环境辐射监测1讲解课件.ppt

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1、核素大气扩散及环境放射性监测,上海交通大学王德忠 教授2014年5月19日,主要内容,放射性核素在大气中扩散的原因放射性核素在大气中迁移规律空气中的放射性剂量意义及要求核电厂常规监测意义及要求核事故放射性后果评价,一、环境放射性,1、环境放射性定义2、天然本底3、辐射剂量基础4、事故核素和剂量5、核素迁移,环境放射性及其来源,人类环境中存在的放射性是由天然本底辐射和各种人工辐射源造成的。所谓环境放射性污染指的是存在于环境中放射性物质的量超过其天然存在水平。气载放射性核素扩散的辐射源有：核武器空爆产生的放射性落下灰各种核事故向环境释放或散落的放射性物质,环境天然本底,国内环境天然本底,2011年

2、3月15日15:00-16日9:00北京市：77.3nGy/h（60.2-119.9）长春市：82.4（70.8-147.4）上海市：90.3（54.9-108.2）秦山镇：100.1（70.4-123.8）安全限值：1mSv/人年=114nGy/h,常见放射源的剂量,Gy（戈瑞）是吸收剂量，Sv（西弗）是剂量当量，二者可以认为数值相等。,剂量限值,国际核事件分级,国际核能事件分级（International Nuclear Event Scale,INES）是根据核电厂事故对安全的影响作为分类。INES由国际原子能机构（IAEA）和经济合作发展组织（OECD）的核能机构（NEA）设计，IAE

3、A监察。,事故等级,切尔诺贝利核事故,福岛核事故,三里岛核事故,核事故的辐射主要来源,核爆炸和燃烧放出的核素，碘-131，铯-137是人工放射性核素，如果远距离监测这些核素，可以确定有核爆炸或核事故产生的其他核素也会到达、核事故会造成电厂周边会有射性核素氮-16,核事故的放射性,放射性气溶胶：放射性物质的微小固体或液体粒子悬浮与空气中成为放射性气溶胶，其粒度范围为10-3103m。外照射中子射线，射线内照射放射性气体：235U裂变后以气体状态出现的产物，主要是131I，135I*，85Kr，133Xe，135Xe等。放射性气体和气溶胶会通过呼吸、饮食进入人体其中以I-131和Cs-137危害最

4、大，二者极易被吸收，I沉积于甲状腺，Cs会积聚在肌肉组织中放射性微粒主要是14C，51Cr，56Mn，60Co和59Fe等,碘-131,碘-131是衰变核素，其化学性质与碘相同。半衰期为 8.02天发射和 射线,射线最大能量为 0.6065MeV，主要射线能量为0.364MeV。碘-131属高毒性核素，紧要器官是甲状腺，对人体的有效半减期为7.6天,在人体内的最大容许积存量为1.8106Bq。碘-131在放射性工作场所空气中和露天水源中的最大容许浓度分别为0.33和22贝克/升。,铯-137,铯-137的半衰期30年，人体的有效半减期70天铯-137在自然界中是不存在的，是核弹试验和核反应堆内

5、核裂变产生的，它会释放射线。铯-137 会放出0.51163MeV（94.0），1.176MeV(6.0)的-粒子和能量为0.662MeV的射线铯-137进入人体会积聚在肌肉组织中，会对体内形成长期照射，增加患癌症的风险。,放射性核素扩散的途径,放射性核素在大气中的扩散大致分为两个途径，一个是在对流层，也就是地表（厚度10公里左右），受到风向和大陆表面的影响，变化较为剧烈另一个途径是更高层的10公里以上的平流层扩散，受到稳定的西风影响，加入全球大气循环，这个影响是长远的，也是微量的,放射性核素扩散的途径,放射性核素在水中的扩散主要有两条途径，一个是海水，一个是地下水。放射性物质进入海洋之后，影

6、响较强的是洋流走向，海水稀释作用很强，这也是核电站建在海边的原因。如果附近发生降雨放射性则会进入地下水,1、常规监测目的2、常规监测的实施3、连续监测系统4、常规监测的,二、常规监测,环境放射性监测的目的,环境放射性监测：是为评价核设施附近环境辐射水平和估算公众接受剂量提供资料而进行的测量。环境监测的主要目的是：评价核电站控制放射性物质向环境中释放的设施的效能；检验环境辐射是否符合环境标准和法规规定的有关限值，探测环境介质中放射性物质浓度的短期变化，评估其长期变化趋势；估算公众受到的实际照射剂量或潜在照射剂量，或估算其可能的上限,核电厂运行前本底调查,测定核电厂周围地区天然本底和其它放射性来源

7、（如沉降灰）的辐射水平及其变化规律；鉴别可能的关键途径和关键人群组，为运行时环境监测计划的设计作准备；评价作为运行监测使用的程序、设备和技术,运行时的常规监测,运行时的常规监测分运行初期和运行期间两个阶段运行初期监测的目的为了实现从本底调查到运行期间监测的过渡；将监测结果与本底作比较，计算重要途径对居民的剂量；验证方案设计时的假设运行期间监测的目的为了重新评价监测计划并作可能的修改；确定关键途径对居民的剂量；评价核电厂造成的辐射环境变化，及时发现异常情况，以便采取安全措施，保证环境安全,事故状况下的应急监测,事故状况下应急监测的目的为了及时、迅速收集有关事故放射性污染的程度和范围的信息，估计吸

8、入和外照射剂量迅速确定食物和水源的可能污染的程度，为实施应急辐射防护行动提供依据,环境放射性监测特点,外来放射性（包括本底放射性和干扰放射性）对监测方法的探测限和准确度影响很大；为了使待测样品的放射性含量大于仪器的探测限，需要较大的样品量；在分析测量过程中，样品被沾污的可能性较大（样品中性质相近的核素，加入的试剂和工作环境都可能使待测样品被沾污，为此，要求从事分析测量人员工作必须十分严谨）；放射性测量的统计误差对分析结果的影响较大，为了达到一定的测量精确度，常常要求测量较长的时间，为此，对测量仪器的稳定性要求较高,环境放射性本底调查,样品的采集 样品采集点应选择在能代表周围环境平均水平的地方采

9、样时间的确定：生物样品收获取样；水样按丰水期、枯水期每年取两次；其他样品的取样时间；气溶胶月取样、沉降物和辐射每季取样和测量样品用量的确定：根据样品中的放射性水平和测量仪器的探测限，最小样品量可按下式估计,V为最小采样量（1或kg）；LLD为仪器最低探测限（CCPM）；Y为监测方式对该核素的化学回收率（%）；E为仪器的探测效率CPM/DPM；A为样品中待测核素的含量Bq/l或Bq/kg,常规环境监测计划,环境放射性监测：运行期间的环境监测和运行前的本底调查。本底调查的范围和测量频度要稍大于常规运行时的环境监测计划。电站运行一段时间后，采样点的密度和监测频度可逐渐减少,常规环境监测系统,秦山核电

10、厂从1991年7月就在外围建立了第一代环境辐射连续监测系统2003年元旦其第二代监测系统建成,广东大亚湾核电站环境辐射连续监测系统于1993年电站装料前投入运行。1996年对辐射监测站探测器的测量几何条件和系统的避雷保护作了改进。1998年由中山大学大气科学系和大亚湾核电站环境实验室合作,对KRS 系统中央处理机的软、硬件进行了改造,建立了系统计算机局域网络,常规监测的站点模型,辐射监测站的系统部件,探测器环境探测器分为电离室型、半导体型、G-M计数管型等。该探测器是一种能够在核设施周围实现无人值守环境辐射自动探测器。该探测器既要能够进行本底剂量率的测量，也能进行高剂量率的测量，量程跨多个数量

11、级。多采用电离室探头,根据环境地表辐射剂量率测定规范，环境辐射仪的量程规定为,辐射监测站的系统部件,参考秦山地区气象站的参数，六要素气象站包含以下部件：,面临的问题,雷击损坏从秦山和大亚湾监测系统的故障率统计可以看出：雷击是系统的最大敌人浙江站监测系统的故障主要由雷击引起,涉及系统的各个组成部分。广东站监测系统直接雷击损坏达6.7%,而Modem、通讯线路故障不明原因故障相加达40%以上,这也可以归结为雷电干扰引起的,可见系统防雷的重要性,1991 1994 年浙江省环保监测系统历次故障情况,选择监测点考虑的原则,代表性：通过优化算法在多点中选取有代表性的点，例如特征分析法、BP法等特殊性：需

12、要注意对环境要求高、人口密集以及可能出现大放射量的地点全面性：要注意不同方向、不同距离的点，考虑到辐射传播的方向性气候特征：放射性的传播与气候关系紧密，要充分考虑，例如，辐射传播与风向的关系，辐射传播与雨量的关系,环境放射性监测三关键,综合以上要素，在环境放射性监测中，应当密切注意“三关键”，加强对“三关键”的监测。关键核素、关键途径和关键居民组称之为“三关键”。,三、应急环境监测,1、应急环境监测的定义2、应急系统3、福岛核事故分析4、事故分析方法,应急环境监测,事故环境监测的目的及时、迅速收集有关事故放射性污染的程度和范围的信息，估算吸入和外照射剂量迅速确定食物和水源的可能污染的程度，为实

13、施应急辐射防护行动提供依据,核事故应急,事故初期的应急行动依赖于核应急应急决策支持，准确的说是核素在大气中扩散产生的剂量场。,欧洲RODOS日本WSPEEDI美国ARAC国内秦山大亚湾等核电站的评价系统,核事故应急,事故应急系统应包括：1）中尺度气象模式 5）集成进入决策支撑系统2)地表冠层信息 6）地面生物和人为排放3）降尺度/升尺度显式模式耦合 7）土地资料同化系统4）遥感/现场资料（城市地形地貌数据 8）气象资料及同化系统 城市土地利用遥感资料,三哩岛事故,1979年3月28日,美国宾州三哩岛(TMI)压水堆核电站发生了堆芯熔毁的严重事故。运行人员的错误操作和机械故障是主要的原因。由于安

14、全壳的作用，对周围人员和环境影响很小，但事故对核电发展造成很大负面影响。,三哩岛事故,第76任宾州州长迪克松伯（Dick Thornburgh）出于安全考虑于3月30日疏散了核电站5英里范围内的学龄前儿童和孕妇，并下令对事故堆芯进行检查。检查中才发现堆芯严重损坏，约20吨二氧化铀堆积在反应炉压力槽底部，大量放射性物质堆积在核反应堆安全壳内，少部分放射性物质泄漏到周围环境中。,三哩岛事故,事故后，核管会(Nuclear Regulatory Commission)对周围居民进行了连续追踪研究，研究结果显示在以三哩岛核电站为圆心的50英里范围内的220万居民中无人发生急性辐射反应周围居民所受到的辐

15、射相当于进行了一次胸部X光照射的辐射剂量（50微西弗）三哩岛核泄漏事故对于周围居民的癌症发生率没有显著性影响三哩岛附近未发现动植物异常现象当地农作物产量未发生异常变化,切尔诺贝利事故,1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电厂发生严重泄漏及爆炸事故；事故由设计缺陷导致的过剩反应性引入造成，但管理混乱、严重违章是事故发生的主要原因；事故导致31人当场死亡，上万人由于放射性物质远期影响而致命或重病，外泄的辐射尘对东、北欧造成严重污染；事故导致公众对核电的恐慌，对核电发展产生严重影响。,切尔诺贝利事故,切尔诺贝利核事故（乌克兰语：）是一起发生在苏联乌克兰切尔诺贝利核电站的核子反应堆事故在1986年

16、4月26日的凌晨1点23分（UTC+3），乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利电厂，第四号反应堆发生了爆炸。后续的爆炸引发了大火并散发出大量高辐射物质到大气层中，涵盖了大面积区域。,切尔诺贝利事故,核辐射尘污染过的云层飘往众多地区，包括原苏联西部的部分地区、西欧、东欧、斯堪地那维亚半岛、不列颠群岛和北美东部部分地区。此外，乌克兰、白俄罗斯及俄罗斯境内均遭受到严重的核污染，超过336,000名的居民被迫撤离。依据前苏联的官方报告，约60%受到辐射尘污染的地区皆位于白俄罗斯境内。,切尔诺贝利事故,1986年4月25日，4号反应器预定关闭以进行定期维修，并决定在这个时候测试反应堆的涡轮发电机能力，由于操

17、作员的违反规程引发了该事故。反应堆以单一保护层方式兴建。这令放射性污染物在反应堆压力槽发生蒸汽爆炸而破裂之后进入了大气。在一部分的屋顶炸毁了之后，氧气流入与极端高温的反应堆燃料和石墨慢化剂结合引起了石墨火。这火灾令放射性物质扩散和污染的区域更广。,切尔诺贝利事故,陆续赶来抢险的消防队员、军人、直升机飞行员、核电专家与工人轮番上阵，努力控制反应堆残骸中熊熊燃烧的原本作为中子减速剂的石墨。事后估计爆炸瞬间约有50吨核燃料化作烟尘进入大气层，另有70吨核燃料和900吨石墨崩溅到反应堆周围，引起30余场火灾。核反应堆中剩余的800吨石墨引起的大火，用了10天才扑灭。直升机直接飞进放射性烟尘，从空中向暴

18、露的反应堆残骸倾倒了近2000吨碳化硼和沙子后，才终于停止了反应堆内的核裂变反应。最终直升机的总空投量达5000吨。火灾扑灭后，苏联政府派出大批军人、工人，给炸毁的四号反应堆修建了钢筋混凝土的石棺，把其彻底封闭起来。,切尔诺贝利事故,切尔诺贝利事故,据联合国报告和美国核管理委员会说，切尔诺贝利核泄漏事故导致事发当天早上在现场的600名工人中有134人患上急性放射性疾病，他们接触的最高辐射剂量到达0.8西弗到16西弗。这些人中，有28人在3个月内死亡。另有两人死于烧伤和接触放射物。据世界卫生组织，最终可能有4000人因接触切尔诺贝利核电站释放的放射物死亡。从公共卫生方面来看，切尔诺贝利核泄漏事故

19、产生的最大影响，是导致甲状腺癌在儿童和青少年间流行起来，到目前为止已经有超过6000人罹患该病，这与饮用被污染的牛奶有关。,日本福岛核事故,2011年3月11日14:25，发生7.9级地震后日本宫城县核电厂停止工作。由于海啸的影响，备用柴油机无法工作，使堆芯逐渐丧失冷却。福岛核事故发生。,福島第一核电站（日语：福島第一原子力発電所），座落在福岛县双叶郡大熊町及双叶町。为东京电力公司的第一座核能发电厂，简称1F。共有6个机组运转中，总发电量为4.7GW，是全世界二十五个发电量最大的发电场之一。,日本应对措施,核电站周边检测到放射性剂量超标,十公里内居民紧急避难,释放原子炉内水蒸气,冷却水温超过沸

20、点，失去冷却能力,通过水龙与冷却水管连接，输送冷却水,1号机组发生氢气爆炸,避难半径扩大到20公里,注入海水进行冷却,对被辐射污染市民进行清除辐射作用，向市民发放碘片，请求美国和IAEA帮助解决核电站问题,日本应对措施,2号机组发生氢气爆炸，产生核泄漏，周围剂量严重超标,避难范围扩大到30公里，除50人留守，其他工作人员撤离,4号机组爆炸，乏燃料厂房起火,电站周围30公里为禁飞区，防核部队派抵福岛核电站,4号机组再度起火,向4号反应堆喷硼酸,辐射量急升,16日操作人员撤离,福岛核事故图解,反应堆当时情况,一号:冷却系统失灵，核芯部分融毁，冒出蒸气，氢爆炸导致建筑物受损，海水注入进行中；二号:冷

21、却系统失灵，海水注入进行中，燃料棒曾短时完全暴露出水面，冒出蒸气，受3号反应堆周一爆炸影响建筑物受损，安全壳受损，有可能发生融毁；三号:冷却系统失灵，可能发生部分核芯融毁，冒出蒸气，海水注入进行中，氢爆炸造成建筑物受损，冒出烟雾，安全壳可能受损；四号:地震发生时处于维修状态，可能是由乏燃料储水池氢爆炸，反应堆建筑物发生火情，进行注水降温作业；五号六号，地震发生时处于维修状态，乏燃料储水池温度轻微上升,日本各地16日中午剂量率监测结果,本底50nGy/h茨城，福岛正南180km 2000nGy/h新泻，福岛西边180km 60nGy/h栃木，福岛西南边200km 200nGy/h宇都宫市，福岛西

22、南200km 120nGy/h那须町，福岛西南150km 1400nGy/h可以看出，辐射向南方扩散，最近受到西风的影响吹向太平洋,防护措施,当你暴露于核辐射环境下，剂量达到0.5Sv以上，可能会得辐射病。几小时内会感到恶心呕吐，随后会出现腹泻、头痛或发烧等症状。在最初的症状过去之后，可能会出现一个短暂的无症状期，但数周后就会出现新的、更严重的症状。一些常用的防辐射措施，比如喝绿茶、吃木耳、戴口罩、穿孕妇防辐射服，根本起不了作用。受到辐射污染，最好的方法是紧闭家里的门窗、勤洗手洗澡。碘盐里所含的碘是极其微量的，吃碘药也必须在受到污染危害之后，一天一次，每次一颗碘化钾。自行购买提前吃，反而会对自

23、己身体造成危害。,防护措施,减少外照射1.尽可能缩短受照射的时间2.尽可能远离放射源3.利用屏蔽材料降低辐射强度减少内照射1.避免食入，减少在污染区的逗留。放射性物质在大气中扩散时，减少外出，关闭门窗和通风系统2.受到照射后，在医生的指导下服用药物，碘片，成年人100毫克，儿童婴幼儿减少。同时注意禁忌,环境放射性大气扩散分析方法,高斯模型,拉格朗日烟团模型,随机游走模型,大气扩散模型,以烟团模型为例：RIMPUFF(Riso Mesoscale PUFF model):是丹麦Riso国际实验室研发的模型，用于RODOS系统中，为拉格朗日烟团模式的一个成功应用。,烟团中心坐标,烟团源强,烟团在三

24、个方向的 有效扩散参数,大气扩散模型,大气扩散模型,第二步，烟团移动烟团的平移依赖于大气风场的风速风向第三步，扩散系数可以反映烟团的浓度分布可以反映烟团的垂直运动RIMPUFF模型采用改进的Karlsruhe-Jlish计算公式,X为下风向距离,大气扩散模型,第四步，烟团分裂,烟羽遇到山体的阻挡时会出现左右绕流的现象。当一个原始小烟团扩展到与风场模型中的网格间隙大小相当时，且它们涉及的几个相邻网格的风向又不一致时，即拟采用烟团分裂方案,大气扩散模型,第五步，干沉积,大气扩散模型,第六步，湿沉积,大气扩散模型,第七步，生成剂量场,源项反演,在事故后果评价的研究过程中逐渐发现，数据同化研究是必不可

25、少的，其能够实时得给出源项信息和各种误差信息。,源项反演,数学方法,源项反演,对于非线性的量测方程H：,集合卡尔曼滤波是唯一不用线性化，没有高阶闭合问题的反演方法,源项反演,对于源项释放速度的估计,对于双参量(源项释放速度,源项高度)的估计真实值:Q=1000,h=60,使用源项反演技术可以用探测数据实时修正模型参量，并进行误差分析,事故监测的实施,在事故早期侧重于对烟羽的监测；中期侧重于对食物和水源污染程度的监测；晚期则加大频率和密度进行就地测量与取样，并在实验室更为精确的分析测量；最后恢复至常规的环境监测。环境监测以环境监测车和野外巡测队为主,小结,本次课共讲授了四部分内容：环境放射性的本底、来源常规辐射监测的过程和方法事故中的辐射及发展过程事故分析方法,谢谢！,