Nguyên lý làm việc của thiết bị điều khiển hạt nhân trong công nghiệp, an toàn bức xạ, diễn tập sự cố bức xạ

MỤC LỤC 1 I. Tổng quan về các thiết bị đo hạt nhân sử dụng trong công nghiệp 2 I.1 Định nghĩa đo hạt nhân 2 1.2 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đo hạt nhân 2 I.3. Các nguyên lý cơ bản trong ghi đo hạt nhân 3 I.4. Phân loại đo hạt nhân 3 I.5 Các bộ phận của máy đo hạt nhân 6 I.6 Các loại thiết bị đo hạt nhân và các vấn đề an toàn, an ninh 9 II. Các vấn đề an toàn bức xạ liên quan trong sử dụng thiết bị ghi đo hạt nhân 25 II.1. Các vấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với hệ đo cố định 25 II.2. Các vấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với loại đo đi động 25 III. Tóm tắt bài giảng và các lưu ý: 26

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ VÀ DỊCH VỤ KHOA HỌC AE BÀI GIẢNG AN TOÀN BỨC XẠ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN HẠT NHÂN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN BỨC XẠ LIÊN QUAN Hà Nội – 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC I Tổng quan thiết bị đo hạt nhân sử dụng công nghiệp I.1 Định nghĩa đo hạt nhân 1.2 Ưu điểm, nhược điểm hệ thống đo hạt nhân I.3 Các nguyên lý ghi đo hạt nhân I.4 Phân loại đo hạt nhân I.5 Các phận máy đo hạt nhân I.6 Các loại thiết bị đo hạt nhân vấn đề an toàn, an ninh II Các vấn đề an toàn xạ liên quan sử dụng thiết bị ghi đo hạt nhân 25 II.1 Các vấn đề an toàn xạ cần lưu ý hệ đo cố định 25 II.2 Các vấn đề an toàn xạ cần lưu ý loại đo động 25 III Tóm tắt giảng lưu ý: 26 I Tổng quan thiết bị đo hạt nhân sử dụng công nghiệp I.1 Định nghĩa đo hạt nhân Đo hạt nhân công nghệ sử dụng xạ ion hố phát từ nguồn xạ (chất phóng xạ máy phát tia X) để khảo sát, kiểm tra, đo đạc, phân tích xử lý hệ thống, dây chuyển sản xuất Phương pháp đo hạt nhân thực cơng việc sau: - Phân tích thành phần vật liệu, sản phẩm; - Kiểm sốt chất lượng sản phẩm; - Điều khiển dây chuyền sản xuất; Thiết bị đo hạt nhan sử dụng nhiều ngành công nghiệp, phần lớn việc kiểm sốt q trình kiểm sốt chất lượng Dịng vật Kiểm soát chắn Đầu thu Nguồ Cửa chắn Che Về bản, thiết bị bao gồm nguồn xạ (nguồn phóng xạ tia X) che chắn, thiết bị ghi nhận xạ hệ thống tính tốn 1.2 Ưu điểm, nhược điểm hệ thống đo hạt nhân Ưu điểm: Ứng dụng công nghệ sử dụng thiết bị đo hạt nhân có số ưu điểm sau: Con người không tiếp xúc với vật liệu cần kiểm tra, xử lý Không phá huỷ sản phẩm cần kiểm tra; Có thể thực trực tuyến theo thời gian thực Chính xác cao ổn định lâu dài Lắp đặt đơn giản làm gián đoạn q trình vận hành Nhược điểm: Khi sử dụng xạ ion hóa gây mối nguy hiểm cho nhân viên cơng chúng Do đó, thiết bị phải an toàn sử dụng cách an toàn I.3 Các nguyên lý ghi đo hạt nhân Cường độ xạ truyền qua tính tốn sử dụng cơng thức sau: Trong đó, I Io I = Io e-(en/) x = cường độ xạ sau qua vật liệu; = cường độ xạ ban đầu trước vào vật liệu; en/ = hệ số hấp thụ khối vật liệu (cm2 mg-1); x = bề dày mật độ vật liệu (mg.cm-2) Cường độ xạ phản xạ tán xạ ngược tính tốn theo cơng thức sau: Trong đó, I Io I = Io (1 – e-(en /) x) = cường độ xạ tán xạ ngược; = cường độ xạ ban đầu trước vào vật liệu; en/ = hệ số hấp thụ khối vật liệu (cm2.mg-1 ); x = bề dày mật độ vật liệu (mg.cm-2) I.4 Phân loại đo hạt nhân Đo hạt nhân phân loại theo Chế độ hoạt động - Đo xạ truyền qua - Đo xạ tán xạ ngược Loại nguồn phóng xạ sử dụng - Gamma (), tia X - Beta () - Neutron (n) I.4.1 Máy đo sử dụng hiệu ứng truyền qua Nguyên lý: Nguồn xạ đặt phía đối diện với dầu dò, cho tia xạ sau khỏi nguồn phát vào vật liệu cần kiểm tra tiếp đến đầu dị theo đường thẳng Cường độ xạ tới đầu dò mang thơng tin vật liệu mà qua (có thể độ dày, mật độ chí thành phần) Mật độ độ dày vật cần kiểm tra đo ta so sánh với mẫu chuẩn Nguồn Che chắn Mẫu đo Đầu dò Thiết bị đo Sơ đồ nguyên lý bố trí thiết bị phương pháp đo truyền qua Ví dụ sử dụng nguồn ứng dụng máy đo truyền qua Hoạt độ nguồn phóng xạ điện áp máy tia X sử dụng đo truyền qua phụ thuộc vào đặc điểm vật liệu cần kiểm tra, phụ thuộc vào cấu hình vật liệu kiểm tra (ví dụ đo mật độ vật liệu đường ống với đường kính khác phải sử dụng hoạt độ khác nhau), phụ thuộc vào độ nhạy mong muốn Thông thường, phép đo truyền qua hoạt độ nguồn thường dùng khoảng 10 MBq máy đo dùng nguồn beta, vài trăm GBq với máy đo dùng nguồn gamma I.4.2 Máy đo dùng hiệu ứng tán xạ ngược Nguyên lý: Đầu dị nguồn bố trí phía so với vật cần kiểm tra Đầu dò phải che chắn tia xạ đến trực tiếp Các tia xạ tương tác mạnh với vật chất có mật độ độ dày cao Đầu dò đo tia xạ phản xạ lại từ vật thử nghiệm Với cấu trúc hình học hợp lý ta đo mật độ độ dày vật cần đo Sơ đồ bố trí thiết bị đo tán xạ ngược Ví dụ sử dụng nguồn ứng dụng máy đo tán xạ ngược Hoạt độ nguồn thường dùng khoảng từ 10 đến hàng trăm MBq máy đo dùng nguồn beta vài trăm GBq với máy đo dùng nguồn gamma Nguồn nơtron thường dùng khoảng GBq I.4.3 Máy đo sử dụng hiệu ứng phản ứng Nguyên lý: Tia gamma, tia X ion hóa nguyên tử nguyên tố làm cho nguyên tố phát tia X thứ cấp (hiệu ứng huỳnh quang) với lượng đặc trưng cho vật liệu bị chiếu Nguồn nơtron dùng biến chất khơng phóng xạ thành chất phóng xạ Các hạt nhân phóng xạ hình thành tương tác hạt nhân bền với nơtron phát tia gamma đặc trưng xác định cách xác định lượng chúng Đầu dò Nguồn Mạch điện tử Che chắn Máy phổ Mẫu Mô tả nguyên tác làm việc máy đo hạt nhân kiểu phản ứng Ví dụ sử dụng nguồn ứng dụng máy đo kiểu phản ứng Trong máy đo kiểu phản ứng hoạt độ thường dùng dải hàng trăm MBq đến GBq I.5 Các phận máy đo hạt nhân I.5.1 Các nguồn phóng xạ kín Các nguồn phóng xạ có vỏ hàn kín hồn tồn, vỏ thường gọi capsule Chất phóng xạ loại thường dạng bền hóa học Các phép thử với nguồn phải tiến hành điều kiện nhiệt độ cao khoảng thời gian định có tác động va chạm học mạnh Thông thường capsule thường chế tạo từ kim loại cứng không gỉ Volfram (Tungsten) vừa bảo vệ lực tác dụng lên nguồn, bảo vệ nhiệt độ cao đặc biệt kim loại khơng gỉ Nguồn phóng xạ Lớp vỏ bảo vệ Đường kính tiêu biểu từ 8-10mm Cấu trúc nguồn kín I.5.2 Các thiết bị phát xạ tia X Nguyên lý: Điện tử gia tốc phía bia (Anot) điện trường với điện áp cao cỡ kV phát xạ hãm giống xạ gamma Nguồn điện tử sợi đốt kim loại nung nóng dịng điện cỡ mA Do cắt cao áp hồn tồn khơng có tia X phát Cực âm Bia Cực âm Cực dương Bóng phát Cực âm Dây tóc Ống phát tia X Tâm bia Các thiết bị tia X đầu phát tia chuẩn trực (colimator) để tia X phát theo hướng định trước, lối có lớp kim loại nhẹ làm màng lọc để loại bỏ tia lượng thấp khơng có tác dụng phép đo I.5.3 Vỏ nguồn che chắn Vỏ nguồn (container source-housing) phải làm theo tiêu chuẩn quy định song phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Bảo vệ che chắn người vận hành khỏi chùm tia trực tiếp - Thiết lập hàng rào vật lý bổ sung để bảo vệ xảy cố nguồn, cho phép chùm tia xạ lọt theo hướng lựa chọn - Các tác động khí gây nguy hiểm với nguồn phải loại trừ - Có cấu khí để đóng hay mở nguồn tay Các phép thử khắt khe vỏ nguồn nhằm đảm bảo chúng đáp ứng tiêu chuẩn an toàn: - Thử nhiệt; - Thử độ cứng; - Thử khả chịu nước vỏ nguồn Nguồn đóng Nguồn mở Mơ tả loại vỏ bảo vệ cấu trúc khí khe phát xạ máy đo (hình ảnh vỏ nguồn chứa nguồn Cs-137 đo mức) I.5.4 Đầu dị, thiết bị phân tích hệ thống điều khiển Đầu dị chứa mơi trường tia xạ ion hóa tương tác ghi nhận, tín hiệu xạ sau tương tác chuyển sang tín hiệu điện Với loại hình đo mật độ, đo mức loại đầu dò phổ biến sử dụng thị trường đầu dò nhấp nháy NaI LiI Cịn mục đích phân tích thành phần loại đầu dị sử dụng thường đầu dị bán dẫn Thiết bị phân tích trước hết chứa dãy vài đầu dị, tín hiệu thu từ đầu dị tiếp qua xử lý thơng tin để phân tích theo kênh sử dụng liệu chuẩn để phân tích thành phần vật liệu Kỹ thuật huỳnh quang tia X phân tích kích hoạt gamma, neutron kỹ thuật sử dụng thiết bị phân tích Hệ thống điều khiển hệ thống xử lý thơng tin kết nối với đầu dị thiết bị phân tích để tác động lại sản phẩm, hay dây chuyền sản phẩm đầu vào Như với thiết bị phân tích thành phần vật liệu nhà máy xi măng, hệ thống điều khiển điều chế lại quy trình đưa vật liệu vào dây chuyền sản xuất, đo mức chất lỏng nhà máy bia hệ thống điều khiển đá chai (lon) bia không đủ bia khỏi dây chuyền đóng chai (lon) I.6 Các loại thiết bị đo hạt nhân vấn đề an toàn, an ninh I.6.1 Thiết bị đo hạt nhân sử dụng chùm xạ Gamma Các nguồn phát xạ gamma thường sử dụng thiết bị đo hạt nhân là: Cs137, Co-60, Am-241,… Đo mật độ: Đo mật độ thường thực nhà máy khí hóa, hay dầu khí nhà máy đạm, nhà máy lọc dầu, nhà máy luyện than, nhà máy tuyển quặng Thiết bị đo hạt nhân sử dụng để đo mật độ dòng vật liệu chạy qua ống thép nằm dây truyền sản xuất Các nguồn kín Co-60 Cs-137 thường sử dụng mục đích Sơ đồ bố trí thiết bị đo mật độ hình bên dưới: Nguồn Cs-137 Đầu dị Hình ảnh máy đo độ dày cán thép hình bên dưới: Đầu thu Nguồn gắn bên kim loại Kết đo suất liều phóng xạ loại thiết bị cho lưu ý sau: - Suất liều xạ cao đo khe đo (khe đầu dò nguồn) với suất liều lên tới hàng trăm Sv/h khuyến cáo không phép đưa tay vào khe đo này, nguồn khơng có kết cấu khí đóng mở nguồn tay không sử dụng, khuyến cáo người dùng nên đặt miếng kim loại vào khe đo để chặn tia xạ 13 - Suất liều vị trí xung quanh thấp, đỉnh đầu dị khoảng tối đa 5Sv/h vị trí khoảng cách 1m từ đầu dị nguồn có suất liều tương đương mơi trường Đối với loại hình cơng việc này, vấn đề an ninh cần phải kiểm soát cẩn thận, nguồn nhỏ có dấu hiệu nhận dạng nguồn, nguồn làm việc môi trường khí nhiều sắt thép nên nguồn bị rơi khỏi thiết bị dễ bị lẫn vào vật tư kim loại khác Người phụ trách an toàn phải kiểm đếm thường xuyên I.6.2 Thiết bị đo hạt nhân sử dụng chùm hạt beta Thiết bị đo hạt nhân dùng chùm hạt beta sử dụng để: Đo độ dày bao bì hay giấy Đo độ dày lớp phủ, lớp mạ Đo bề dày phim; Các nguồn phóng xạ phát beta thường sử dụng cơng nghiệp: Kr - 85 (dạng khí bao bọc vỏ kín); Sr - 90 (nguồn lá); Pm - 147 (nguồn lá) Đo độ giày giấy bao bì: Trong nhà máy sản xuất giấy bao bì, thiết bị đo độ dày thường gọi máy QCS, nguồn phóng xạ sử dụng phổ biến Kr-85 Sr-90 Hoạt độ nguồn Kr-85 thông thường 100mCi 200mCi Một hệ QCS gồm phận hộp nguồn phóng xạ hộp đầu dị bố trí đối xứng nhau, nằm hai hộp khe hở mà giấy hay bao bì chạy qua đo độ dày liên tục Nguồn đóng (OFF) hay mở (ON) thơng qua nút điều khiển bên ngồi khơng đóng mở tay Các nguồn Kr-85 hay Sr-90 nguồn beta, suất liều điểm sát hộp nguồn thường cao bị suy giảm nhanh theo khoảng cách Suất liều đo điểm bề mặt hộp nguồn đầu dị lên tới 20Sv/h, nhiên xa khoảng 1m suất liều đo với môi trường Suất liều xạ khe đầu dị nguồn lên tới hàng trăm tới nghìn Sv/h, nhiên khe hẹp nên khơng cố tình khơng có người tiếp xúc tới khe đo Khi phải bảo dưỡng vệ sinh hộp nguồn đầu dò, người dùng phải điều khiển tắt thiết bị để nguồn đưa vào vị trí an tồn Sau 14 người dùng làm việc bình thường với hệ QCS, nhiên khuyến cáo người dùng giảm tối đa thời gian tiếp xúc với xạ (Đầu dò hộp bên trên, nguồn nằm hộp bên dưới) Đo độ dày lớp phủ độ dày phim phương pháp tán xạ ngược: Với phương pháp đo tán xạ ngược, nguồn đầu thu bố trí nằm phía so với lớp vật liệu cần đo Phương pháp thường sử dụng để đo lớp vật liệu mỏng mà phương pháp đo truyền qua không cho kết tin cậy Tia xạ phát từ nguồn tương tác với lớp vật liệu cần kiểm tra, hầu hết tia xạ xuyên qua vật liệu, lượng nhỏ phản xạ lại vào đầu dị, mang thơng tin độ dày lớp vật liệu Tương tự đo độ dày giấy, bao bì bên trên, nguồn phóng xạ phát tia beta nên suy giảm nhanh theo khoảng cách khơng khí, suất liều gây khoảng cách m phông môi trường, suất liều cao cửa khe phát tia Tuy nhiên việc vận hành thiết bị gần tự động 100% nên khơng có tiếp xúc người máy hoạt động Khi tắt máy tự động cửa sổ nguồn đóng lại xạ phát khơng đáng kể Sơ đồ ngun lý hình bên dưới: 15 Với kỹ thuật đo tán xạ này, ngày máy phát tia X sử dụng thay nguồn phóng xạ nhằm đảm bảo an toàn an ninh tốt I.6.3 Thiết bị đo hạt nhân sử dụng nguồn xạ nơtron Thiết bị đo hạt nhân sử dụng nguồn xạ phát nơtron để: - Phân tích thành phần vật liệu; - Đo hàm lượng độ ẩm; Thiết bị đo hạt nhân sử dụng nguồn nơtron hoạt động theo chế độ tán xạ ngược Các nguồn phóng xạ phát nơtron thường sử dụng là: - Am/Be- 241; - Pu/Be – 238 - Cf-252; Thiết bị đo độ ẩm, độ chặt: Thiết bị đo độ ẩm độ chặt móng cơng trình thơng thường xử dụng nguồn phóng xạ lúc nguồn Am/Be-241 (40mCi) nguồn Cs-137 (8mCi) nguồn Cs-137 phát gamma để đo mật độ móng, cịn nguồn Am/Be-241 phát neutron để đo độ ẩm móng Sơ đồ nguyên lý hình ảnh thiết bị đo độ ẩm, độ chặt bên dưới: 16 Về vấn đề an toàn xạ, máy đo độ mật độ mật độ nguy hiểm đẩy nguồn khỏi thiết bị, khuyến cáo người dùng đẩy nguồn khỏi thiết bị khoan lỗ đo móng Khi làm việc cần thao tác nhanh gọn đứng cách xa máy 1m chờ máy đọc kết Khi tiến hành đo trường, khuyến cáo người dùng phải lập hàng rào bán kính 3m để không làm ảnh hưởng tới người không liên quan Ở khoảng cách suất liều phóng xạ tương đương môi trường 17 Một lưu ý quan trọng loại thiết bị thiết bị di động, vấn đề an ninh phải đặc biệt lưu ý đặc biệt vận chuyển lưu giữ tạm thời công trường Không vận chuyển thiết bị xe máy, phải có người đào tạo an tồn xạ áp tải phải thiết lập chế liên lạc có cố đường vận chuyển Cịn lưu giữ công trường, phải lưu giữ kho có khóa an ninh tốt, có biển cảnh báo rõ ràng nguy hiểm phóng xạ để cơng nhân khơng đến gần Thiết bị phân tích thành phần vật liệu trực tuyến: Tại số nhà máy xi măng công nghệ đại, sử dụng thiết bị phân tích thành phần vật liệu thơ trực tuyến băng truyền Cơng nghệ sử dụng phân tích kích hoạt neutron-gamma tức thời (PGNAA – Prompt Gamma Neutron Activation Analysis) Nguồn phóng xạ phát neutron sử dụng phát vào vật liệu cần kiểm tra gây kích hoạt hạt nhân vật liệu phát gamma tức thì, đầu dị thu nhận tia gamma để phát loại vật liệu phân tích định lượng thành phần vật liệu Nguồn sử dụng nguồn Cf-252 có hoạt độ thường 10mCi 20mCi Tại Việt Nam, có dịng thiết bị sử dụng Thermo Fisher Mỹ Scantec Canada (Hình ảnh thiết bị phân tích thành phần vật liệu thô trực tuyến sử dụng nguồn Cf252 Việt Nam) 18 Vật liệu thô khai thác từ mỏ đá đưa lên băng chuyền để vận chuyển nhà máy sản xuất xi măng, băng chuyền lắp đặt thiết bị phân tích trực tuyến thành phần vật liệu thơ Tín hiệu thành phần vật liệu truyền trực tuyến trạm điều hành nhà máy để xử lý điều chỉnh trình pha trộn nguyên liệu đầu vào sản xuất xi măng Việc vận hành thiết bị hoàn toàn tự động, cơng việc vệ sinh bảo dưỡng định kỳ có tiếp xúc người Tuy nhiên thiết bị đặt mỏ đá, nơi có giám sát, sở cần đặt biển cảnh báo phóng xạ rõ ràng xung quanh nhà đặt thiết bị, có khóa an tồn kiểm sốt lối vào nhà đặt thiết bị Các kết đo kiểm xạ xung quanh thiết bị cho thấy khoang đo suất liều gamma neutron tương đối cao, lên tới hàng trăm Sv/h, nhiên suất liều phóng xạ hai bên thiết bị khoảng 5Sv/h, hên bên thiết bị hai lối Ở khoảng cách 3m từ thiết bị suất liều tương đương mơi trường Do khuyến cáo không đưa tay hay phận thể vào khoang đo băng tải chạy Một đặc điểm lưu ý sử dụng nguồn Cf-252 chu kỳ bán rã có 2.6 năm, 2.6 năm sở phải mua bổ sung nguồn Cf-252 để bù đắp cho lượng phân rã Và thiết bị Cf-252 chứa tối đa nguồn nó, nhập đến nguồn thứ (tức sau 10 năm sử dụng) sở phải bỏ nguồn Cf-252 khỏi máy Thùng bảo vệ nguồn sử dụng thùng phi chuyên dụng Nhà cung cấp sử dụng để vận chuyển nguồn từ nước Việt Nam, có hình dạng bên dưới: 19