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无人机核辐射航测技术在日本广域辐射监测中的应用研究

发布时间:2019-06-27 13:41 来源:未知 编辑:admin

  无人机核辐射航测技术在日本广域辐射监测中的应用研究_兵器/核科学_工程科技_专业资料。第 34 卷第 3 期 2014 年3 月 核电子学与探测技术 Nuclear Electronics & Detection Technology March. 2014 Vo

  第 34 卷第 3 期 2014 年3 月 核电子学与探测技术 Nuclear Electronics & Detection Technology March. 2014 Vol . 34No. 3 无人机核辐射航测技术在日本广域 辐射监测中的应用研究 马晓宇 , 孟德 1,3 2 (1. 中核控制系统工程有限公司,北京 100176;2. 环境保护部核与辐射安全中心, 北京 100082;3. 清华大学,北京 100084) 摘要:福岛事故中大量的放射性物质被释放到环境中。 日本政府、地方政府、当地居民等要求获得 直观易懂的辐射剂量率分布和放射性铯累积状况等信息。 并且, 剂量率会随着放射性物质的衰减、 降 雨、去污等导致大幅度的变化,所以广域的放射性物质过渡评价日益受到人们关注。 但是,测量仪等的 固定点监测和车载移动监测对污染程度整体把握和研究防护措施是不够的。 论文介绍了日本的无人机 核辐射航测在广域辐射剂量率分布监测、放射性铯的扩散抑制等方面的技术应用状况,以期为我国的核 安全监测和防护提供参考。 关键词:核辐射航测;无人机;广域辐射监测;核安全 中图分类号:TL 99文献标志码:A文章编号:0258- 0934(2014)03- 0409- 05 近年来, 从空中收集自然灾害和事故现场 等信 息 的 需 求 日 益 增 加 。 特 别 是 无 人 机 ( UAV,Unmanned Aerial Vehicle ), 因其可以进 入人难以到达的地域中去,作为安全、高效获取 信息的手段而备受关注。 2011 年 3 月发生的 东日本大地震中,通过无人机把握福岛第一核 电站受灾状况的情景还记忆犹新。 无人机,大致分为东日本大震灾时从关岛 飞到福岛的美军全球鹰( RQ -4 Global Hawk ) 为代表的大型无人飞机和机体重量在 100 kg 以下的小型无人飞机。 大型无人飞机由搭载的 各种传感器( 照相机、 雷达等)、航空器材、 通信 器材, 可远距离高空飞行的机体以及大规模的 地面支援设备构成, 并且由专业的人员和组织 运行。 另一方面,最近手机、电脑和相机等为代表 的电子设备的性能进步显著, 可以用更小更轻 量的设备实现以往同等或以上的性能。 目前, 日本正在积极采用这些最新技术开发可以监测 核灾害并且运用简便的小型无人飞机系统用于 核辐射监测。 关注小型无人机核辐射监测技术 的最新发展, 把握辐射环境监测技术的发展趋 势对我国监测体系建设的完善可以起到指导、 借鉴的作用。 1 核事故时的无人机核辐射监测 1畅 1 核事故时的事项推移和航空监测 发生核事故时的事项推移及其对应的航空 监测如图 1 所示。 事故早期,由有明显放射性物质释放的先 兆,即开始发现有可能使厂区外公众受到照射 时起,直到释放开始后的最初几小时至几天。 在此阶段, 大部分释放到大气中的放射性物质 漂浮在空中,出动无人机搭载监测系统,可迅速 确认有无放射性物质的大气释放及其规模。 在事故中期,由开始释放放射性物质的最 409 收稿日期:2014 - 01 - 20 作者简介:马晓宇(1981 - ),女,山西省大同市人,在 读博士研究生,从事核工程仪控相关课题研究。 通 信作者:孟德, Email : mengde @chinansc . cn。 图 1核事故时的事项推移及其对应 的航空监测 初几小时至几天或几周。 本阶段开始时, 已有 大部分放射性物质进入大气,而且大部分放射 性物质可能已沉降于地表,污染居民区。 因此, 在这个阶段主要把监测重点放在大范围的地表 污染状况的把握上。 搭载有大型伽马射线测量 仪和光谱仪的无人机,可测量地表放射性物质 的核素浓度,更精确地把握污染分布状况。 事故晚期,也称为恢复期。 可由事故后数 周至几年。 在此阶段, 环境放射水平随着放射 性物质的衰减、降雨、去污等等导致大幅度的变 化。 用无人机定期观测监测点, 以研究和发现 [1 - 2] 环境辐射水平的变化 。 航空监测,特别是无人机的核辐射航测,起 飞着陆简便, 飞行员和监测人员受辐射伤害风 险小。 因此,在发生核事故的各阶段出动无人 机,可快速掌握环境放射水平和放射性物质的 累积、扩散情况,为研究事故对策搜集信息。 1畅 2 无人机的性能要求 在异常事件发生后, 无人机在放射源周边 空域飞行,把图像和放射线的测量结果发送给 地面基地。 周边有大型建筑物、排气塔、 送电线等,无人机需要在这些障碍物存在的情 况下安全飞行。 另外,紧急情况时,必须迅速派出器材和人 员、在适当的场所设置临时基地、迅速起飞无人 机。 无人机需要具备能把飞行中测量的空气吸 收剂量率、测量路线等信息以及摄像机拍摄到 的影像实时向基地传送的功能。 获得上述信息后, 基地需要能把这些信息 迅速向相关部门传送的功能。 在无人机回到基 地后,还需要迅速实施污染确认、去污、 和撤离 的一系列过程。 平时,无人机用于测量的本底辐射 水平,实施定期监测飞行,出动进行国家或地方 410 的核防灾训练等。 根据的特点, 从安全 和高效的观点出发事先决定无人机的飞行顺序 和飞行路线 搭载设备 搭载设备至少需要可远程操作的摄像装置 和放射线测量仪器及监测数据传送装置。 摄像 设备需要配置防振动装置, 具备可视或红外线 摄像功能。 红外线摄像用于热源勘探和夜间监 视使用。 在一个支架上可以同时安装可视和红 外线摄像机镜头, 不过通常重量在 20 kg 左右 或以上, 如果无人机搭载能力余量不够的话可 以采用可交换式。 探测器通常采用测量伽马射线的无机闪烁 体 NaI 、LaBr3 等探测器。 需要有足够的灵敏度 响应,当监测场所放射性剂量水平变化时,仪器 的读数要随之而变化。 设备需要有较高的抗震 性和对恶劣环境条件的 ( 温度、 湿度、 压力 ) 耐 [3 - 5] 受能力 。 1. 2. 2 飞行性能的要求 在发生核事故时, 迅速把握是否有放射性 物质放出及其规模,对研究事故对策,比如判断 是否实施载人航测和应急疏散极其重要。 事故早期,无人机在设施边界附近巡回飞 行,测量空气吸收剂量率等,把握是否有放射性 物质的释放及其规模。 随后, 在下风方向空域 悬停并进行测量,更精确地把握放射性物质放 出规模和释放方向。 如果是固定翼飞机, 可用 盘旋飞行代替悬停飞行。 然后在应急计划区内 作曲线飞行, 探查扩散范围。 多次实施这样的 测量后, 在地面的监控设备还无法准确测量时 就可以获得放射性物质释放的信息,根据上述 信息、判断可否实施载人航测以及设定安全飞 行的高度。 考虑到排气塔高度 (100 ~ 150 m 左右) 的 剂量率最大, 无人机在同高度左右实施监测。 另外,在无人机后实施的载人航测飞行高度约 为排气塔高度的两倍左右。 在载人机的飞行高 度预先用无人机实施监测, 载人航测就可以安 全实施了。 为了能够在应急计划区( 半径 10 km) 内下 风领域实施监测飞行,续航距离和电波接收范 围最好能保证 10 km 以上。 2 无人机在广域核辐射监测中的应用 日本原子能研究开発机构 ( JAEA ) 受日本 文部科学省的委托,从 2011 年开始展开大规模 的放射性物质的分布状况调查活动, 通过测量 仪等进行地上的固定点位监测、车载移动监测、 载人飞机航测, 把握了广范围地域的空气吸收 剂量率和放射性铯的沉积量的详细分布状况。 但是,根据日本航空法的规定,福岛第一核 电站半径 3 km 上空为禁飞区,在此区域内只实 施了固定点位和车载移动测量, 即 " 点" 和" 线" 的测量,还没有通过飞机实施" 面" 的测量。 因此, JAEA 于 2012 年 10 月 2 日 ~20 日, 在 福岛第一核电站 3 km 左右的双叶镇使用无人 直升机正式开始核辐射监测。 此次的调查利用 不受航空法限制,能够低空飞行的无人直升机 调查 3 km 范围内的放射性铯的详细沉积状况, 把握空气吸收剂量率的状况,以及放射性物质 [6 - 8] 沉积状况的变化趋势 。 2畅 1 器材组成 无人机采用具有自主飞行功能的雅马哈 RMAX - G1 型,搭载了伽玛射线 探测器, 可以实时向地面基地传送放射线数据。 地面基 地的监控 设备和无人直升机 之间 进 行 图 像、 GPS 电波、测量数据、 控制命令等的收发作业。 地面器材和无人机可以搭载一辆汽车搬运。 具 体的各项性能参数如表 1 所示。 表 1 无人直升机的各项性能参数 机体全长及重量 全长 : 不超过 4 m 重量 : 不超过 100 kg 测量时的飞行速度 :5 ~ 8 m/ s 飞行性能 连续时间 :60 min 以上 最高高度 :150 m 以上 悬停精度 :3 m 以下 飞行范围 :3 km 以上 控制性能 搭载能力 信息传送功能 铯以外的伽马射线的影响, 评价其对 (1) 中测 量的空气吸收剂量率、放射性铯的沉积量的影 响。 (3) 以(1)、( 2) 的评价结果为基础, 绘制 福岛第一核电站 3 km 范围内空气吸收剂量率 的分布图和放射性铯的沉积量分布图。 (4) 使用无人直升机沿着河畔实施监测, 绘制河岸周边地表 1 m 高度的空气吸收剂量率 和放射性铯的详细分布图。 (5) 以(3) 的结果为基础,除了确认福岛第 一核电站 3 km 范围内的空气吸收剂量率,放射 性铯的沉积量的状况外、 定期实施 (4) 的调查, 把握河岸周辺空气吸收剂量率和放射性铯的沉 积量的变化情况。 2畅 3 测量结果 2. 3. 1 空气吸收剂量率和放射性铯沉积量分布 使用无人直升机调查福 岛第一核电站 3 km 范围内的空气吸收剂量率及放射性铯的沉 积量,其结果如下显示。 (1) 获得了空气吸收剂量率和放射性铯的 积累状况分布图( 图 3,4,5)。 (2) 确认了载人飞机航测无法测量的福岛 第一核电站 3 km 范围内的详细分布。 (3) 第一次追踪核电站附近的烟羽路线, 为分析放射性物质释放的路径提供了重要数 据。 (4) 确认了短时间内完成广范围的测量是 可能的。 可以根据 指 定 坐 标 、 航 线 飞 行 , 可 安定地在空中悬停 、 前后 、 左右 、 上 下移动 10 kg 以上 图像 、 监测 数 据 、 直 升 机 飞 行 控 制 信号传送 2畅 2 测量方法 (1) 应用无人直升机,在福岛第一核电站 3 km 区域内实施监测。 测量地表 1 m 高度的空 气吸收剂量率及地表的放射性铯的沉积量。 (2) 确认福岛第一核电站 3 km 范围内由 核电站设施起因的放射线和地表累积的放射性 图 2无人机探测器测量到的伽马射线 河岸周边放射性铯的沉积量变化状况 在河川流域 ( 請戸川流域 ) 上空使用无人 直升机监测确认了放射性铯通过河川转移的现 象。 河岸周边放射性铯的沉积量的变化状况如 图 6 所示。 (1) 在請戸川流域等方面确认了河岸周边 411 (2) 在請戸川流域,2012 年 3 月的测量半 年后(10 月), 确认了流域下游, 特别是汇合处 放射性铯的增加。 (3) 为放射性铯的转移评价研究数据提供 了参考数据。 图 6河岸周边放射性铯的沉积量 的变化状况 图 3地表 1 m 高处的空气吸收 剂量率分布 图 4地表铯 134 的沉积量分布 2畅 4 存在课题 日本原子能研究开発机构 ( JAEA ) 使用无 人机调查福岛第一核电站 3 km 范围内空气吸 收剂量率分布、放射性铯的详细沉积分布状况, 以及放射性物质沉积状况的变化趋势, 取得了 很好的结果。 证明无人机核辐射航测系统具有 灵活、高效、快速并且测量精确的优点。 但是,无人机因为重量轻 ( 一般 100 kg 以 下)、体积小,比起载人航测存在续航距离和搭 载能力不足,搭载设备单一,容易受到恶劣天气 ( 强风、雨等) 影响的问题。 为了实现无人核辐 射监测系统的实用化并普及,需要: (1) 增加最长续航距离和搭载能力。 考虑 到活动范围的扩大和人员的安全,,需要在尽量 远距离的地方实施测量操作。 另外, 需要搭载 更大型或多台精密监测装置。 (2) 搭载设备的多样化。 除了伽马射线测 量仪以外,研究搭载大气集尘器、中子探测器及 其运用方案。 (3) 具有耐恶劣环境性能。 确保在降雨和 放射性环境下运用能力。 3 结论和建议 无人机可以进入高危区和森林等人很难进 出的地方实施监测。 因为只要飞行一次就能记 录飞行航线,因此可以事先给出程序,在同一航 线进行飞行, 根据除污前后的飞行监测可以观 测到除污效果及随时间变化的放射性水平变 动。 并且可以实施远程操作, 减少工作人员的 受辐射量,是一款简便、 高效、 安全的核辐射监 测系统。 目前我国建成发电的核电机组有 15 台、在 图 5地表铯 137 的沉积量分布 有放射性铯的显著累积。 412 建核电机组 30 台, 防止核事故,确保核安全的 任务艰巨。 而要提高核电厂安全水平, 需要运 用最新的知识经验和硬件设施来开展应急准备 和响应。 建议我国: (1) 加强无人机核辐射监测系统的开发并 投入使用。 (2) 确立通常和应急时无人机监测系统的 运用体制和维护管理体制,明确系统的所有人、 管理者等。 (3) 考虑各个的特点, 制定通常和 应急时的运用方案。 参考文献: [1] 国家核安全局. HAD002 / 03, 核事故辐射应急时对 公众防护的干预原则和水平[ S]. 1991. [2] 李宏宇. 福岛核事故对国际辐射监测发展的影响 [ J]. 科技创新与应用,2013,(6):119 - 120. [3] 肖雪夫,岳清宇.可携式就地 HPGe γ谱仪的刻度 及初步应用[ J].辐射防护,l993,13(6):435 - 448. 射防护,2005,25(6):347 - 356. [4] 王南萍. 环境 γ能谱测量方法研究及应用 [ J ]. 辐 [5] 周 程,朱晓翔, 黄 昕.x - γ辐射剂量率仪在辐射 31(6 ):706 - 709. 监测中的选用探讨 [ J ].核电子学与探测技术,2011, [6] 日本原子能监管委员会.第一次无人直升机调查 福岛第一核电站 3 km 范围内空气吸收剂量率分布结 jaea . go. jp / mapdb / portals / 105001 / . 果[ EB / OL]. ( 2012. 10) [2014,05,19] https : / / mapdb . [7] 日本原子能研究开発机构 ( JAEA ). 远距离放射线. pdf . 监测技术的高度化 [ EB / OL ] . (2013. 03. 22 ) [2014, [8] 日本原子能研究开発机构 ( JAEA ). 放射线] . http:/ / fukushima . jaea . go. jp / initiatives / cat01 / 量技术的高度化 [ EB / OL ] . (2014. 01. 21) [2014,05, 19 ] .http:/ / fukushima .jaea.go.jp / initiatives / cat01 / The Study Based on the Application of UAV Radiation Monitoring Technology for Wide Area in Japan (1. China Nuclear Control System Engineering Co . ltd ,Beijing , 100176 China ; MA Xiao - yu , MENG De 1,3 2 2. Nuclear and Radiation Safety Center , MEP, Beijing 100082, China ;3. Tsinghua University ) Abstract:Substantial radioactive substances are released into environment in Fukushima nuclear accident .The Japanese government , local governments , local residents ask for straightforward information such as radiation dose rate distribution , and radioactive cesium accumulation conditions . And dose rate will subject to substantial fixed point monitoring devices and vehicle - mounted mobile monitoring devices are not enough for grasping the change by the decay of radioactive substances , rainfall , decontamination , so the radioactive material transition evaluation in wide area is getting more and more attention by people .However , measuring instrument such as overall pollution levels and deciding on the protective measures .The application of UAV radiation monitoring technology such as the monitoring of radiation dose rate distribution , the inhibition of radioactive cesium spread and protection . nuclear safety in wide area in Japan are introduced , in order to provide reference for our country ' s nuclear safety surveillance Key words:nuclear radiation airborne surveying ; unmanned aerial vehicle ; radiation monitoring for wide area ; 413

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