R-12 ob visokem alarmu injicirata zaprtje vhodne in izhodne lopute prezračevalnega sistema zadrţevalnega hrama ter ventile za razbremenitev zadrţevalnega hrama, izvede se izolacija zadrţevalnega hrama. Slika 5.5: Ventili za izolacijo zadrţevalnega hrama [16] Monitor R-14 ob visokem alarmu injicira zaprtje izhodnega ventila sistema za predelavo odpadkov. 56

71 Slika 5.6: Izhodni ventil sistema za predelavo odpadkov [16] V glavni komandni sobi so RDU-ji postavljeni v skupnem kabinetu radiološkega monitoringa. RDU-ji sluţijo prikazu rezultatov meritev, prikazu različnih stopenj alarmov in napak, vklapljanju in izklapljanju črpalk in testnih izvorov ter priključitvi prenosnega računalnika. Vsi alarmi in napake so povezani tudi na skupno alarmno okno pri operaterju. Ko operater pri sebi dobi alarm, pogleda na kabinet radiološkega monitoringa za natančnejše informacije in ukrepa po postopku. Prav tako so vsi RDU-ji povezani na skupen digitalen snemalnik in na sistem za informacije o procesih. Slika 5.7: RDU-ji in alarmno okno v glavni komandni sobi [21] 57

72 Slika 5.8: Instrumentacijske povezave obeh PING-ov [16] Slika 5.9: Prikaz na sistemu za informacije o procesih [21] 58

73 Izmerjene vrednosti obravnavanih kanalov preberemo na sistemu za informacije o procesih med normalnim delovanjem elektrarne na 100% moči. Če te rezultate primerjamo z mejnimi vrednostmi iz tabele 2.5 vidimo, da so vse vrednosti izpod nastavljenih mejnih alarmnih vrednosti in so zato obarvane zeleno. V nasprotnem primeru bi bile vrednosti obarvane magentno. Primerjava je podana v tabeli 5.1. Tabela 5.1: Primerjava izmerjenih vrednosti zraka z mejnimi vrednostmi med normalnim obratovanjem elektrarne Merilni kanal Mejna vrednost Izmerjena vrednost [Bq/m 3 ] [Bq/m 3 ] Normalno stanje R Da R-12 1, , Da R Da R Da R-14 1, Da R Da Kanala R-12 in R-14 merita ţlahtne pline. R-12 ima povišano vrednost zaradi ţlahtnega plina Ar-41, ki nastaja v zadrţevalnem hramu pri normalnem delovanju elektrarne z interakcijo Ar-40 iz zraka s termalnimi (počasnimi) nevtroni iz reaktorja. R-14 pa ima povišano vrednost zaradi naravnih ţlahtnih plinov. Detekcijska meja za ţlahtne pline je običajno okoli 1, Bq/m 3. Zaradi povečanega tlaka v zadrţevalnem hramu pride občasno do potrebe po razbremenitvi zadrţevalnega hrama. Ker je v atmosferi zadrţevalnega hrama med normalnim delovanjem več radioaktivnih plinov, je potrebno tak izpust strogo nadzorovati. Pred izpustom radiološka sluţba in sluţba kemije popišejo rezultate meritev R-11, R-12 in R-22, na nastavkih na PING-u vzamejo vzorce partikulatov, jodov in plinov, katere izmerijo v laboratoriju, primerjajo rezultate in napišejo posebno dovolilnico za kontroliran izpust. V dovolilnici se predpiše hitrost izpusta, da se ne preseţe zakonskih okoljskih omejitev. Med samim izpustom se redno spremlja meritve PING-a. Če bi slučajno prišlo do povečane aktivnosti atmosfere zadrţevalnega hrama, se izpust prekine. Med delovanjem elektrarne pa dajeta oba PING-a operaterjem informacije o morebitnem puščanju primarnega in/ali pomoţnih sistemov, pobegu radioaktivnih snovi med vzdrţevalnimi deli in puščanju rabljenega goriva med menjavo ali skladiščenjem [11], [15-17]. 59

74 6 VZDRŢEVANJE IN UMERJANJE PING-A 6.1 Redno in korektivno vzdrţevanje ter nadzorno testiranje Pod redno vzdrţevanje PING-a štejemo tedensko menjavo partikulatnega in jodnega filtra v PIS enoti, tedenski pregled črpalke in dnevno spremljanje vrednosti meritev aktivnosti in pretoka. Če se pretok zniţa ali se prične niţati, so vzroki za to lahko sledeči: počena membrana na črpalki, zamašen partikulatni filterski trak, zamašen partikulatni in/ali jodni filter v PIS enoti, zamašen jodni filter v jodnem monitorju ali pokvarjen merilec pretoka. Pri vseh teh odstopanjih se opravi korektivno vzdrţevanje (zamenjava ali popravilo). Nadzorno testiranje se opravlja enkrat na mesec, pri čemer potrebujemo: prenosni računalnik s programom MASS in povezovalnim RS232 kablom, atestiran merilnik pretoka, termometer in digitalni multimeter. S prenosnim računalnikom se poveţemo z ustreznim RDU-jem v glavni komandni sobi, zaţenemo program MASS, vpišemo geslo in izberemo ustrezen kanal. Nabor testov je za vse tri detektorje enak. Pod nadzorno testiranje štejemo: električni test; test napak; test prikazovalnika, alarmov in akcij (emulacija); test piskača in alarmnih lučk; preverjanje odziva na testni izvor; preverjanje notranje napajalne enote; test digitalnih izhodov; simulacija napake temperature; simulacija napake napajanja; preverjanje merilnikov pretoka. Električni test je namenjen preverjanju delovanja detektorja, njegove povezave z LPU-jem in predojačevalcev. Operacija se izvede samodejno. Če je test neuspešen, je potrebno zamenjati detektor ali procesno karico. Test napak preveri digitalne izhode. S spremembo nastavitve temperature sproţimo napako in preverimo, če operater dobi alarm napake. Test prikazovalnika, alarmov in akcij (emulacijo) sproţimo z elektronsko simulacijo sevanja, ki samodejno narašča in pada po dekadah v vnaprej določenih intervalih. Preverimo, da operater dobi alarm, da je na prikazovalniku (RDU) prava vrednost in da se izvršijo vse predpisane akcije. Test piskača in alarmnih lučk preveri delovanje zvočnih in vizualnih naprav na LPDU-ju. Preverjanje odziva na testni izvor se vrši z radioaktivnim izvorom Cs-137, ki je vgrajen v ščitu pri samem detektorju. Pri aktivaciji ukaza preko RDU-ja ali programa MASS mehanizem porine izvor iz ščita pred detektor. V kanalu, kjer opazujemo število impulzov 60

75 na sekundo, preverimo, da se ujemajo z določeno vrednostjo za vsak detektor. Te vrednosti so običajno tako nizke, da ne proţijo nobenega alarma. Pri preverjanju notranje napajalne enote se zagotovi, da so vrednosti 5 V, +15 V in -15 V v mejah +/- 1.5 V. Test digitalnih izhodov interno preveri pravilno delovanje digitalnih izhodov. Izvede se samodejno. S simulacijo napake temperature preverimo prikaz napake na prikazovalniku na RDU-ju. S simulacijo napake napajanja preverimo prikaz napake na prikazovalniku na RDU-ju in alarm napake pri operaterju. Napako simuliramo na vseh treh napetostnih nivojih. Pri preverjanju merilnikov pretoka preverimo pravilno izmerjeno vrednost z priključitvijo atestiranega merilnika pretoka v serijo s PING-om. 6.2 Fizikalno umerjanje partikulatnega monitorja Fizikalno umerjanje se vrši enkrat na 18 mesecev, kolikor traja gorivni ciklus NEK. Preverimo, da je monitor deloval brez napak najmanj 30 minut, da je temperatura okolice med 15 in 35 C in da v bliţini ni nobenega vira sevanja, ki bi višal ozadje. S prenosnim računalnikom se s programom MASS poveţemo z monitorjem in odčitamo temperaturo detektorja. Z merilnikom temperature preverimo, da dejanska temperatura pri detektorju ne odstopa za več kot 2 C. Izračunamo aktivnost izvora Tl-204 (A) na dan umerjanja. Ustavimo črpalko in odstranimo filtrsko enoto. Vstavimo nastavek brez izvora in odčitamo ozadje (R 0 ), ki mora biti manj kot 0.5 cps v beta kanalu (iz beta okna) in manj kot 0.01 cps v alfa kanalu (iz alfa okna). Nato vstavimo nastavek z izvorom beta Tl-204 in odčitamo vrednost v beta kanalu (R). Izračunamo izkoristek detektorja (E Tl ) po enačbi (5.1): (5.1) V programu MASS preverimo, da je nastavljena vrednost enaka izračunani. V nasprotnem primeru vrednost spremenimo in shranimo. Na isti način lahko ponovimo še z izvorom alfa Pu-238, vendar v NEK te umeritve ne izvajamo. Izkoristek za beta izvor Tl-204 mora biti med 0.05 in 0.08, za alfa izvor Pu-238 pa med in Če so izkoristki izven meja, je potrebna nastavitev ojačanja predojačevalca. 6.3 Fizikalno umerjanje jodnega monitorja Vsi predpogoji in preveritev natančnosti meritve temperature so enaki kot pri partikulatnem monitorju. Energijska umeritev je namenjena nastavitvi spektra po celotnem obsegu s tremi različnimi izotopi (energijami). Ti izotopi so: vgrajen Am-241 (5490 kev), Co-60 (1332 kev) in Ba- 133 (356 kev). Co-60 in Ba-133 samo pribliţamo detektorju. Najprej z nastavitvijo visoke napetosti detektorja nastavimo vrh Am-241, nato pa označimo vrha Co-60 in Ba-133 in program sam prilagodi spekter. Izkoristek detektorja se določi z izotopom Ba-133, ki ima podobno energijo kot I-131, ki ga merimo. Izračunamo aktivnost Ba-133 (A) na dan umerjanja. Nato najprej odčitamo 61

76 ozadje (R 0 ), potem vstavimo Ba-133 z nastavkom in odčitamo vrednost z izvorom (R). Izračunamo izkoristek detektorja za Ba-133 E Ba po formuli (5.2): Izkoristek za Ba-133 še preračunamo na izkoristek za I-131 E I po formuli (5.3): (5.2) (5.3) Dobljen izkoristek vpišemo v MASS in shranimo. 6.4 Fizikalno umerjanje monitorja ţlahtnih plinov Vsi predpogoji in preveritev natančnosti meritve temperature so enaki kot pri partikulatnem monitorju. Vstavimo nastavek brez izvora in odčitamo ozadje (R 0 ), ki mora biti manj kot 0.2 cps v beta kanalu (iz beta okna). Izračunamo aktivnost Cl-36 (A) na dan umerjanja. Nato vstavimo nastavek z izvorom beta Cl-36 in odčitamo vrednost v beta kanalu (R). Izračunamo izkoristek detektorja E Cl po formuli (5.4): (5.4) Preverimo, če je nastavljena vrednost enaka izračunani. V nasprotnem primeru vrednost spremenimo in shranimo [18], [19]. 62

77 7 ZAKLJUČEK»S to modifikacijo se ne povečuje moţnost nastanka nezgode, ampak jo s predčasno detekcijo povečanega sevanja v posameznih področjih lahko samo preprečimo ali zmanjšamo, predvsem zaradi vgradnje sodobnih in zanesljivih radioloških monitorjev.«[20] Oba merilnika sta bila vgrajena v remontu leta 2006 in v teh petih letih so se pokazale nekatere dobre in tudi slabe strani zamenjave. Pozitivne stvari zamenjave merilnikov za nadzor partikulatov, ţlahtnih plinov in jodov so: dodan je jodni kanal, ki omogoča kontinuiran nadzor radioaktivnega joda v zraku; omogočena je analiza energij beta in gama sevalcev; v petih letih še ni prišlo do okvare samih detektorjev, kot tudi ne do potrebe spreminjanja parametrov pri elektronski in fizikalni umeritvi; umeritev monitorjev je zelo enostavna; status monitorjev (detektor, releji, svetlobna in zvočna signalizacija ) je poznan v vsakem trenutku; diagnostika in odpravljanje napak je hitrejša in učinkovitejša; komunikacijski vmesnik 4 20 ma in vsi izhodi so veliko stabilnejši; digitalna tehnika je veliko bolj stabilna; nastavitve se ne spreminjajo ; zamenjava filtrskega traku in vseh drugih filtrov kot tudi manipulacija s celotnim sklopom je enostavna; zamenjava okvarjenih kartic, ţarnic je enostavna; pri strojnem vzdrţevanju je črpalka lahko dostopna. Negativne stvari zamenjave merilnikov za nadzor partikulatov, ţlahtnih plinov in jodov so: odpovedalo je nekaj kartic lokalnih vmesnikov v LPU-jih in napajalnikov za RDUje; po zamenjavi z novo dobavljenimi rezervnimi deli ni več problemov; na črpalki merilnika za nadzor partikulatov, ţlahtnih plinov in jodov v zadrţevalnem hramu je zaradi vročega zraka v zadrţevalnem hramu potrebno na pribliţno pol leta menjati membrano; redko pregorijo signalne ţarnice na ţarilno nitko na LDU-jih; obstaja moţnost zamenjave z led ţarnicami; digitalni prikazovalniki v glavni komandni sobi so slabše vidni kot prejšnji analogni (mogoče stvar navade). Če na koncu potegnemo črto, z lahkoto vidimo zanesljiv, enostaven in stabilen sistem, kateremu lahko s sigurnostjo zaupamo zdravje in celo ţivljenja ljudi, ki delajo v NEK in vseh okoliških prebivalcev. Prav tako imajo operaterji v glavni komandni sobi v vsakem trenutku točne in aţurirane podatke o kontaminaciji zraka v primarnem delu elektrarne. 63

78 8 VIRI, LITERATURA [1] Irena Mele, Oh, to sevanje, v Raopis številka 14, Vse o sevanju, kar ne veste, pa bi ţeleli, ARAO, 2006 [2] Leon Kegel, Sevanje in radioaktivnost, Posavski obzornik, Št. 26, [3] Rudi Erman, Osnove radiološke zaščite, Osnove tehnologije jedrskih elektrarn, Nuklearna elektrarna Krško, Strokovno usposabljanje, pripravljeno v Izobraţevalnem centru za jedrsko tehnologijo»milana Čopiča«, Ljubljana, marec 2008 [4] Andrej Stritar, Viktor Dimic, Radko Istenič, Z znanjem proti strahu, ARAO, april 1997 [5] Učno gradivo Aplied Health Physics, Radiation Safety, Assessment, and Training, Professional Training Programs, 2003, Oak Ridge Institute for Science and Education [6] [7] Ţarko Čučej in Peter Planinšič, Teorija signalov, Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2000 [8] Matjaţ Koţelj, Rudi Erman, Radko Istenič, Milena Černilogar Radeţ, Delo z viri sevanja, Ljubljana: Ministrstvo za okolje in prostor, Uprava RS za jedrsko varnost, 2006 [9] [10] Radiation Detector Theory, RCT Study Guide, 1995 [11] Končni opis sistema za nadzor sevanja, interni dokument NEK, DCM-SD-067, log št , NEK, 2008 [12] [13] M. Gričar, interni tečaj TT0022, Projektne osnove in procesi NEK, Ravnanje z radioaktivnimi odpadki (RAO), koda: TT-FDP.071.C4 [14] Zdravko Maravić, interni tečaj TT.SVA.01.C1, Osnove tehnologije jedrskih elektrarn Sistemi, Sistemi ventilacije [15] Uporabniški priročnik PING206-S (125821EN-E), MGP Instruments, Synodys Group, 2004 [16] Interni načrti, arhivi in dokumenti NEK [17] Postopek št. AOP-3.6 R&C-1, Visoka aktivnost na sistemu za nadzor sevanja, revizija 11, Nuklearna elektrarna Krško, 2011 [18] Postopek št. SRZ 7.001, Umeritev monitorjev iz sistema za nadzor sevanja (RMS), revizija 5, Nuklearna elektrarna Krško, 2010 [19] Postopek št. SMI-4.077, Surveillance operational test/calibration procedure radiation monitoring system channels R01 through R23, R40, R41, R42, R50 and R51, revizija 1, Nuklearna elektrarna Krško, 2010 [20] Varnostne ocene, Uprava Republike Slovenije za jedrsko varnost, Dr. Andrej Stritar, Ljubljana, , str. 3 [21] Lastni vir 64

79 9 PRILOGE 9.1 GM detektor Teletector 6112 B proizvajalca Automess (za merjenje višjih hitrosti doz na oddaljenosti) Slika 9.1: Slika in specifikacije Teletector 6112 B [16], [21] 65

80 9.2 GM detektor s stranskim oknom HP-270 proizvajalca Eberline (za merjenje hitrosti doz) Slika 9.2: Sliki in specifikacije HP-270 [16], [21] 66

81 9.3»Palačinkasti«, (pancake) GM detektor HP-210 proizvajalca Eberline (za merjenje aktivnosti brisov ali filtrov) Slika 9.3: Slika in specifikacije HP-210 [16], [21] 67

82 9.4 GM detektor FH 40 F1 proizvajalca FAG (za merjenje hitrosti doz) Slika 9.4: Slika in specifikacije FH 40 F1 [16], [21] 68

83 9.5 Proporcionalni števec LB 122 proizvajalca Berthold (za merjenje kontaminacije površin) Slika 9.5: Slika in specifikacije LB 122 [16], [21] 69

84 9.6 Proporcionalni števec PBG 62 proizvajalca MGP Instruments (za merjenje oseb) Slika 9.6: Slika in specifikacije PBG 62 [16], [21] 70

85 9.7 Ionizacijska celica RAM ION proizvajalca Rotem (za merjenje hitrosti doz) Slika 9.7: Slika in specifikacije RAM ION [16], [21] 71

86 9.8 Scintilacijski detektor NaI Inspector 1000 proizvajalca Canberra (za merjenje hitrosti doz in za določanje gama sevalcev) Slika 9.8: Slika in specifikacije Inspector 1000 [16], [21] 72

87 9.9 Scintilacijski detektor ZnS SHP-380AB z instrumentom E600 proizvajalca Eberline (za merjenje kontaminacije površin) Slika 9.9: Slika in specifikacije SHP-380AB [16], [21] 73

88 9.10 Diodni detektor dnevni osebni elektronski dozimeter DMC 2000 S proizvajalca MGP Instruments Slika 9.10: Slika in specifikacije DMC 2000 S [16], [21] 74

89 9.11 Diodni detektor GIM 204 proizvajalca MGP Instruments (za merjenje hitrosti doz v prostorih) Slika 9.11: Slika in specifikacije Gim

90 9.12 HPGe detektorja proizvajalca Canberra (za natančno določanje vrste in aktivnosti gama sevalcev) Slika 9.12: Slika in krivulja izkoristka HPGe glede na energijo 76

91 9.13 Termoluminiscentni mesečni osebni dozimeter proizvajalca MGP Instruments Slika 9.13: Termoluminiscentni dozimeter 77

92 9.14 Prenosni nevtronski detektor NRD Rem Ball (BF 3 ) z instrumentom E600 proizvajalca Eberline/ Thermo Slika 9.14: NRD Rem Ball in E600 78