Los monitores continuos de partículas en el aire (CPAM) se han utilizado durante años en instalaciones nucleares para evaluar la radiactividad de partículas en el aire (APR). En tiempos más recientes, también se pueden usar para monitorear a las personas en sus hogares para detectar la presencia de radiactividad artificial. Estos monitores se pueden usar para activar alarmas, indicando al personal que debe evacuar un área. Este artículo se centrará en el uso de CPAM en plantas de energía nuclear , a diferencia de otras instalaciones del ciclo del combustible nuclear , laboratorios o aplicaciones de seguridad pública.
En las plantas de energía nuclear, los CPAM se utilizan para medir las emisiones de APR de la instalación, monitorear los niveles de APR para la protección del personal de la planta, monitorear el aire en la estructura de contención del reactor para detectar fugas de los sistemas del reactor y controlar los ventiladores, cuando el nivel de APR ha superado un umbral definido en el sistema de ventilación.
Introducción
Los CPAM utilizan una bomba para aspirar aire a través de un medio filtrante para recoger material particulado en el aire que transporta partículas muy pequeñas de material radiactivo; el aire en sí no es radiactivo. [1] El material radiactivo particulado puede ser natural, por ejemplo, productos de desintegración del radón ("progenie", por ejemplo, 212 Pb), o artificiales, generalmente productos de fisión o activación (por ejemplo, 137 Cs), o una combinación de ambos. También hay "monitores de gas" que hacen pasar el aire a través de un volumen de cámara de muestra que es visto continuamente por un detector de radiación . Los radionúclidos que se encuentran en forma gaseosa (por ejemplo, 85 Kr ) no se recolectan en el filtro CPAM en un grado apreciable, por lo que se necesita un sistema de monitoreo separado para evaluar estas concentraciones de nucleidos en el aire muestreado. Estos monitores de gas a menudo se colocan aguas abajo de un CPAM para que el CPAM recoja cualquier material particulado en el aire muestreado y, por lo tanto, no contamine la cámara de muestreo del monitor de gas.
Monitoreo vs muestreo
En la monitorización , la región de deposición de este material sobre el medio filtrante es vista continuamente por un detector de radiación, al mismo tiempo que la recogida. Esto es a diferencia de un sistema de muestreo , en el que el material en el aire se recolecta bombeando aire, generalmente a un caudal volumétrico mucho más alto que un CPAM, a través de un medio de recolección durante un período de tiempo, pero no hay detección de radiación continua; el medio de filtrado se retira periódicamente del muestreador y se lleva a un sistema de detección de radiación separado para su análisis.
En general, el muestreo tiene una mejor sensibilidad de detección para niveles bajos de radiactividad en el aire, debido al volumen total mucho mayor de aire que pasa a través del medio filtrante durante el intervalo de muestreo (que puede ser del orden de horas), y también debido a que más formas sofisticadas de análisis cuantitativo disponibles una vez que se retira el medio de filtrado del muestreador. Por otro lado, la monitorización con CPAM proporciona una indicación del nivel de radiactividad en el aire casi en tiempo real. Es una práctica común referirse al aire "muestreado" incluso cuando se habla de un CPAM, es decir, en contraposición al aire "monitoreado", que sería, estrictamente, más correcto.
Tipos de CPAM
Hay dos tipos principales de CPAM, filtro fijo y filtro móvil. En el primero, el medio filtrante no se mueve mientras se recoge el material en suspensión. Este último tipo tiene dos variantes principales, el área de deposición rectangular ("ventana") y la ventana circular. En ambos tipos de CPAM, el aire muestreado es arrastrado (no empujado) por una bomba a través de la tubería del monitor hasta la estructura que sostiene el medio filtrante. Es importante tener en cuenta que las bombas CPAM están especialmente diseñadas para mantener un caudal volumétrico constante.
A medida que el aire pasa a través del medio de recolección (generalmente una forma de papel de filtro ), el material particulado se deposita en el filtro en un patrón rectangular o circular, según el diseño del instrumento, y luego el aire continúa saliendo del monitor. . Se supone que toda el área de deposición, independientemente de su forma geométrica, es vista por un detector de radiación de un tipo apropiado para el nucleido en cuestión.
Los monitores de filtro móvil se utilizan a menudo en aplicaciones en las que la carga del medio filtrante con polvo es un problema; esta carga de polvo reduce el flujo de aire con el tiempo. Se supone que el medio de recolección del filtro en movimiento ("cinta") se mueve a través del área de deposición a una velocidad constante y conocida. Esta tasa se establece a menudo de tal manera que un rollo de cinta de filtro durará aproximadamente un mes; una tasa de movimiento de filtro típica es de aproximadamente una pulgada por hora.
El monitor de filtro móvil de ventana rectangular se denominará RW y el circular CW. El filtro fijo es FF.
Aplicaciones CPAM
Monitoreo de efluentes
Los CPAM se utilizan para controlar los efluentes de aire de las instalaciones nucleares, en particular los reactores de potencia. Aquí el objetivo es evaluar la cantidad de ciertos radionucleidos liberados de la instalación. [2] La medición en tiempo real de las concentraciones muy bajas liberadas por estas instalaciones es difícil; En algunos casos, una medición más fiable de la radiactividad total liberada durante un intervalo de tiempo (días, quizás semanas) puede ser un enfoque aceptable. [3] En el monitoreo de efluentes, se extrae una muestra del aire en la pila de la planta y se bombea (tira) hacia la ubicación del CPAM. Este aire muestreado en muchos casos debe viajar una distancia considerable a través de la tubería. Es un desafío extraer y transportar las partículas para que el CPAM las mida de tal manera que la medición sea representativa de lo que se libera de la instalación. [4]
En los EE. UU. Existen requisitos de monitoreo de efluentes tanto en 10CFR20 como en 10CFR50 ; El Apéndice B del primero y el Apéndice I del segundo son especialmente importantes. 10CFR50 Apéndice A [5] establece:
- Criterio 64 - Seguimiento de las emisiones de radiactividad. Se proveerán medios para monitorear la atmósfera de contención del reactor, los espacios que contienen componentes para la recirculación de fluidos de accidentes con pérdida de refrigerante, las vías de descarga de efluentes y los alrededores de la planta para detectar la radiactividad que pueda liberarse de las operaciones normales, incluidos los sucesos operacionales anticipados, y de accidentes postulados.
También en los EE. UU., La Guía reglamentaria 1.21, Medición, evaluación y notificación de radiactividad en desechos sólidos y emisiones de materiales radiactivos en efluentes líquidos y gaseosos de plantas de energía nuclear enfriadas por agua ligera [6] es muy relevante para esta aplicación de CPAM.
Evaluación de exposición ocupacional
Para la evaluación de la exposición ocupacional (inhalación), los CPAM pueden usarse para monitorear el aire en cierto volumen, como un compartimiento en una instalación nuclear donde el personal está trabajando. [7] Una dificultad con esto es que, a menos que el aire en el compartimiento se mezcle uniformemente, la medición realizada en la ubicación del monitor puede no ser representativa de la concentración de material radiactivo en el aire que respiran los trabajadores. Para esta aplicación, el CPAM puede colocarse físicamente directamente en el compartimento ocupado, o puede extraer muestras de aire del sistema HVAC que sirve a ese compartimento. Las siguientes partes de 10CFR20 [8] son relevantes para el requisito de aplicaciones de CPAM de exposición ocupacional en los EE. UU.: 10CFR20.1003 (definición de área de radiactividad en el aire), 1201, 1204, 1501, 1502, 2103.
Monitoreo y control de procesos
Los monitores de radiación en general tienen una serie de aplicaciones de control de procesos en centrales nucleares; [9] una aplicación importante de CPAM en esta área es el monitoreo de la entrada de aire para la sala de control de la planta. En caso de accidente, su sistema HVAC podría llevar a la sala de control altos niveles de radiactividad en el aire; el CPAM monitorea este aire y está diseñado para detectar altas concentraciones de radiactividad y apagar el flujo de HVAC cuando sea necesario.
Para su uso en los EE. UU., El estándar 10CFR50 Apéndice A establece:
- Criterio 19 - Sala de control. Se dispondrá de una sala de control desde la que se puedan tomar medidas para hacer funcionar la unidad de energía nuclear de forma segura en condiciones normales y para mantenerla en condiciones seguras en condiciones de accidente, incluidos los accidentes por pérdida de refrigerante. Deberá proporcionarse protección radiológica adecuada para permitir el acceso y la ocupación de la sala de control en condiciones de accidente sin que el personal reciba exposiciones a radiaciones superiores a 5 rem en todo el cuerpo, o su equivalente en cualquier parte del cuerpo, durante la duración del accidente. El equipo en ubicaciones apropiadas fuera de la sala de control deberá estar provisto (1) con una capacidad de diseño para un rápido apagado en caliente del reactor, incluida la instrumentación y los controles necesarios para mantener la unidad en condiciones seguras durante el apagado en caliente, y (2) con un potencial capacidad para la posterior parada en frío del reactor mediante el uso de procedimientos adecuados.
Esto define un requisito para monitorear la entrada de aire para la sala de control, de modo que no se excedan los límites de exposición, incluida la exposición por inhalación. Los CPAM se utilizan a menudo para esto.
Detección de fugas en reactores
En las centrales nucleares de EE. UU. Es necesario controlar las fugas del llamado "límite de presión del refrigerante del reactor". [10] El monitoreo de la radiactividad de partículas en suspensión en el aire en la estructura de contención del reactor es un método aceptable para cumplir con este requisito, por lo que se utilizan CPAM. Se da el caso de que cuando el refrigerante primario se escapa hacia la estructura de contención, ciertos nucleidos de gases nobles se transportan por el aire y, posteriormente, se descomponen en nucleidos particulados. Uno de los más comunes de estos pares es 88 Kr y 88 Rb; este último es detectado por el CPAM. Relacionar la respuesta de CPAM observada al 88 Rb con una tasa de fuga del sistema primario está lejos de ser trivial. [11]
La base reguladora para esta aplicación CPAM se encuentra en 10CFR50: [12]
Para su uso en los EE. UU., El estándar 10 CFR 50, Apéndice A, "Criterios generales de diseño para plantas de energía nuclear", Criterio 30, "Calidad del límite de presión del refrigerante del reactor", requiere que se proporcionen medios para detectar y, en la medida de lo posible, identificar la ubicación de la fuente de fuga de refrigerante del reactor. Los atributos específicos de los sistemas de detección de fugas de refrigerante del reactor se describen en las posiciones reglamentarias 1 a 9 de la guía reglamentaria 1.45.
Para su uso en los EE. UU., La norma 10 CFR 50.36, "Especificaciones técnicas", párrafo (c) (2) (ii) (A), especifica que se establezca una condición límite para la operación para la instrumentación instalada que se utiliza para detectar e indicar en la sala de control una degradación anormal significativa del límite de presión del refrigerante del reactor. Esta instrumentación es requerida por la Especificación 3.4.15, "Instrumentación de detección de fugas RCS".
Los cambios de paso en las fugas de refrigerante del reactor se pueden detectar con medios de filtro en movimiento para satisfacer los requisitos cuantitativos de la Guía reglamentaria 1.45 de la USNRC. [Véase la descripción de la patente estadounidense número 5343046 (1994)]. El método matemático es muy detallado y se centra en la actividad recopilada visible dependiente del tiempo, en lugar de la concentración, como f (t). El método, entre otras características, produce el caso degenerado de filtro fijo deseado (velocidad del papel de filtro = 0). El método se puso en uso por primera vez en la década de 1990 en una planta de energía nuclear en los Estados Unidos. Aunque originalmente se derivó para el Kr-88 / Rb-88 dominante en el refrigerante del reactor con fugas, se ha ampliado para incluir Xe-138 / Cs-138 y se puede modificar mediante replicación para incluir N emparejamientos similares. El inventor ha realizado más mejoras en las metodologías matemáticas; estos apartan el aparato colimador patentado para realizar la evaluación cuantitativa del cambio de paso de la tasa de fuga cuando se emplean rejillas de recogida rectangulares O circulares. Los nuevos métodos son los más simples que se pueden obtener y son apropiados para cualquier variedad de concentraciones de entrada.
Algunas consideraciones sobre la aplicación de CPAM
Importancia de la vida media de los nucleidos
La respuesta del monitor es sensible a la vida media del nucleido que se recolecta y mide. Es útil definir un nucleido de "vida larga" (LL) para que tenga una desintegración insignificante durante el intervalo de medición. Por otro lado, si no se puede ignorar la desintegración, el nucleido se considera de "vida corta" (SL). En general, para los modelos de respuesta del monitor que se analizan a continuación, la respuesta LL se puede obtener a partir de la respuesta SL tomando los límites de la ecuación SL cuando la constante de caída se aproxima a cero. Si hay alguna duda sobre qué modelo de respuesta utilizar, siempre se aplicarán las expresiones SL ; sin embargo, las ecuaciones de LL son considerablemente más simples y, por lo tanto, deben usarse cuando no hay duda sobre la vida media (por ejemplo, 137 Cs es LL).
Medidor de velocidad
La salida del detector de radiación es una secuencia aleatoria de pulsos, generalmente procesada por algún tipo de "medidor de velocidad", que estima continuamente la velocidad a la que el detector está respondiendo a la radiactividad depositada en el medio filtrante. Hay dos tipos fundamentales de medidores de velocidad, analógicos y digitales. La salida del medidor de velocidad se llama contador y varía con el tiempo.
Los medidores de velocidad de ambos tipos tienen la función adicional de "suavizar" la estimación del contador de salida, es decir, reducir su variabilidad. (Este proceso se denomina más correctamente "filtrado"). Los medidores de velocidad deben hacer una compensación entre esta reducción de varianza necesaria y su tiempo de respuesta; una salida suave (pequeña variación) tenderá a retrasarse con respecto a un aumento en la frecuencia real del pulso. [13] La importancia de este retraso depende de la aplicación del monitor.
Fondo ambiental
Incluso cuando el medio filtrante está limpio, es decir, antes de que se ponga en marcha la bomba que empuja el aire a través del filtro, el detector responderá a la radiación ambiental "de fondo" en las proximidades del monitor. El contraataque que resulta de la radiactividad depositada se denomina contraataque "neto" y se obtiene restando este contraataque de fondo del contraataque que varía dinámicamente y que se observa una vez que se pone en marcha la bomba. Por lo general, se supone que el fondo es constante.
Tiempo de integración
El contador del monitor varía dinámicamente, por lo que se debe especificar un intervalo de tiempo de medición. Además, estos son dispositivos integradores, lo que significa que se requiere un tiempo finito para acumular radiactividad en el medio filtrante. La entrada al monitor es, en general, una concentración en el aire dependiente del tiempo del nucleido especificado. Sin embargo, para los cálculos que se dan a continuación, esta concentración se mantendrá constante durante ese intervalo.
Limitación de tiempo de concentración constante
Dado que las concentraciones resultantes de eventos físicos tienden a variar con el tiempo, debido a procesos de dilución y / o un término de fuente no constante (tasa de emisión de radiactividad en el aire), no es realista mantener la concentración constante durante períodos de tiempo significativos. Por tanto, los intervalos de medición del orden de varias horas no son plausibles a los efectos de estos cálculos.
Padre-progenie; RnTn
Hay situaciones en las que un nucleido depositado en el filtro CPAM se descompone en otro nucleido y ese segundo nucleido permanece en el filtro. Esta situación de "progenie-progenie" o cadena de desintegración es especialmente relevante para el llamado "radón-torón" (RnTn) o radiactividad natural en el aire. El tratamiento matemático descrito en este artículo no considera esta situación, pero puede tratarse utilizando métodos matriciales (ver Ref [11]).
Numerosos nucleidos; superposición
Otro problema es el hecho de que en el contexto de un reactor de potencia sería inusual que un CPAM recolectara un solo nucleido particulado; es más probable que haya una mezcla de nucleidos de productos de fisión y productos de activación . El modelo que se analiza en este artículo considera solo un nucleido a la vez. Sin embargo, dado que la radiación emitida por cada nucleido es independiente de los demás, de modo que los nucleidos presentes en el medio filtrante no interactúan entre sí, la respuesta del monitor es la combinación lineal de las respuestas individuales. Por lo tanto, la respuesta general de CPAM a una mezcla es solo la superposición (es decir, la suma) de las respuestas individuales.
Tipo de detector
CPAMs utilizan ya sea un tubo Geiger , para "bruto beta - gamma " recuento, o un cristal de NaI (Tl), a menudo por sencillo de un solo canal espectroscopia gamma . (En este contexto, "bruto" significa una medida que no intenta encontrar los nucleidos específicos en la muestra). Los centelleadores plásticos también son populares. Esencialmente, en aplicaciones de reactores de potencia, beta y gamma son las radiaciones de interés para el monitoreo de partículas.
En otras aplicaciones del ciclo del combustible, como el reprocesamiento nuclear , la detección alfa es de interés. En esos casos, la interferencia de otros isótopos como RnTn es un problema importante, y se utilizan análisis más sofisticados, como el uso de detectores HPGe y analizadores multicanal, cuando se requiere información espectral, como la que se utiliza para la compensación de radón.
La monitorización del yodo radiactivo (especialmente el 131 I) se realiza a menudo utilizando una configuración de monitor de partículas, pero con un medio de recolección de carbón activado , que puede adsorber algunos vapores de yodo, así como formas de partículas. La espectroscopia monocanal se suele especificar para los monitores de yodo.
Respuesta dinámica de CPAM
En [14] se presentan modelos matemáticos detallados que describen la respuesta dinámica y dependiente del tiempo de estos monitores de una manera muy general y no se repetirán aquí. A los efectos de este artículo, se resumirán algunos resultados útiles de ese documento. El objetivo es predecir el contraataque neto de un CPAM para un único nucleido específico creado por el hombre, para un conjunto dado de condiciones. Esa respuesta prevista se puede comparar con el fondo esperado y / o las interferencias (nucleidos distintos del buscado), para evaluar la capacidad de detección del monitor. Las predicciones de respuesta también se pueden utilizar para calcular los puntos de ajuste de alarma que corresponden a los límites apropiados (como los de 10CFR20) en la concentración de radiactividad en el aire en el aire muestreado.
Parámetros del modelo
Los parámetros utilizados en estos modelos se resumen en esta lista:
- Intervalo de tiempo ( t ); hora; medido desde el inicio del paso de concentración
- Concentración ( Q 0 ); actividad / volumen; asumido constante durante el intervalo
- Constante de decaimiento ( λ ); 1 vez; para el nucleido especificado
- Eficiencia de recolección / retención de medios ( φ ); incluye implícitamente la pérdida de línea
- Longitud o radio de la ventana ( L o R ); largo; unidades consistentes con v
- Velocidad de filtrado ( v ); duración / tiempo; la longitud tiene las mismas unidades que L o R
- Tasa de flujo ( F m ); volumen / tiempo; asumido constante durante el intervalo
- Eficiencia de detección ( ε ); recuentos / desintegración; incluye implícitamente la abundancia de emisiones
"Pérdida de línea" se refiere a las pérdidas de material particulado en tránsito desde un punto de muestreo hasta el monitor; por lo tanto, la concentración medida sería algo menor que la del aire muestreado original. Este factor está destinado a compensar estas pérdidas. Las líneas de muestreo están diseñadas específicamente para minimizar estas pérdidas, por ejemplo, haciendo que las curvas sean graduales en lugar de en ángulo recto. [15] Estas líneas (tuberías) son necesarias ya que en muchas aplicaciones el CPAM no puede ubicarse físicamente directamente en el volumen de aire muestreado, como la chimenea principal de una central nuclear o la entrada de aire de ventilación para la sala de control de la planta.
"Abundancia de emisión" se refiere al hecho de que la desintegración de cualquier núcleo dado del isótopo de interés en el análisis CPAM puede no dar como resultado la emisión de la radiación que se detecta (por ejemplo, una partícula beta o un rayo gamma). Por lo tanto, en general habrá alguna fracción de las desintegraciones que emitan la radiación de interés (por ejemplo, el rayo gamma de 662 keV de 137 Cs se emite en aproximadamente el 85% de las desintegraciones de los núcleos de 137 Cs).
Modelo de filtro fijo
Los modelos de respuesta se basan en la consideración de las fuentes y pérdidas de la radiactividad depositada en el medio filtrante. Tomando el caso más simple, el monitor FF, esto conduce a una ecuación diferencial que expresa la tasa de cambio del contador del monitor: [16]
El primer término explica la fuente de radiactividad del aire muestreado, y el segundo término es la pérdida debida a la desintegración de esa radiactividad. Una forma conveniente de expresar la solución de esta ecuación usa la integral de convolución escalar, que da como resultado
El último término representa cualquier actividad inicial en el medio filtrante y, por lo general, se establece en cero (filtro limpio en el momento cero). El recuento inicial del monitor, antes de que comience la concentración transitoria, es solo el debido al fondo ambiental. Si hay progenie de radón, se supone que están en equilibrio y generan un contraataque constante que se suma al contraataque del fondo ambiental.
Varias soluciones para el contador de FF dependiente del tiempo siguen directamente, una vez que se ha especificado una concentración Q (t) dependiente del tiempo . Tenga en cuenta que el caudal del monitor F m se supone constante; si no lo es, y se conoce su dependencia del tiempo, entonces F m (t) debería colocarse dentro de la integral. También tenga en cuenta que la variable de tiempo en todos los modelos se mide desde el instante en que la concentración en el aire muestreado comienza a aumentar.
Modelos de filtros móviles
Para los CPAM de filtro móvil, la expresión anterior es un punto de partida, pero los modelos son considerablemente más complicados, debido a (1) la pérdida de material a medida que el medio filtrante se aleja del campo de visión del detector y (2) las diferencias Períodos de tiempo que partes del medio filtrante han estado expuestas al aire muestreado. El enfoque de modelado básico es dividir las regiones de deposición en pequeñas áreas diferenciales y luego considerar durante cuánto tiempo cada una de esas áreas recibe material radiactivo del aire.
Las expresiones resultantes se integran en la región de deposición para encontrar la respuesta general. La solución RW consta de dos integrales dobles, mientras que la solución de respuesta CW consta de tres integrales triples. Una consideración muy importante en estos modelos es el "tiempo de tránsito", que es el tiempo necesario para que un área diferencial atraviese la ventana a lo largo de su dimensión más larga. En la práctica, el tiempo de tránsito es el tiempo requerido para que todos los elementos diferenciales que estaban en la ventana de deposición en el tiempo cero abandonen la ventana.
Esta figura muestra los contornos de actividad constante en un área de deposición de CW, después de que ha expirado el tiempo de tránsito. El filtro se mueve de izquierda a derecha y la actividad aumenta de izquierda a derecha. Las áreas diferenciales sobre el diámetro han sido las más largas en la ventana de deposición, y en el extremo derecho, han estado en la ventana, acumulando actividad, durante todo el tiempo de tránsito.
Finalmente, para ilustrar la complejidad de estos modelos, la respuesta RW por un tiempo menor que el tiempo de tránsito es [17]
y, además, una de las integrales triples de CW se superpone en el gráfico de contorno.
Modelos de respuesta CPAM seleccionados: concentración constante
En estas ecuaciones, k es una constante de conversión para la conciliación de unidades. Nuevamente, un parámetro muy importante para los monitores de filtro en movimiento es el “tiempo de tránsito” ( T ), que es la longitud (o diámetro) de la ventana dividida por la velocidad de la cinta de filtro v . El contrate se denota por.
Filtro fijo (FF), cualquier vida media
Filtro fijo (FF), de larga duración (LL)
Ventana rectangular (RW), tiempo menor que el tiempo de tránsito T, cualquier vida media
Ventana rectangular (RW), tiempo menor que el tiempo de tránsito T, LL
- Tenga en cuenta que a medida que v se acerca a cero, estas ecuaciones RW se reducen a las soluciones FF.
Ventana rectangular (RW), tiempo mayor o igual que el tiempo de tránsito T, cualquier vida media
Ventana rectangular (RW), tiempo mayor o igual que el tiempo de tránsito T, LL
Respuestas de ventana circular (CW)
- Estas ecuaciones del modelo de respuesta son bastante complicadas y algunas involucran una integral no elemental ; las soluciones exactas se pueden encontrar aquí. [18] Se muestra aquí, [19] sin embargo, que se puede obtener una aproximación razonable para predecir la respuesta CW usando las ecuaciones RW anteriores, con una longitud de ventana "ajustada" L CW usada en cada ocurrencia del parámetro L , excepto que el tiempo de tránsito CW T CW se encuentra a partir de 2R / v, no a partir del uso de L CW como se indica aquí en la relación T RW L / v. Por lo tanto,
Gráficos de respuesta de CPAM de ejemplo
Estos gráficos muestran las respuestas de recuento de CPAM predichas para estos ajustes de parámetros: Eficiencia de detección, 0,2; Tasa de flujo, 5 pies cúbicos por minuto (cfm); Eficiencia de recolección, 0,7; Concentración constante, 1E-09Ci / cc; Longitud de la ventana rectangular, 2 pulgadas; Radio de ventana circular, 1 pulgada; Velocidad de soporte (cinta), 1 pulgada / hora. La concentración aumenta instantáneamente a su valor constante cuando el tiempo alcanza los 30 minutos, y hay un fondo constante de 100 recuentos por minuto (cpm). Nota: un microcurio (Ci) es una medida de la tasa de desintegración, o actividad, de una fuente radiactiva; son 2.22E06 desintegraciones por minuto.
En la gráfica LL, observe que el recuento de FF sigue aumentando. Esto se debe a que no hay una pérdida significativa de radiactividad del medio filtrante. Los monitores RW y CW, por otro lado, se acercan a un contador límite y la respuesta del monitor permanece constante siempre que la concentración de entrada permanezca constante.
Para la gráfica SL, las tres respuestas del monitor se acercan a un nivel constante. Para el monitor FF, esto se debe a que los términos de fuente y pérdida se igualan; desde 88 Rb tiene una vida media de aproximadamente 18 minutos, la pérdida de material radiactivo del medio de filtro es significativa. Esta pérdida también ocurre en los monitores RW y CW, pero allí también juega un papel la pérdida debida al movimiento del filtro.
En ambas gráficas, se agrega "ruido" de Poisson y se aplica un filtro digital de ganancia constante , emulando las respuestas de contraataque como se observarían en un CPAM moderno. Las líneas horizontales de puntos son los contrastes limitantes calculados a partir de las ecuaciones dadas en la sección anterior.
También en ambas parcelas se indican los tiempos de tránsito; tenga en cuenta que estos tiempos se miden desde el inicio de la concentración, en el tiempo de 30 minutos, no desde el tiempo arbitrario cero de las gráficas. En estos gráficos de ejemplo, la longitud del RW y el diámetro del CW son iguales; si no fueran iguales, los tiempos de tránsito no serían iguales.
El problema inverso: estimar una concentración a partir de la respuesta observada
Al tener modelos matemáticos que pueden predecir la respuesta de CPAM, es decir, la salida del monitor, para una entrada definida (concentración de material radiactivo en el aire), es natural preguntarse si el proceso se puede "invertir". Es decir, dada una salida de CPAM observada , ¿es posible estimar la entrada al monitor?
Un "método cuantitativo" engañoso para las CPAM de filtro móvil
Una serie de enfoques para este problema inverso se abordan en detalle en. [20] Cada método tiene sus ventajas y desventajas, como cabría esperar, y un método que podría funcionar bien para un monitor de filtro fijo puede ser inútil para un monitor en movimiento. monitor de filtro (o viceversa).
Una conclusión importante de este artículo es que, para todos los propósitos prácticos, los monitores de filtro móvil no se pueden utilizar para la estimación cuantitativa de una concentración dependiente del tiempo . El único método de filtro móvil que se ha utilizado históricamente implica un supuesto LL de concentración constante, que conduce a la expresión RW:
o para CW,
Por tanto, una estimación de la concentración está disponible sólo después de que ha expirado el tiempo de tránsito T ; en la mayoría de las aplicaciones de CPAM, este tiempo es del orden de varias (por ejemplo, 4) horas. Si es razonable suponer que la concentración se mantendrá constante durante este período de tiempo, y suponer además que solo están presentes nucleidos de vida larga, es al menos discutible, y se puede argumentar que en muchas situaciones prácticas estas suposiciones no son realistas. .
Por ejemplo, en aplicaciones de detección de fugas de reactores de potencia, como se menciona en la primera sección de este artículo, se utilizan CPAM, y un nucleido primario de interés es 88 Rb, que está lejos de ser de larga duración (vida media de 18 minutos). Además, en el entorno dinámico de un edificio de contención de reactor , no se esperaría que la concentración de 88 Rb permaneciera constante en una escala de tiempo de horas, como lo requiere este método de medición.
Sin embargo, sea realista o no, durante décadas ha sido la práctica de los proveedores de CPAM proporcionar un conjunto de curvas (gráficos) basados en las expresiones anteriores. [21] Estos gráficos tienen concentración en el eje vertical y contador neto en el eje horizontal. A menudo hay una familia de curvas, parametrizadas en la eficiencia de detección (o etiquetadas como nucleidos específicos). La implicación de proporcionar estos gráficos es que se debe observar un recuento neto, en cualquier momento, ingresar al gráfico en este valor y leer la concentración que existe en ese momento. Por el contrario, a menos que el tiempo sea mayor que el tiempo de tránsito T, el nucleido de interés sea de larga duración y la concentración sea constante durante todo el intervalo, este proceso conducirá a estimaciones de concentración incorrectas.
Métodos cuantitativos para aplicaciones CPAM
Como se analiza en el documento de referencia, existen al menos 11 métodos cuantitativos posibles para estimar la concentración o las cantidades derivadas de ella. La "concentración" puede ser sólo en un momento específico, o puede ser un promedio durante algún intervalo de tiempo; este promedio es perfectamente aceptable en algunas aplicaciones. En unos pocos casos, se puede estimar la concentración dependiente del tiempo en sí misma. Estos diversos métodos involucran el contador, la derivada del tiempo del contador, la integral del tiempo del contador y varias combinaciones de estos.
El contador se desarrolla, como se mencionó anteriormente, a partir de los pulsos del detector en bruto mediante un medidor de velocidad analógico o digital. Los recuentos integrados se obtienen fácilmente simplemente acumulando los pulsos en un "escalador" o, en implementaciones más modernas, en software. Es difícil estimar la tasa de cambio (derivada del tiempo) del contador con una precisión razonable, pero los métodos modernos de procesamiento de señales digitales pueden utilizarse con buenos resultados.
Resulta que es muy útil encontrar la integral de tiempo de la concentración, en lugar de estimar la concentración dependiente del tiempo en sí. Es esencial considerar esta opción para cualquier aplicación de CPAM; en muchos casos, la concentración integrada no solo es más útil en un sentido de protección radiológica , sino que también se logra más fácilmente, ya que es difícil estimar una concentración en (más o menos) tiempo real.
Por ejemplo, la actividad total liberada de una pila de plantas durante un intervalo de tiempo es
Luego, para un monitor de filtro fijo, asumiendo una pila constante y un caudal de monitorización, se puede demostrar que [22]
de modo que la liberación sea una función tanto del contador como del recuento integrado. Este enfoque se implementó en la Central Nuclear SM-1 a fines de la década de 1960, para estimar las liberaciones de purgas de contención episódicas , con un nucleido predominante y fuertemente variable en el tiempo de 88 Rb. [23] Para un nucleido LL, el término integral se desvanece y la liberación depende sólo del contraataque obtenido. Se aplica una ecuación similar para la situación de exposición ocupacional, reemplazando la tasa de flujo de la chimenea con la tasa de respiración de un trabajador.
Una sutileza interesante de estos cálculos es que el tiempo en las ecuaciones de respuesta de CPAM se mide desde el inicio de un transitorio de concentración, por lo que se debe desarrollar algún método para detectar el cambio resultante en un contraataque ruidoso. Una vez más, esta es una buena aplicación para el procesamiento estadístico de señales [24] que es posible gracias al uso de la potencia de cálculo en los CPAM modernos.
Cuál de estos 11 métodos usar para las aplicaciones discutidas anteriormente no es especialmente obvio, aunque hay algunos métodos candidatos que lógicamente se usarían en algunas aplicaciones y no en otras. Por ejemplo, el tiempo de respuesta de un método cuantitativo CPAM dado puede ser demasiado lento para algunas aplicaciones y perfectamente razonable para otras. Los métodos también tienen sensibilidades variables (capacidades de detección; qué tan pequeña es la concentración o cantidad de radiactividad que se puede detectar de manera confiable ), y esto debe formar parte de la decisión.
Calibración CPAM
La calibración de un CPAM generalmente incluye: (1) elegir un método cuantitativo; (2) estimar los parámetros necesarios para implementar ese método, en particular la eficiencia de detección de nucleidos especificados, así como la pérdida de la línea de muestreo y los factores de eficiencia de recolección; (3) estimar, en condiciones específicas, la respuesta de fondo del instrumento, que es necesaria para calcular la sensibilidad de detección. Esta sensibilidad a menudo se denomina concentración mínima detectable o MDC, asumiendo que una concentración es la cantidad estimada por el método cuantitativo seleccionado.
Lo que es de interés para el MDC es la variabilidad (no el nivel) del contador de fondo de CPAM. Esta variabilidad se mide utilizando la desviación estándar ; Se debe tener cuidado de tener en cuenta el sesgo en esta estimación debido a la autocorrelación de las lecturas secuenciales del monitor. El sesgo de autocorrelación puede hacer que el MDC calculado sea significativamente más pequeño de lo que realmente es, lo que a su vez hace que el monitor parezca capaz de detectar de manera confiable concentraciones más pequeñas de lo que realmente puede.
Un análisis de incertidumbre para la cantidad estimada (concentración, liberación, absorción) también es parte del proceso de calibración. Otras características de rendimiento pueden formar parte de este proceso, como estimar el tiempo de respuesta, estimar el efecto de los cambios de temperatura en la respuesta del monitor, etc.
Tabla de magnitudes de medición de radiación
Esto se da para mostrar el contexto de las unidades de EE. UU. Y del SI.
Cantidad | Nombre | Símbolo | Unidad | Año | Sistema |
---|---|---|---|---|---|
Exposición (X) | Röntgen | R | esu / 0.001293 g de aire | 1928 | no SI |
Dosis absorbida (D) | ergio • g −1 | 1950 | no SI | ||
rad | rad | 100 ergio • g −1 | 1953 | no SI | |
gris | Gy | J • kg −1 | 1974 | SI | |
Actividad (A) | curie | Ci | 3,7 × 10 10 s −1 | 1953 | no SI |
becquerel | Bq | s −1 | 1974 | SI | |
Dosis equivalente (H) | hombre equivalente de röntgen | movimiento rápido del ojo | 100 ergio • g −1 | 1971 | no SI |
sievert | SV | J • kg −1 | 1977 | SI | |
Fluencia (Φ) | (área recíproca) | cm −2 o m −2 | 1962 | SI (m −2 ) |
Aunque la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos permite el uso de las unidades curie , rad y rem junto con las unidades SI, [25] las directivas de unidades de medida de la Unión Europea requieren que se elimine gradualmente su uso con fines de "salud pública ..." antes del 31 de diciembre de 1985. [26]
Referencias
- ^ Para el material de esta sección introductoria, véase, por ejemplo, Harrer y Beckerley, Manual de sistemas de instrumentación de reactores de potencia nuclear , TID-25952-P1, NTIS (1973), vol. 2 Sección 13.6.2, ISBN 0-87079-005-6 ; Eisenbud, Environmental Radiactivity , Academic (1973), pág. 449; Evaluación de la radiactividad en el aire , Organismo Internacional de Energía Atómica (1967), pág. 24
- ^ ANSI 42.18-2004, Especificación y rendimiento de instrumentación en el sitio para monitorear continuamente la radiactividad en efluentes
- ^ Evans, WC, "Evaluación cuantitativa de Rb-88 que varía en el tiempo utilizando monitores de aire continuos", Trans. Soy. Nucl. Soc. , 24 (1976), pág. 129 [1]
- ^ ANSI 13.1-1999, Muestreo y control de emisiones de sustancias radiactivas en el aire de las chimeneas y conductos de instalaciones nucleares
- ^ 10CFR50 Apéndice A
- ^ Guía reglamentaria 1.21
- ^ ANSI 42.17B-1989, Especificaciones de rendimiento para instrumentación de física de la salud: instrumentación de monitoreo de radiactividad en el aire ocupacional
- ^ 10CFR20
- ^ Ver, por ejemplo, Harrer y Beckerley, Capítulos 13, 16
- ^ Guía reglamentaria 1.45 Sistemas de detección de fugas en el límite de presión del refrigerante del reactor, USNRC [2]
- ^ Evans, WC, "Modelado de dinámica de concentración para predicción de respuesta de monitor de aire de partículas continuas", Transacciones de IEEE sobre ciencia nuclear , 49 , 5, octubre de 2002 [3]
- ^ 10CFR50
- ^ Gardner y Ely, Aplicaciones de medición de radioisótopos en ingeniería , Reinhold (1967), págs. 274-279
- ^ Evans, WC, "Modelos matemáticos para la respuesta dinámica de los monitores de aire de partículas continuas", IEEE Transactions on Nuclear Science , 48 , 2, abril de 2001 [4]
- ^ Ver Ref. [4]
- ^ Ref. [14], pág. 203 y referencias en el mismo.
- ^ Ref. [14], pág. 205
- ^ Ref. [14], págs. 211-212.
- ^ Ref. [14], págs. 208-209.
- ^ Evans, WC, "Métodos cuantitativos para la monitorización continua del aire en partículas", Transacciones de IEEE sobre ciencia nuclear , 48 , 5, octubre de 2001 [5]
- ^ Ref. [20], pág. 1640
- ^ Ref. [20], pág. 1645; ver también Ref [3]
- ^ Ref. [3]
- ^ Por ejemplo, consulte Basseville y Nikiforov, Detección de cambios abruptos: teoría y aplicación , Prentice-Hall (1993) ISBN 0-13-126780-9
- ^ 10 CFR 20.1004 . Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. 2009.
- ^ El Consejo de las Comunidades Europeas (1979-12-21). "Directiva 80/181 / CEE del Consejo, de 20 de diciembre de 1979, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de unidad de medida y derogación de la Directiva 71/354 / CEE" . Consultado el 19 de mayo de 2012 .