6

Радиоактивные источники и альтернативные технологии в промышленности

В этой главе рассматриваются отрасли промышленности, в которых используются радиоактивные источники или альтернативные технологии, отличные от применений для стерилизации, которые описаны в главе 5. Это промышленная радиография, промышленные датчики, каротажные системы, системы калибровки и радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Следует отметить, что в этой главе не рассматривается модификация материалов, при которой используется излучение от радиоактивных источников, рентгеновское излучение или электронные пучки, для изменения свойств материалов для различных коммерческих применений, основным из которых является поперечное связывание полимерных цепей для таких изделий, как изоляция проводов, автомобильные шины и латексные перчатки.¹ Это связано с тем, что только небольшая дола (по подсчетам менее 10 процентов) мировых поставок кобальта-60 используется для этой цели², поэтому она не является драйвером в принятии решений о внедрении альтернативных технологий.

6.1 ПРОМЫШЛЕННАЯ РАДИОГРАФИЯ

Промышленная радиография используется более 50 лет и является важным инструментом неразрушающего контроля (NDT) для оценки безопасности и контроля качества во многих отраслях промышленности. По словам представителя отрасли, выступавшего перед комитетом, во всем мире ежегодно продается более 10 000 источников для радиографии, из которых около 4 000 — на рынке США. В Соединенных Штатах насчитывается более 1 000 лицензий на камеры для радиографии.³

Промышленная радиография основывается на передаче и поглощении/затухание коротковолновой электромагнитной энергии (фотонов гамма-лучей и рентгеновских лучей) для просвечивания структур, таких как сварные швы и отливки, на предмет внутренних дефектов и пористости; газовых и нефтяных трубопроводов для обнаружения блокировок, коррозии и определения толщины стенки трубы; промышленных конструкций на предмет отсутствия трещин и блокировок; частей самолетов и автомобилей на наличие дефектов. Гамма-камера или рентгеновская трубка направляет пучок гамма-лучей или рентгеновских лучей на проверяемый объект, а детектор (пленочный или электронный), который совмещен с лучом на другой стороне объекта, регистрирует гамма-излучение или рентгеновские лучи, проходящие через материал. Количество фотонов, проходящих через материал, пропорционально его толщине и плотности. Поскольку материал тоньше или менее плотный в месте трещины или дефекта, через эту область проходит больше фотонов. Детектор создает изображение на основе проходящих лучей, которое называется радиограммой и на

___________________

¹ См. Международное агентство по ядерной энергетике, Модификация материалов, на https://www.iaea.org/topics/material-modification.

² Ян Дауни, Nordion, выступление перед комитетом 13 октября 2020 г.

³ Майк Фуллер и Марк Шилтон, QSA Global, Inc., выступление перед комитетом 13 октября 2020 г.

котором видны трещины или дефекты. При радиографии также отображается разница плотности материала. Присутствие металлических включений в образце пластика, например, определяется с помощью рентгенографии независимо от того, имеет ли материал другую толщину в этой точке. Кроме того, трещина или дефект материала могут не выражаться в измеряемой разнице толщины материала, но могут вызывать другое поглощение и рассеивание фотонов по сравнению с неповрежденным материалом, которые определяются с помощью радиографии. Важно, чтобы источник излучал энергию, которая может проникать в проверяемый материал и давать изображения с адекватной контрастностью и четкостью как на обработанной пленке, так и на цифровом изображении.

Некоторые виды радиографии проводятся в экранированных корпусах или сводах для защиты оператора и других людей от воздействия радиации. Чаще всего радиография проводится в удаленных полевых условиях, требующих транспортировки и источника и детектора/пленки в место использования, обычно на грузовике с мобильной темной комнатой. Например, для проверки новых нефте- или газопроводов на сварной шов с внешней стороны трубы наклеивается чувствительная пленка. Радиографическая камера устанавливается либо снаружи, либо внутри (с помощью гусеничного хода) по отношению к трубе, а радиоактивный источник перемещается к месту сварного шва. Находящийся в положении радиоактивный источник дистанционно подвергается воздействию, и радиографическое изображение шва получается на пленке, которая затем проявляется и анализируется на признаки дефектов. Другие примеры проведение промышленной радиографии в полевых условиях: нефтеперерабатывающие заводы, химические заводы, морских платформы, укладочные баржи, танки для хранения, сосуды под давлением, трубопроводы, мосты и здания.

6.1.1 Радиоизотопные технологии

В большинстве радиографических камер используется иридий-192, но в существенном количестве радиографических устройств применяется кобальт-60 или селен-75. Выбора радиоизотопа зависит от подлежащего радиографическому исследованию материала и его толщины. Гамма-лучи кобальта-60 более высокой энергии обычно используются для более толстых секций стали, от одного до нескольких дюймов. Иридий-192 используется для стали толщиной до 2,5 см, а селен-75 — для более легких и тонких металлов. Радиографические источники обычно относятся к источникам категории 2 по системе Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). В таблице 1.2 представлены периоды полураспада, радиоактивное излучение и энергии этих радиоизотопов, а в таблице 6.1 обобщаются основные характеристики камер для промышленной радиографии на основе определенного изотопа.

Гамма-камеры состоят из стального корпуса, обычно закрытого сваркой, который закрывает экран из обедненного урана, вольфрама или свинца. Обедненный уран (ОУ) обычно используется в качестве экрана для иридия-192 из-за его высокой плотности и способности безопасно экранировать высокоактивные источники для соблюдения нормативных требований в отношении мощности внешней дозы. Вольфрам обычно используется для экранирования источников селена-75. Источник присоединяется к короткому проводу или короткому гибкому кабелю, часто называемому «свиным хвостом» (см. рисунок 6.1), который помещает источник в экранированное положение и позволяет надежно зафиксировать источник в положении хранения.

Гамма-камера может быть проектного или направленного типа (см. рисунок 6.2a–c). В камере типа проектора источник проецируется из экранированного положения камеры и перемещается по направляющей трубке в желаемое положение, а затем возвращается в экранированное положение по истечении времени экспозиции. В направленной камере источник не покидает устройство, а выдвигается из экранированного положения хранения в место, где он может воздействовать на объект, в ограниченном направлении.

ТАБЛИЦА 6.1 Основные характеристики камер для промышленной радиографии на основе радиоизотопа

^a По материалам ASNT, 2019.

Обычные радиографические камеры имеют компактный физический контейнер для источников иридия-192 и селена-75, которые нуждаются в меньше экранировании, поэтому они легче, чем камеры с источником кобальта-60. Радиографические камеры также не требуют электропитания, что приводит к их привлекательности в некоторых отраслях промышленности, поскольку большинство проверок проводятся под открытым небом в удаленных полевых условиях. Гамма-камеры могут работать в сложных климатических и физических условиях. Большинство промышленных радиографических камер спроектированы так, чтобы выдерживать нормальные и аварийные условия при использовании в соответствии с применимым стандартом (ISO 3999) и во время транспортировки в соответствии с инструкциями МАГАТЭ (2018c). В соответствии с этим руководством камеры должны соответствовать строгим требованиям испытаний, таким как испытание на падение с высоты 9 м и испытание при температуре 800°C. Эти требования делают камеру для гамма-радиографии надежной и подходящей для использования в полевых условиях.

Небольшой размер обычных гамма-камер (особенно тех, в которых используются источники иридия-192 и селена-75) упрощает их транспортировку и использование в местах работы (см. рис. 6.3a – c), которые связаны с физическими трудностями, такими как работа на высоте, грязные или пыльные условия и экстремальные температуры. Их можно легко перемещать по объектам, и они могут проходить через трубы малого диаметра, чтобы без труда сделать радиограммы. Однако они имеют недостатки с точки зрения безопасности и надежности, поскольку содержат высокоактивный радионуклид категории 2, часто транспортируются и используются в удаленных местах без каких-либо специальных меры безопасности в некоторых странах. Когда количество радиоактивного материала становится существенным, как в случае источников для промышленной радиографии, инциденты могут приводить к тяжелым и даже летальным последствиям (Coeytaux et al., 2015; IAEA, 1998). Тысячи этих камер используются или транспортируются во всем мире в любое время.

радиографией, например, меньшее время воздействия и необходимость меньшей контролируемой зоны. Тем не менее, необходимость частой дорогостоящей замены трубок и меньшее удобство при частом использовании все еще делают гамма-радиографию самым надежным и предпочтительным вариантом.

Как упоминалось в главе 4, RadiaBeam, малый бизнес, участвующий в программе Small Business Innovation Research (SBIR) Национального управления по ядерной безопасности, разработал микро линейный ускоритель, который компания рассматривает как потенциальную замену источника иридия-192 для промышленной радиографии. Эти машины считались слишком дорогими для производства и не могли конкурировать с относительно дешевыми источниками иридия-192. RadiaBeam находится на начальном этапе исследования для разработки компактного линейного ускорителя на 1 МэВ, работающего от батареи; в случае успеха он будет производить рентгеновские лучи более высокой энергии, чем рентгеновская трубка, и, таким образом, генерируемая им энергия будет сходна с энергией иридия-192. Из-за использования малой мощности для этой технологии не потребуется водяное охлаждение. Эта предложенная концепция требует значительной дополнительной работы для создания рабочей модели, которая могла бы быть испытана в полевых условиях. Представитель RadiaBeam, который проинформировал комитет, признал, что маловероятно, что эта новая технология могла бы соответствовать низкой цене, связанной с использованием легкодоступных и проверенных радиоизотопов, несмотря на необходимость регулярной замены источников иридия-192.⁴

Автоматизированный ультразвуковой контроль (АУЗК), альтернатива промышленной радиографии, излучает ультразвуковые волны на проверяемый материал. Эти волны отражаются или рассеиваются от повреждений и дефектов материала, а также внешних поверхностей материала. Детектор измеряет разницу во времени между возвратом этих звуковых волн от дефектов и внешний поверхностей, чтобы определить форму и положение дефектов. Отсканированные изображения требуют квалифицированного изучения и интерпретации обученными и сертифицированными специалистами, а интерпретация изображений может быть субъективной в зависимости от опыта оператора (Moran et al., 2015). Хотя методы радиографии с использованием радиоизотопов и рентгеновского излучения позволяют выявлять большой спектр дефектов сварки, различия в физических условиях делают каждый из этих методов чувствительным к определенному типу дефекта: радиография подходит для обнаружения объемных дефектов, таких как шлак и пористость, тогда как ультразвук больше подходит для обнаружения плоских дефектов, таких как трещины и отсутствие плавления. Сравнение результатов измерения промышленной радиографии с использованием гамма-излучения и АУЗК показано в таблице 6.2.

В 2009 году Комиссия по ядерному регулированию США (КЯР США) профинансировала обзор литературы лабораторией Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) (Moran et al., 2010), призванный помочь понять проблемы, связанные с взаимозаменяемостью АУЗК и промышленной радиографии. Обзор PNNL был направлен на рассмотрение замены радиографии на АУЗК, в частности, при строительстве атомных реакторов; однако вероятно, что эти результаты могут быть экстраполированы на другие текущие области применения радиографии и АУЗК. Обзор содержал вывод о том, что АУЗК является жизнеспособной альтернативной радиографии в некоторых случаях; однако техники использования АУЗК в настоящее время не определены должны образом и должны быть описаны, или должен быть разработан стандарт применения.

6.1.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Радиоактивные источники продолжают быть предпочтительным методом для промышленного НРК в удаленных полевых условиях, поскольку альтернативы все еще дают худшие показатели с точки зрения способности выявления дефектов, выдают изображения, которые трудно интерпретировать, стоят дороже и не такие прочные. По этом причинам внедрение альтернатив, таких как рентгеновские лучи и АУЗК для промышленного НРК, идет медленно.

___________________

⁴ Салиме Буше, RadiaBeam Technologies, LLC, выступление перед комитетом 17 декабря 2020 г.

Как и в медицинских применениях, с развитием вычислительных ресурсов и сложного аналитического программного обеспечения промышленная радиография расширяет использование цифровой рентгенографии для замены обычных пленочных изображений в некоторых областях применения. Изображение фиксируется на люминофорных пластинах и оцифровывается, а затем может быть легко интерпретировано и сохранено. Оцифрованное изображение может быть улучшено с помощью программного обеспечения, что позволяет легче его интерпретировать. Поскольку люминофорные пластины требуют меньшей энергии для создания изображения, время воздействия и зона исключения облучения могут быть уменьшены. Кроме того, они позволяют использовать радиоактивные источники с меньшей активностью.

В настоящее время есть несколько недостатков использования цифровой радиографии по сравнению с пленочной, такие как большие начальные затраты, ограничения для использования люминофорных пластины в полевых условиях, плоские люминофорные пластины, которые в настоящее время не могут быть обернуты вокруг труб, и дополнительные требования к обучению. Однако по мере их решения ожидается рост использования цифровой рентгенографии. В официальном документе 2017 года, выпущенном SGS, ведущей компанией, оказывающей услуги по инспектированию испытаний, указано, что использование цифровой рентгенографии составляет примерно 10 процентов от всей рентгенографии и, вероятно, будет расти в будущем (Montes and Taylor, 2017).

Как и в случае сравнения радиографии с АУЗК, технологии ускорителей, вероятно, дополнят радиографию, а не заменят ее. Более новые технологии, вероятно, будут использоваться вместе с радиоактивными источниками, если только радиоизотопы не будут официально запрещены или не возникнут проблемы с доступностью радиоизотопов. Различные физические принципы применимы к различным типам и качеству ионных и электронных пучков, поэтому все они измеряют разные параметры и все представляют ценность. В 2019 году по итогам семинара, организованного Министерством энергетики (DOE) (2019), был сделан вывод, что требуется дальнейшее развитие фундаментальной технологии для уменьшения размеров, стабилизации (то есть, увеличения срока службы и жесткости) и снижения стоимости генерации высокоэнергетических пучков ионов и электронов.

В развивающихся странах также используются нерадиоизотопные методы для НРК. Известно, что МАГАТЭ предоставляет техническую помощь для ряда радиационных методов для НРК странам-членам, запрашивающим такое обучение и руководство. Например, в 2009 году при поддержке МАГАТЭ Центр неразрушающего контроля Вьетнамского института атомной энергии начал использовать цифровую радиографию для замены традиционной рентгеновской пленки, а 10 лет спустя ввел в эксплуатацию 15 аппаратов цифровой радиографии (Marais, 2019).

Оборудование для промышленной радиографии очень прочное и может использоваться десятилетиями с минимальным обслуживанием. Это приводит к тому, что компании не заменяют рабочее оборудование и откладывают капитальные затраты на покупку более сложных и дорогих систем. Эксплуатация камеры для промышленной радиографии проста для изучения и применения. Хотя всего лишь около 160 часов обучения требуется для получения сертификата для эксплуатации этого аппарата, обязательные требования включают принципы радиации и радиографии, обучение безопасности, интерпретации и обработке радиографической пленки, а также обучение на рабочем месте в качестве помощника радиографа.⁵ Благодаря простоте и низкой стоимости работы и возможности использования в удаленных местах без внешнего питания, во многих развивающихся странах использование гамма-оборудования вместо рентгеновских систем будет продолжаться.

Комитет знает о большой работе, которая ведется во Франции для определения технологий, замещающих камеры для гамма-радиографии. Совместная рабочая группа во Франции, координируемая Confederation France Pour les Essais Non Destructif и Французской организацией радиационной защиты, исследует улучшение характеристик безопасности промышленной радиографии и возможные альтернативы использованию гамма-источников. На конференциях, организованных МАГАТЭ (Martin, 2013) и другими,⁶ присутствующие признали, что замена гамма-радиографии на АУЗК и другие альтернативы потребует еще несколько лет. Это связано с техническими ограничениями новой технологии и временем, необходимым для получения разрешений и разработку стандартов. Однако признается, что эти новые технологии будут продолжать использоваться, в основном, как дополнение к гамма-радиографии.

Одной из причин того, почему промышленная радиография, вероятно, будет продолжать широко использоваться в ближайшем будущем, является отсутствие альтернатив, разработанных для некоторых областей применения, например, для получения радиограммы профиля корпуса клапана для определения его полного закрытия. Передовое ультразвуковое оборудование и методы будут продолжать развиваться; однако большинство пользователей все еще не принимают или не желают интерпретировать результаты, поскольку многие пользователи хотят видеть готовое

___________________

⁵ См. https://atslab.com/training/rt-certification.

⁶ Специальное совещание заинтересованных государств, занимающихся технологическими альтернативами высокоактивным радиоактивным источникам, МАГАТЭ. Вена, Австрия, 23–24 мая 2019 года.

изображение, не требующее интерпретации.⁷ Более высокий уровень оборудования и более высокий уровень технической квалификации означают более высокую стоимость. Пользователи не хотят нести более высокие затраты на альтернативные технологии, когда основные доказанные методы работают при более низкой стоимости. В целом радиоизотопная радиография предлагает значительно более низкие эксплуатационные расходы для достижения хороших результатов контроля. Кроме того, некоторые методы неразрушающего контроля могут не иметь отношения к действующим методам проверки. Большинство специалистов по неразрушающему контроля оценивают методы проверки по способности выявлять дефекты, типу дефекта контролируемого материала, доступности и экономичности используемого метода.

6.2 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРИБОРЫ

Стационарные радиоактивные промышленные приборы используются во всех отраслях промышленности уже 70 лет для измерения толщины, плотности и уровня заполнения продуктом во время производства или обработки без контакта с самим материалом. Толщиномеры используются в сфере обработки для обеспечения равномерной толщины всего изделия или материала или для равномерности покрытия на материале. Измерители плотности используются при производстве цемента, бензина и строительстве дорог для обеспечения постоянной плотности материала. Датчики уровня заполнения проверяют количество материала в сосуде, обеспечивают непрерывный мониторинг в ходе производства и используются во многих отраслях промышленности, включая установки для розлива в бутылки.

Стационарные радиоактивные промышленные датчики постоянно устанавливаются в определенном месте. Обычно исследуемые объекты проходят мимо стационарного датчика, содержащего радиоактивный источник, на конвейерной ленте, по трубопроводу или в проверяемом сосуде. Детектор излучения размещается на противоположной стороне объекта от источника. Когда радиоактивный источник подвергается воздействию, излучение выходит из датчика и некоторое его количество проходит через тестируемый твердый или жидкий материал. Остальное излучение поглощается объектом. Любое излучение, которое полностью проходит через объект, измеряется детектором и преобразуется в электрический сигнал, пригодный для анализа.

Измерители прядильных труб оценивают длину бывших в употреблении стальных труб, которые предполагается использовать повторно. Это дает возможность идентификации коррозии, эрозии и других дефектов в трубе до ее установки в систему, которая при выходе из строя даже одной трубы может причинить разрушительные экономические, экологические и медицинские проблемы.

В конвейерных датчиках приборы для измерения расхода измеряют количество вещества, протекающее через поперечное сечение трубы за единицу времени. Измеренное количество выводится как масса или объем. Типичные системы для измерения расхода измеряют газы, пары, а также химически активные или вязкие жидкости в трубопроводах. Они также измеряют сыпучие материалы на конвейерных лентах во многих отраслях промышленности, таких как добывающая промышленность, строительные материалы, генерация энергии и целлюлозно-бумажная промышленность.

Приборы для доменных печей используются в сталеплавильном производстве, а источники кобальта-60 используются для измерения износа огнеупорной футеровки путем контроля толщины футеровки этих герметичных сосудов. Эти приборы могут предоставлять данные о потоке газов и материалов, которые необходимы для контроля точности доменной печи.

В добывающей промышленности, такие элементы, как золото, медь и цинк, выделяются из горной суспензии с помощью автоклава большого диаметра с толстыми стенками бака. Датчик используется в автоклаве для измерения уровня и предельного уровня суспензии и работает в абразивных и высокотемпературных условиях, а также в условиях высокого давления.

В нефтегазовой промышленности процесс отделения кокса от тяжелой нефти происходит при экстремальных температурах, достигающих 930°F. Промышленные датчики используются для измерения уровня кокса в резервуаре. Другие технологии измерения подвержены отказам или очень недостоверны.

В нефтехимической промышленности датчики уровня используются в разных процессах для разделения продуктов в больших резервуарах с толстыми стенками. Обычно процессы разделения подвергаются воздействию высокоабразивных или коррозионных материалов. Использование метода неинвазивного измерения внутри бака невозможно из-за этих условий.

Дноуглубительные работы требуют использования датчика для измерения плотности и расхода вынутого грунта, что является хорошо зарекомендовавшим себя методом в дноуглубительной индустрии. Устанавливаемая на внешней стенке трубопровода система измерения плотности обеспечивает стабильные показания при экстремальной вибрации. Системы измерения плотности в целях дноуглубления используются для непрерывного контроля трубопроводов. Во время измерения свойства потока материала не меняются при использовании этого бесконтактного метода.

___________________

⁷ Дэвид Тебо, Team Inc., выступление перед комитетом 12 июня 2020 г.

Во всех этих применениях датчик плотности или уровня представляет собой хорошо проверенную технологию, дающую точные и воспроизводимые результаты, измерения в реальном времени во время работы и высокую стабильность измерений. Он также не оказывает воздействия на измеряемый материал, поскольку измерение производится бесконтактным способом с установкой непосредственно снаружи сосуда.

6.2.1 Радиоактивные источники

Основными радионуклидами, которые используются в стационарных промышленных датчиках, являются цезий-137 и кобальт-60. Диапазон активности составляет от 0,05 до 5 Ки (1,85–185 ГБк) для цезия-137 и от 0,25 до 10 Ки (9,75–370 ГБк) для кобальта-60, и эти источники относятся к категориям 3 и 4 по системе категоризации МАГАТЭ.

Датчики имеют простую прочную конструкцию, состоящую из стального корпуса, заполненного свинцом, вольфрамом или сталью в качестве защиты (см. рисунок 6.5). Радиоактивные источники, используемые в этих устройствах, соответствуют требованиям к специальной форме и стандартам высокой производительности ISO 2919 для измерительных источников. Датчики приводятся в действие поворачиванием источника в положении воздействия для получения измерения, а затем обратно в защищенное положение хранения по завершении измерения. Устройства не требуют большого обслуживания и надежно работают в течении многих лет при минимальной поддержке.

Датчики обычно используются в агрессивных средах, например, в условиях высоких температур и давления, в коррозионных и абразивных материалах и вокруг них, а также в условиях чрезмерной вибрации. Объекты, требующие тестирования, обычно представляют собой большие толстостенные сосуды и часто находятся в труднодоступных местах. Источники приборов постоянно устанавливаются снаружи резервуара и требуют большой энергии для проникновения через стенки.

6.2.2 Альтернативные технологии

Как упоминалось выше, радиометрические измерительные системы, то есть системы, в которых используются радиоактивные источники, обычно используются в экстремальных рабочих условиях, таких как высокие температуры, высокое давление и коррозионные промышленные среды, поскольку радиометрические измерения не требуют контакта с измеряемым материалом. Когда эти типы условий отсутствует, в промышленности часто предпочитают использовать альтернативные нерадиоизотопные методы. В этих методах (см. рис. 6.6) используются радар, управляемый радар, ультразвук и дифференциальное давление, и они требуют доступа к материалу внутри резервуара или трубы.

При проведении дноуглубительных работ вместо радиометрических датчиков использовались ультразвуковые системы, но они требуют больших усилий при установке, их трудно калибровать и они очень чувствительны к вибрации.

В нефтегазовой промышленности и особенно в коксовых установках нет реальной альтернативы из-за чрезвычайно высоких температур, необходимых в этих сосудах.

В связи со всеми этими нерадиоизотопными технологиями и применениями в ближайшем будущем могут быть некоторые улучшения, но физические ограничения являются ограничивающими факторами, и их необходимо преодолеть, чтобы иметь жизнеспособные альтернативы.

В целом, с увеличением чувствительности детекторов наблюдается тенденция к использованию источников с меньшей активностью, и во многих случаях используемые в настоящее время источники категории 3 могут быть заменены источниками категории 4. Благодаря повышенной чувствительности источники категории 3 могут использоваться в течение более длительных периодов времени, даже когда источник снижается до более низкой активности, поэтому их не нужно заменять так часто, что отсрочивает необходимость утилизации. Результатом этого является то, что в ближайшем будущем во многих из этих областей применения будут использоваться источника категории 4, и, следовательно, снизится угроза безопасности.

В некоторых областях нет реальной альтернативной технологии, которая в настоящее время могла бы заменить использование датчиков с радиоактивными источниками. Как и в случае промышленной радиографии, использование альтернативных технологий в настоящее время является комплиментарным по отношению к использованию датчиков с радиоактивными источниками, и это положение вещей, вероятно, сохранится в ближайшем будущем.

6.3 КАРОТАЖ

Каротаж используется более 90 лет для исследования структуры и состава горных пород и жидкостей под землей, для измерения основных петрофизических свойств коллекторов и оценки ресурсного потенциала. Самым распространенным применением каротажа является поиск запасов добываемых углеводородов в нефтяной промышленности. Каротаж также представляет собой важный метод, используемый для поиска минеральных, геотермальных ресурсов и грунтовых вод.

В Соединенных Штатах насчитывается более 900 000 действующих нефтегазовых скважин и еще миллионы во всем мире. С 2014 по 2018 годы в Соединенных Штатах бурилось более 19 000 нефтегазовых скважин ежегодно. До пандемии КОВИД-19 по прогнозам около 21 500 нефтяных скважин должны были завершаться⁸ ежегодно с 2020 по 2022 годы (Garside, 2019). Спад экономической активности и потребления нефти, вызванный пандемией, привел к заметному снижению цен на нефть и газ и одновременному снижению объемов бурения и разведки. (См. дополнительную информацию в разделе 6.3.3.)

Современный каротаж скважин выполняется либо одновременно во время бурения (каротаж во время бурения [LWD]), либо после того, как скважина пробурена, путем спуска троса со специальными инструментами в открытую или обсаженную скважину. Каждый подход имеет определенные преимущества. Вкратце, LWD обеспечивает быстрое получение информации о подземном слое, которая может помогать в направлении бурения практически в реальном времени, но экстремальное давление, температура и механические условия среды бурения наряду с необходимостью обеспечивать питание относительно небольшого каротажного инструмента и извлекать зарегистрированные данные ограничивают возможности как с точки зрения типа устройства, которое можно использовать, так и с точки зрения количества данных, которые могут быть надежно переданы на поверхность во время бурения. В отличие от него, каротаж на кабеле позволяет использовать более широкий набор инструментов для каротажа, но поскольку данные становятся доступными только после того, как ствол скважины пробурен, эту информацию нельзя использовать для принятия решений во время бурения. Бурение скважины для разведки нефти является дорогим и рискованным мероприятием, которое стоит оператору в среднем 200 000-300 000 долларов в день в случае морской буровой установки (IHSMarkit, 2020). Бурение для разведки и производства минералов и грунтовых вод менее дорого, но все еще довольно затратно.

Каротаж — очень специализированный вид деятельности. Оператор, обычно крупная международная нефтяная компания, действующая самостоятельно или как руководитель объединения компаний, заключает договор с поставщиком услуг для проектирования и развертывания набор подходящих каротажных инструментов, сбора зарегистрированных данных и предоставления интерпретированных записей о скважине. Эти записи затем используются оператором, чтобы сделать вывод о подземных петрофизических параметрах, которые могут использоваться для оценки ресурсного потенциала, стоимости производства и сопутствующих рисков проекта. В Соединенных Штатах насчитывается более 200 поставщиков услуг каротажа. Почти все они — малые и средние компании, которые, по оценкам, обеспечивают от 60 до 70 процентов каротажных станций в Соединенных Штатах. Однако количество каротажных станций каротажной

___________________

⁸ Завершение скважины включает шаги для трансформации пробуренной скважины в производственную. Эти шаги включают обсадку, цементирование, перфорацию, набивку гравием и установку производственного ствола, которые обычно выполняются после каротажа скважины.

компании не равно объему каротажного бизнеса компании. Крупнейшие международные интегрированные каротажные компании имеют объем бизнеса по всему миру, который намного превышает объем 200 малых и средних каротажных компаний вместе взятых. Из четырех крупнейших каротажных компаний две (Halliburton и Baker-Hughes) имеют американское происхождение, а Schlumberger, французская компания, имеет штаб-квартиры в Соединенных Штатах и во Франции. Четвертая, Weatherford, была сформирована из конгломерата нескольких британских и американских компаний и ушла с рынка США. Не понятно, как конкуренция будет разворачивается в ближайшие годы и десятилетия, поскольку различные факторы влияют на спрос на каротаж (см. информацию в разделе 6.3.3). Крупнейшие каротажные компании имеют технологические и финансовые ресурсы для развития альтернатив каротажу с использованием радиоизотопов. Они инвестируют в исследования альтернатив, и некоторые запустили коммерческие или экспериментальные методы, альтернативные ядерным.

Был разработан и развернут широкий диапазон методов каротажа, которые для целей этого отчета могут быть разделены на три большие категории (см. таблицу 6.3):

1. Неядерные методы, которые не включают источник ионизирующего излучения (см. ниже краткое рассмотрение аспектов некоторых из этих методов).
2. Традиционные радиоизотопные методы с использованием закрытого источника ионизирующего излучения (см. подробное рассмотрение в разделе 6.3.1).
3. Альтернативные технологии с использованием источника нейтронов, в котором применяются ускорители дейтерия и/или трития (см. подробное рассмотрение в разделе 6.3.2).

Неядерные методы включают акустические матрицы, электрические и электромагнитные датчики, магнитометры, приборы ядерного магнитного резонанса, а также датчики температуры, давления и размеров. Эти методы дополняют методы на основе радиоизотопов, как более подробно описывается в разделе 6.3.3. Технические аспекты этих неядерных методов включают следующие концепции о том, что измеряется, как выполняется измерение и какие данные регистрируются (см. врезку 6.1 о важности каротажа в разведке нефтяных месторождений).

Собственный потенциал, также называемый спонтанным потенциалом (СП), измеряет разность напряжений между электродами в скважинном приборе. Путем добавления источника электрического тока в зонд может быть измерено сопротивление между электродами или катушками передатчика и приемника. Состав материалов пород в анализируемом геологическом слое влияет на измеренное сопротивление. Журнал измерений сопротивления (см. рис. 6.7) может использоваться для оценки пористости слоя и содержания жидкости в порах. Катушки электромагнитной индукции

обычно используются для измерения удельного сопротивления. В частности, катушка передатчика посылает электромагнитный сигнал в геологическое образование, и индуцированные сигналы от образования собираются принимающей катушкой для измерения удельного сопротивления. Кроме того, иногда используется инструмент диэлектрической константы для измерения содержание воды и типов горных пород в образовании. Диэлектрическая константа измеряет способность материала накапливать электрическую энергию при приложении электрического поля, и, в этом конкретном случае, прибор использует микроволновые частоты в диапазоне от нескольких мегагерц до 1,1 гигагерца.

Непосредственное измерение давления образования служит для калибровки других измерений и перекрестного сравнения результатов, прямо или косвенно связанных с давлением образования. Такие калибровки и сравнения включают термисторные зонды, измеряющие температуру в скважине, штангенциркуль для измерения диаметров и скважинные телескопы для измерения форм.

Акустический каротаж выполняется путем измерения скорости акустических волн в пласте между источником и приемником в зонде. Скорость акустической волны является индикатором пористости и содержания жидкости в данном типе горной породы. Более сложная информация может быть собрана из матриц, которые измеряют скорость продольных (P), поперечных (S) и даже направленных (Стоунли) волн.

Магнитный каротаж выполняется путем опускания различных типов магнитометров в ствол скважины, чаще всего при разведке полезных ископаемых, для определения изменений магнитных свойств формации, таких как восприимчивость и остаточная намагниченность (магнитная индукция, остающаяся в веществе после снятия внешнего приложенного магнитного поля). В зависимости от применения регистрируются изменения общего магнитного поля, его векторные компоненты и/или его тензорные градиенты.

Пористость и проницаемость геологического образования зависят от содержания жидкости и площади пор, содержащих жидкости. При приложении сильного магнитного поля атомы водорода в жидкости (обычно воде и углеводородах) выравнивают их магнитные моменты. Этот метод называется ядерно-магнитным резонансом (ЯМР), который является хорошо известным методом получения медицинских изображений (хотя в медицине он известен как магнитно-резонансная томография [МРТ]). Когда магнитное поле уменьшается, ядра водорода возвращаются в свое исходное состояние и подают сигналы, которые могут улавливаться. Измеренные сигналы могут использоваться для измерения положения, концентрации и плотности атомов водорода и, таким образом, позволяют сделать вывод о пористости и проницаемости образования. Поскольку напряженность магнитного поля резко уменьшается с расстоянием, а геологические среды, такие как грязь на стенках скважины, ослабляют магнитное поле, ЯМР полезен для измерения пористости и содержания воды в породах в непосредственной близости от ствола скважины.

6.3.1 Радиоизотопные технологии

В двух самых распространенных радиоизотопных технологиях в каротаже нефтяных скважин используются источники цезия-137 и источники нейтронов америция-241-бериллия (AmBe), которые часто располагаются в одном скважинном приборе. Обе технологии характеризуются стабильной эмиссией излучения, которое, в отличие от многих потенциальных альтернативных технологий, не поддается влиянию условий окружающей среды в скважине, таких как постоянный и интенсивный механический шок и вибрация, высокие температуры и высокое давление. Оба типа источников содержат радиоизотопы, находящиеся в твердых тугоплавких оксидах или стеклокерамике, которые надежно герметизированы с помощью двух- или трехслойной металлической оболочки.

Преимущества радиоизотопных источников заключаются в том, что они хорошо подходят для применения в скважинах в экстремальных условиях: небольшой размер; стабильный выход излучения на всем протяжении каротажа; простота использования; относительно низкая стоимость; отсутствие требований к питанию; изотропное излучение, которое оптимально для использования в скважинах. Кроме того, источники цезия-137 имеют относительно длительный срок службы, около 15 лет. Более того, диапазон активности этих источников обычно составляет 1–3 Ки (37–111 ГБк) и относится к категории 4 (CISA, 2019). К недостаткам закрытых источников относится то, что они не могут быть выключены или использоваться в импульсном режиме, их гамма- или нейтронная энергия не может быть изменена и они представляют угрозу безопасности в случае утери, кражи или ненадлежащего использования (CISA, 2019).

В отчете Национальных академий за 2008 году отмечалось, что, хотя радиоактивный источник цезия-137 категории 3 потенциально может быть заменено альтернативным рентгеновским аппаратом, таким как линейный ускоритель, существуют значительные препятствия на пути разработки практического прибора (NRC, 2008). Эти проблемы включают размер аппарата, это широкий спектр энергии, стабильность и анизотрпное излучение. Учитывая эти проблемы, с 1987 года было проведено мало работы по развитию этой технологии. В 2008 году комитет заключил, что замена этих источников не являлась приоритетом, и тех пор, кажется, не было улучшений материала в технологии каротажа на основе цезия-137.

Источники нейтронов AmBe представляют собой смесь оксида ²⁴¹AmO₂ и металлических порошков ⁹Be. Они плотно запрессованы в цилиндрическую форму для увеличения вероятности реакции альфа-частиц с бериллием и обычно заключены в сварной или трехстенный контейнер из нержавеющей стали (см. рис. 6.8).

Радиоактивный распад америция-241 приводит к образованию альфа-частиц, которые взаимодействуют с атомами бериллия-9 для высвобождения атомов нептуния-237, атомов углерода-12, свободных нейтронов и гамма-лучей 4,4 МэВ. Мощность источника нейтронов зависит от активности америция-241, которая для каротажных источников может доходить до 16 Ки, максимальной активности, допустимой для источника категории 3. Нептуний-237 распадается до протактиния-233 (период полураспада 2,1 миллиона лет); таким образом, основная альфа-активность получается в результате распада америция-241.

Существует по крайней мере три категории угроз безопасности, связанных с активными (то есть, регулярно используемыми) и изъятыми из употребления источниками нейтронов AmBe: (1) потеря контроля над активным источником во время каротажа; (2) потеря контроля над активным источником во время транспортировки в место каротажа и обратно или во время временного хранения; (3) потеря контроля над изъятым из употребления источником во время постоянного хранения. Любой из этих инцидентов, связанных с потерей контроля, потенциально может привести к радиологическому поражению, загрязнению площадки и / или отказу от зоны в результате случайного рассеивания или преднамеренного использования устройства радиологического рассеивания (RDD).

6.3.2 Альтернативные технологии

В отчете Национальных академий за 2008 г. (NRC, 2008) содержится обзор альтернативных технологий с источником нейтронов, которые потенциально могут использоваться в каротаже, поскольку в то время многие источники AmBe относились к категории 2 и таким образом, находились в рамках отчета 2008 года, но, как указано в таблице 6.4, все новые источники относятся к категории 3. Эти альтернативы включают источники нейтронов на основе ускорителей, содержащие дейтерий и/или тритий, и герметичные источники нейтронов калифорния-252. В этом разделе рассматриваются альтернативные технологии, в которых используется дейтерий и/или тритий, поскольку калифорний-252 является радиоизотопным источником. Калифорний-252 производит нейтроны посредством спонтанного деления и может быть надежным источником нейтронов; однако, из-за его относительно короткого периода полураспада, который составляет примерно 2,6 года, он должен пополняться чаще, чем источники AmBe. Однако источники калифорния имеют более высокий выход электронов по сравнению с источниками AmBe и эквивалентная генерация нейтронов этих двух типов составит 27 мКи (1 ГБк) для калифорния-252 против 16 Ки (592 ГБк) типичного источника AmBe (CISA, 2019). Некоторые преимущества и недостатки альтернативных технологий с использованием дейтерия и/или трития по сравнению с AmBe для источников нейтронов обобщаются в таблице 6.5.

Со времени публикации отчета NAS за 2008 год была проделана существенная работа в исследований ускорителей D-D, D-T и T-T (тритий-тритий). Например, при поддержке программы SBIR Национального управления по ядерной безопасности (NNSA) компания Starfire Industries разработала портативный генератор нейтронов D-D nGen® и установила его в свой прибор компенсированного нейтронного каротажа QL-40, продемонстрировав результаты исследования образования сходные (но не идентичные) с результатами обычных источников AmBe. Импульсный нейтронный каротаж с использованием ускорителей теперь доступен все более широкому кругу поставщиков услуг. Но в то время как доступность переключаемых приборов нейтронного каротажа на основе ускорителей увеличивается, оценка пласта с использованием герметичных источников нейтронов AmBe остается предпочтительным вариантом. Причины этого предпочтения рассматриваются в следующем разделе.

ТАБЛИЦА 6.4 Технологии закрытых источников и параметры каротажа

ИСТОЧНИК: CISA, 2019.

___________________

⁹ Технология двойного назначения находит применение в коммерческих продуктах и в системах вооружения. Генератор нейтронов D-T представляет собой технологию двойного назначения, и эти генераторы подпадают под правила регулирования экспорта.

решений о разработке, внедрение альтернативных технологий на основе ускорителей осуществляется постепенно и зависит от валидации метода в сравнении с традиционными данными. Это открывает возможность, которая потенциально может быть решена посредством коллективных действий отраслевых ассоциаций и, возможно, правительственных агентств.

В отчете Национальных академий за 2008 год отмечалось, что источники AmBe, используемые для каротажа элементарного анализа, могут быть заменены выключаемыми ускорителями D-T (NRC, 2008). Известно, что ускорители T-T не так полезны, как ускорители D-T, из-за примерно в 100 раз более низкого выхода нейтронов и из-за использования трития (радионуклида) в качестве как ускоряющих, так и целевых ядер. Более того, хотя замена инструмента определения пористости AmBe будет более сложной задачей, один из основных поставщиков услуг к 2008 году продал на рынок два инструмента-ускорителя D-T, один для каротажа ядерной пористости и один для каротажа на кабеле LWD. Вследствие этого в отчете рекомендовалось поручить промышленной рабочей группе устранить технические препятствия для внедрения замены на основе ускорителей для каротажных источников AmBe (NRC, 2008). Группа специальных интересов в ядерной области Общества петрофизиков и аналитиков каротажных диаграмм добилась значительного прогресса в выполнении этой рекомендации, и теперь большинство крупных и некоторых малых и средних поставщиков услуг предлагают импульсные источники на основе ускорителей для нейтронного каротажа скважин как часть своего предложения услуг.

Участники семинара 2019 DOE (DOE, 2019) обсудили следующее:

• В последнее время наблюдался существенный прогресс в развитии некоторых технологий: (1) низкоэнергетические (> 300 кэВ) аппараты рентгеновского излучения и (2) генераторы нейтронов, отличные от ускорителей D-T (Badruzzaman et al., 2019; Bondarenko and Kulyk, 2017; Jurczyk, 2018; Simon et al., 2018).
• Что касается нейтронной пористости на основе генератора D-T, хотя одна компания продала инструменты как для проводного каротажа, так и для каротажа во время бурения, другие компании не представили эти инструменты на рынке по экономическим причинам. Кроме того, инструмент LWD продемонстрировал хорошие показатели, но беспроводной инструмент не оправдал ожиданий из-за условий среды в скважине.
• Хотя недавняя разработка прибора для измерения плотности на основе рентгеновского излучения основана на многообещающих полевых испытаниях НИОКР 1980-х годов на линейном ускорительном аппарате для определения плотности 3,5 МэВ (King, 1987), новый прибор меньше, проще и перспективнее согласно тестам полевых условиях. Но все еще позволяет решить проблемы применения в более сложных условиях окружающей среды LWD.

Кроме того, метод плотности, известный как неупругая нейтронно-гамма-плотность (INGD), использует гамма-лучи, образующиеся во время неупругого рассеяния нейтронов высокой энергии. О INGD впервые сообщалось в середине 90-х годов для обсаженных скважин; он был включен в инструмент LWD на основе генератора D-T в 2000 году (Evans et al., 2000) и поступил на рынок в 2012 году (Reichel et al., 2012). Однако из-за смешанной нейтронно-фотонной физики, метод INGD не является таким точным, как плотность гамма-гамма, но может использоваться в определенных обстоятельствах. Более того, для альтернативного измерения плотности на основе фотонной физики использование рентгеновских лучей тормозного излучения позволило бы получить более близкий аналог гамма-лучам на основе цезия-137. Фундаментальный физический механизм для рентгеновских лучей и для гамма-лучей — комптоновское рассеяние. Таким образом, механизм на основе генератора рентгеновского излучения потенциально может заменить метод на основе цезия-137. Напротив, нейтронно-гамма-метод предлагает «псевдоплотность», полезную только тогда, когда гамма-гамма-плотность «либо недоступна, либо недостижима», и в зависимости от обстоятельств, подробно описанных Бадруззаманом и др. (2014).

Другой метод на основе ускорителей — это ускоритель альфа-частиц с фокусом плотной плазмы (DPF). Используя реакцию (альфа-Be), генератор DPF может генерировать спектр нейтронов, который очень близко соответствует спектру источника AmBe. Таким образом, было показано, что этот метод почти полностью дублирует результаты пористости с использованием нейтронов. Тем не менее, ускоритель DPF (альфа-Be) требует длительных разработок, прежде чем его можно будет встроить в коммерческий каротажный инструмент (Badruzzaman et al., 2019).

Нефтяная промышленность, как известно, является циклическим предприятием. В настоящее время, когда цены на нефть и газ низкие, каротажные компании переживают чрезвычайные трудности с выручкой и использованием оборудования. Использование инфраструктуры каротажа снизилось на 50–60 процентов, а ценовое давление ведет к значительным скидкам и сопутствующему снижению доходов. Увольнения персонала в количестве от 50 до 60 процентов из-за COVID-19 и снижения цен на нефть оказали серьезное влияние, и в настоящее время в отрасли широко распространены банкротства. Результатом этого является то, что крупнейшие поставщики услуг пересматривают потребности рынка. Крупные капитальные закупки или изменения технологии не реалистичны для многих компаний в текущих рыночных условиях.¹⁰ Вследствие сокращения использования многие источники нейтронов цезия-137

___________________

¹⁰ Кенни Джордан, Ассоциация энергосервисных компаний, выступление перед комитетом 13 октября 2020 г.

и AmBe могут «застрять» в крупных и малых каротажных компаниях, у которых нет стимула переходить на альтернативную технологию, поскольку эти источники являются значительным капитальным активом, замена которого может быть дорогостоящей. Кроме того, для каротажной компании, испытывающей финансовые трудности, расходы, которые требуются для надежной утилизации неиспользуемого источника, могут быть неподъемными. Поэтому эти застрявшие источники представляют существенную угрозу безопасности, особенно если сниженный общий бюджет компаний привел к сокращению расходов на безопасное хранение источников.

Будущий спрос на каротаж для разведки и добычи нефти и других областей применения остается неопределенным. В настоящее время большинство стран признают важность принятия мер по немедленному и резкому сокращению выбросов парниковых газов (ПГ), чтобы замедлить и даже обратить вспять последствия изменения климата. Эти действия имеют большие последствия для генерации и распределения энергии. Например, глобальные усилия по сокращению выбросов ПГ уже привели к снижению спроса на уголь¹¹ для генерации электричества с одновременным увеличением развертывания технологий на возобновляемых источниках энергии, включая солнечную, ветряную и геотермальную технологии.

Мировая нефтяная промышленность почти наверняка подвергнется серьезному влиянию международных усилий, направленных на снижение выбросов ПГ. Некоторые из этих изменений уже происходят (Krauss, 2020). Одним из наиболее вероятных изменений станет сокращение спроса на жидкое топливо для транспорта, поскольку автомобильный и грузовой парк становится все более электрифицированным.¹² Уменьшение спроса ведет к снижению цены на бензин, что ведет к уменьшению расходов на разведку, что в свою очередь должно привести к снижению расходов на услуги каротажа.

Два момента имеют отношение к этому исследованию при этом сценарии низких цен. Во-первых, снижение расходов на услуги каротажа будет означать, что многие хорошо испытанные традиционные источники цезия-137 и AmBe станут лишними, и будут храниться у подрядчика, предоставляющего услуги каротажа, утилизироваться или, возможно, просто выбрасываться. В зависимости от стоимости и наличия пути для безопасной утилизации, это может привести к большей или меньшей угрозе безопасности.

Во-вторых, возможным последствием уменьшения расходов на услуги каротажа может быть уменьшение усилий в разработке альтернативных источников для каротажа. Как отмечалось выше, только несколько самых крупных поставщиков услуг имеют возможности для разработки альтернатив радиоактивным источникам. Без значительных рыночных перспектив эти компании не будут иметь финансовых стимулов сделать такие капиталовложения.

В то время как общий спрос на нефть и газ скорее всего будет уменьшатся в последующие десятилетия, все еще будет существовать потребность в бензиновом топливе в ключевых областях, таких как жидкое топливо для авиации и природный газ как переходное топливо для генерации электричества. Добыча этих ресурсов все также будут требоваться точные и надежные услуги каротажа с использованием традиционных или альтернативных источников.

Сферы, в которых можно ожидать роста рынка каротажа, включают разведку и добычу полезных ископаемых, разведку подземных вод и геотермальную разведку. Например, спрос на медь по прогнозам будет расти в 4-5 раз с 2015 по 2100 гг. вследствие роста численности населения и систем на возобновляемых источниках энергии (Schipper et al., 2018). Но, возможно, наиболее важным сектором будущего рынка для будущего роста услуг по каротажу будет подземное улавливание и хранение углерода, где многие из тех же методов, которые используются при традиционной разведке и добыче нефти и газа, будут использоваться для выбора, проверки и мониторинга хранилищ углекислого газа (NETL, 2017a,b, н. д.).

6.4 СИСТЕМЫ КАЛИБРОВКИ

Системы калибровки создают поля излучения с известной энергией и интенсивностью для калибровки радиационного оборудования для мониторинга, дозиметров с целью обеспечения их точной работы, а также промышленных и телетерапевтических устройств, в которых используется кобальт-60. В системах калибровки используются радиоактивные источники высокой активности (примерно 400–2 200 Ки [15–82 ТБк]). Это источники категории 2 согласно системе категоризации МАГАТЭ. В калибровочном оборудовании используются источники цезия-137 и кобальта-60. Облучателем, который использовался для калибровки кобальта-60, был Gammacell 220 производства Nordion, производство которого было прекращено в 2008 году,¹³ но многие из этих облучателей все еще находятся на объектах по

___________________

¹¹ Во многих случаях электростанции, работающие на угле, заменяются установками на природном газе. Переход с угля на газ с 2010 года позволил сэкономить около 500 миллионов тонн углекислого газа (IEA, 2019).

¹² Например, компания General Motors недавно объявила от том, что выпустит 30 новых полностью электрических автомобилей к 2025 году и прекратит выпуск автомобилей на бензине и дизеле к 2035 году. Кроме того, электрические автомобили сегодня имеют рыночную долю 54 процента в Норвегии (Klesty, 2021), обогнав бензиновые, дизельные и гибридные двигатели (которые также будут полностью сняты с производства к 2025 году).

¹³ См. https://www.nordion.com/products/irradiation-systems.

всему миру (IAEA, 2019c); компания Hopewell Designs разработала замещающий облучатель (Rushton et al., 2016). Оставшаяся часть этого раздела полностью посвящена калибровочным системам на основе цезия-137 из-за проблем с безопасностью, связанных с порошковым хлоридом цезия, который является сильно диспергируемым по сравнению с цельными металлическими источниками кобальта-60.

Радиоактивные источники для калибровки генерируют точно измеренную мощность дозы в соответствии с принятыми стандартами. В Соединенных Штатах Национальный институт стандартов и технологии (NIST) выполняет роль первичной лаборатории радиационной дозиметрии, поэтому поддерживает национальные стандарты измерения и калибрует приборы для вторичных лабораторий. Сеть вторичных и третичных объектов гарантирует, что каждый прибор для обнаружения радиации производит точные измерения и соответствует стандарту NIST. На международном уровне метрология демонстрирует эквивалентность измерений в разных странах и облегчает точные измерения в торговле. Независимо от используемого источника излучения для медицинских или других целей, стандарт и калибраторы все также необходимы.

Калибровка требуется во многих областях применения радиоактивных источников. Чтобы дать представление о масштабе потребности в калибровке, можно сказать, что в Соединенных Штатах насчитывается более 19 000 лицензий для конкретных радионуклидов. К ним относятся больницы и онкологические центры, клиники ядерной медицины, исследовательские центры, университеты, центры обучения и промышленные объекты нефтедобывающих компаний. Приборы используются для обеспечения соответствия требованиям в отношении безопасности и здоровья, связанными с лицензией. Другие пользователи — это федеральные правительственные агентства, а именно Агентство по охране окружающей среды и DOE, которые включают Национальные лаборатории, Программу радиологической помощи, Федеральный центр радиологического контроля и оценки, Центр помощи в радиационной аварийной ситуации/учебный полигон, Группа поиска ядерных аварий, Группа реагирования на несчастные случаи, а также государственные и местные организации. Все эти агентства и программы полагаются на калиброванные приборы, что делает еще более важным обеспечение национальных возможностей США для должной калибровки радиационных приборов. Эти приборы требуют периодической калибровки для обеспечения того, что они дают точную информацию большому числу использующих их субъектов.

6.4.1 Радиоизотопные технологии

Цезий-137 был выбран более 50 лет назад в качестве основы для национальной и международной калибровки из-за его оптимального единого энергетического спектра (661,7 кэВ), длительного периода полураспада и умеренных требований к экранированию по сравнению с другими радионуклидами. Кроме того, цезий-137 генерирует фотонную энергию в середине области, охватывающей рентгеновские трубки, кобальт-60 и линейные ускорители, и, следовательно, охватывает энергии в диапазоне от 10 кэВ до 10 МэВ. В NIST калибратор на основе цезия-137 используется для определения стандарта дозы облучения в воздухе или воздушной кермы. Используемый источник цезия-137 имеет форму хлорида цезия. Из-за легкости диспергирования хлорид цезия вызывает опасения по поводу безопасности.

Миллионы детекторов радиации, ежегодно калибруемых с использованием цезия-137, используются в Соединенных Штатах и во всем мире, включая порты, где измеряется радиоактивность грузов, атомные электростанции для контроля окружающей среды, медицинские учреждения для обеспечения безопасности пациентов и медицинского персонала, а также все места в которых происходит или подозревается утечка радиации.

Калибраторы на основе цезия-137 (см. рисунок 6.9) имеют превосходную воспроизводимость (примерно 0,1 процента в течение периодов от нескольких месяцев до нескольких лет) и дают измерения с низкой степенью неопределенности, требуемы для стандартизации в NIST и последующей передачи стандартов в центры калибровки и конечным пользователям.

Специалист, выступавший перед комитетом, отметил, что значительные знания и процедуры накоплены, исходя из предполагаемой доступности радиационных полей цезия-137.¹⁴ Многие национальные и международные нормы, рекомендации и стандарты, включая документы, выданные Американским национальным институтом стандартизации, Национальным советом по радиационной защите и измерениям, Международной организации стандартизации и МАГАТЭ, основываются на калибраторах с цезием-137. Кроме того, центры калибровки, использующие калибраторы на основе цезия-137, должны продемонстрировать, что они в состоянии воспроизводить национальный стандарт для получения сертификатов программ аккредитации и других нормативных программ.

Текущее количество облучателей на основе цезия-137, используемых в сфере метрологии ионизирующего излучения, оставляют от 1 до 2 процентов всех облучателей с цезием-137, используемых в Соединенных Штатах (CIRMS, 2019).

___________________

¹⁴ Малькольм МакИвен, Национальный исследовательский совет Канады, выступление перед комитетом 28 января 2021 г.

новских лучей может быть учтен при разработке новых калибровочных стандартов. Тем не менее, для соответствия действующим стандартам точности напряжение и ток ускоряющего источника требуют очень точной регулировки. Кроме того, мишень тормозного излучения должна быть точно обработана, и электронный луч должен быть точно направлен на эту мишень. Эти требования делают сопоставление природных параметров этих радиоизотопов практически недостижимым в настоящее время.

Замена радиоактивного хлорида цезия другими высоко стабильными, менее диспергируемыми формами цезия-137, такими как остеклованные источники и источники поллуцита, которые использовались для измерения с помощью цезия-137 и источников каротажа с 1980-х годов, может быть приемлемой для калибровочных применений, поскольку спектр цезия-137 будет сохранен. Размер источника должен быть увеличен, чтобы вмещать меньшую удельную активность остеклованных формул. Как отмечалось в разделе 1.3, такие менее растворимые и менее диспергируемые формы цезия-137 были разработаны в Индии и используются в облучателях крови. Попробовав разные методы, исследователи центра Bhabha Atomic Research Center (BARC) в 2015 году разработали метод точно контролируемого розлива остеклованного цезия-137 в карандаши из нержавеющей стали, которые затем загружаются в облучатели крови. По данным комитета исследования пригодности других форм цезия для калибровки в настоящее время не ведутся.

С 2015 года французская компания ATRON Metrology сотрудничает с Французской национальной метрологической лабораторией для разработки альтернативного метода калибровки измерителей радиации. В этом методе используется электростатический ускоритель, который направляет пучок электронов на танталовую мишень для получения рентгеновских лучей. Ускоритель настроен на производство рентгеновских лучей с энергетическим спектром между гамма-энергиями цезия-137 и кобальта-60 (Bordy et al., 2019). Хотя ATRON рекламирует этот метод как реалистично отражающий тип спектра, который встречается на атомных электростанциях, он не является типом от дискретных источников радиации. Кроме того, дрейф показаний прибора составляет 0,3 процента за 11 месяцев, а погрешность калибровки измерителей радиационного контроля составляет менее 7 процентов, что значительно превышает точность калибраторов на основе цезия-137. Кроме того, срок службы трубки указан на уровне около 4 000 часов, намного меньший срок службы, чем у калибратора с цезием-137, что может привести к более высоким сравнительным затратам на обслуживание технологии ATRON. Более того, при калибровке все еще используется эталон Французской национальной метрологической лаборатории, в которой все еще используется цезий-137 (Chapon et al., 2016).

6.4.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Позиция NIST заключается в том, что отказ от хлорида цезия в калибровочных приборах может нанести ущерб национальным возможностям реагирования на чрезвычайные ситуации. Тем не менее, США и другие правительства рассматривают изменения в политике для отказа от использования хлорида цезия в радиоактивных источниках, и эта политика может быть пересмотрена в ближайшем будущем. Комитет установил, что NIST не предпринимает шаги для подготовки к возможному изменению политики посредством исследования альтернативных технологий и проведения тестов эквивалентности для предотвращения негативного влияние на текущие возможности для калибровки и тестирования.

Если в будущем станет доступна замена для калибраторов на основе цезия-137, которая могла бы соответствовать всем метрологическим требованиям, все задокументированные стандарты, опубликованные до этой даты, а также правила различных регулирующих органов (таких как КЯР США) и агентств по аккредитации на национальном и международном уровне, должны будут разрабатываться повторно, с тем чтобы не пострадала безопасность работников, имеющих дело с радиацией, и населения. До тех пор, пока не станут доступны излучатели цезия на основе новой формы цезия (отличной от хлорида цезия) или источник другого типа, центры калибровки должны будут полагаться на существующие излучатели цезия-137. Без подходящего заменителя устранение источников цезия-137 категории 2 с низким и средним диапазоном значений в калибровочных установках окажет негативное влияние на калибровочную инфраструктуру в Соединенных Штатах и во всем мире, напрямую затронув безопасность населения.¹⁵

6.5 РАДИОИЗОТОПНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

РТГ — это тип ядерной батареи, в которой используются термопары для преобразовании тепла, выделяемого при распаде радиоизотопа, в электричество. РТГ имеет простую конструкцию и не имеет подвижных частей. Они используются в качестве источников энергии в ситуациях, в которых доступ к использующим их системам затруднен,

___________________

¹⁵ Письмо от Роналда Миннити и Майкла Митча, NIST, Чарльзу Фергюсону, Национальные академии, 21 мая 2020 г.; Малькольм МакИвен, Национальный исследовательский совет Канады, выступление перед комитетом 28 января 2021 г.

когда они должны работать без вмешательства человека в течение длительного времени и не способны эффективно использовать солнечную энергию. Основываясь на этих обстоятельствах, РТГ широко использовались в качестве источников питания на спутниках, космических зондах и в удаленных структурах без присутствия человека, таких как маяки, построенные в бывшем Советском Союзе за Полярным кругом, российские станции в Антарктике и арктические мониторинговые станции США.

6.5.1 Радиоизотопные технологии

Радиоизотопы, которые используются для РТГ, должны соответствовать трем основным критериям: иметь относительно длительный период полураспада, чтобы быть в состоянии производить приемлемые уровни энергии; иметь высокую плотность мощности (мощность на единицу массы радиоизотопа) и излучать радиацию, которая может быть экранирована. Плутоний-238¹⁶ и стронций-90 наиболее часто используемые радиоизотопы в качестве топлива для РИТЭГ. Оба радиоизотопа имеют большой период полураспада, 87,7 и 28,8 года соответственно. Плотность мощности обоих радиоизотопов также относительно велика: 0,57 Вт/г для плутония-238 и 0,46 Вт/г для стронция-90. Существенная разница между двумя радиоизотопами связана с производимым излучением: альфа для плутония-238 и бета для стронция-90. Из-за ограниченной проникающей способности альфа-излучение, излучаемое плутонием-238, дает этому радиоизотопу преимущество перед более проникающим бета-излучением стронция-90, поскольку позволяет использовать меньшее экранирование.

Плутоний-238 был предпочтительным радиоизотопом для РИТЭГов для космических полетов из-за более низких требований к экранированию и, следовательно, меньшего веса. Более длительный период полураспада плутония-238 также является преимуществом для космических миссий, поскольку дозаправка невозможна. Начиная с 1960-х годов, РИТЭГи на основе плутония-238 использовались в более чем двух десятках космических миссий США. Совсем недавно многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG) был источником энергии для марсохода Perseverance, совершившего посадку на Марс 18 февраля 2021 года. Он содержит около 4,2 кг плутония-238 (NASA, 2020) или около 73 000 Ки (2,7 ПБк) исходной активности, что делает его источником категории 1. Только что заправленный MMRTG обеспечивает электрическую мощность примерно 110 Вт. Всего за 2 дня после приземления исследователи Национальной лаборатории Идахо объявили, что работают над системой питания следующего поколения, которая будет в три раза эффективнее системы питания Perseverance и в которой будет использоваться динамическое преобразование мощности с термическим циклом Стирлинга или Брайтона (ANS, 2021).

Самым большим недостатком плутония-238 является сложность его производства в достаточных количествах. После закрытия последнего реактора для производства плутония в стране в 1988 году на объекте Саванна-Ривер (Smith et al., 2019) запасы топлива, по прогнозам, будут исчерпаны в 2018 году. В 2015 году Министерство энергетики решило проблему предстоящей нехватки, восстановив производство плутония-238 в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) для будущих миссий Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (Walli, 2015). По состоянию на февраль 2021 года реактор с изотопами с высоким потоком на ORNL произвел почти 1 кг плутония-238, и его мощность составляет до 700 г в год. Чтобы помочь в достижении цели НАСА (1,5 кг в год к 2026 году) Министерство энергетики объявило 16 февраля 2021 году, что Национальная лаборатория Идахо (INL) нарастит использование своего передового испытательного реактора (ATR) для производства плутония-238; первые две кампании излучения в ATR должны дать 30 г весной 2021 года (DOE, 2021).

Для наземных применений использование РИТЭГов также началось в 1960-х годах. В бывшем Советском Союзе было развернуто более 1 000 РИТЭГов, работающих на высокоактивном стронции-90 категории 1. Крупнейшим РИТЭГом был IEU-1 с исходной активностью 465 000 Ки (17,2 ПБк), а самым малым — Beta-M/S, который имел начальную активность 35 700 Ки (1,32 ПБк) (Porter, 2015). К началу 2000-х гг. почти все РИТЭГи советского и российского производства превысили свой изначальный срок службы. При координации МАГАТЭ несколько стран предоставили финансовую и техническую помощь, что помогло России вывести из эксплуатации почти все РИТЭГи. Например, Норвегия выделила 20 миллионов евро (около 24 миллионов долларов) на помощь России в выводе из эксплуатации и консервации 180 РИТЭГов в прибрежных зона северо-западной России, вдоль Баренцева, Белого и Карского морей. Норвегия также предоставила солнечные установки в качестве альтернативных источников энергии для замены РИТЭГов, питающих маяки (Digges, 2015). К концу 2019 года почти 1 000 РИТЭГов, которые были развернуты на севере России, и 4 в Антарктике были выведены из эксплуатации и разобраны, а источники стронция-90 помещены на хранения в Производственной ассоциации «Маяк», расположенной в Челябинской области в России. Только 12 РИТЭГов остается на Камчатке, но их вывод из эксплуатации также запланирован на ближайшее будущее (NASEM, 2020).

___________________

¹⁶ В отличие от плутония-239, плутоний-238 нерасщепляющийся, поэтому его нельзя использовать на атомных электростанциях или в ядерном оружии.

В Соединенных Штатах было развернуто намного меньше РИТЭГов, чем в Росии, и к августу 2015 года оставшиеся 10 РИТЭГов были вывезены из Бернт-Маунтин, Аляска, силами ВВС США. Источники стронция-90 были вывезены и захоронены на полигоне национальной безопасности штата Невада, который уполномочен принимать и обезопасить изъятые из употребления источники, принадлежащие правительству США (Romano, 2015). Эти целенаправленные национальные и международные усилия по удалению и замене наземных РИТЭГов привели почти к полному изъятию из употребление целого класса высокоактивных радиоактивных источников.

Новые устройства проектируются в Соединенных Штатах и, возможно, в других странах. Например, компания Zeno Power Systems, расположенная в США, разрабатывает радиоизотопную систему питания нового поколения, которая преобразует тепловую энергию распада стронция-90 в электричество, предназначенное, в основном, для правительственных и коммерческих космических проектов. Эта конструкция нового поколения от Zeno нацелена на увеличение удельной мощности системы и снижение ее веса, что делает ее подходящей для космических исследований. По словам разработчиков, текущий уровень технологической готовности (TRL) РИТЭГ составляет TRL 3, и в ближайшие месяцы его планируется повысить до TRL 4. Они планируют развертывание технологии к 2025 году. Основными технологическими проблемами, остающимися при разработке технологии, являются демонстрация рентабельного, воспроизводимого и высококачественного изготовления топливных капсул и проведение строгих испытаний, необходимых для квалификации любого РИТЭГа для космических полетов. Разработчики также признают рыночные риски, связанные с уровнем неопределенности в ядерной и космической промышленностях.¹⁷

6.5.2 Альтернативные технологии

Как отмечалось выше, наземное использование РИТЭГов исключено. Самыми большими сложностями, связанными с замещающей технологией, было то, что альтернативный источник питания в арктическом регионе должен выдерживать температуры ниже 0°C и обеспечивать надежное питание при очень малом количестве солнечного света в осенние и зимние месяцы. Заметная программа развития альтернативных технологий проводилась с начала 2000-х по 2007 год и включала совместные усилия Инициативы по снижению глобальной угрозы NNSA, ВМС Российской Федерации, Национальных лабораторий Sandia, Юго-западного института развития технологий, Института энергетики и экологии Государственного университета Нью-Мексико, Курчатовского института и Норвежской комиссия по маякам Кыстверкет. В рамках этого сотрудничества были протестированы фотоэлектрические (PV) и аккумуляторные системы в двух местах: на установке в Хоннигсваге в Норвегии и на маяке на мысе Шавор в Российской Федерации. Курчатовский институт установил систему в третьем месте в Карбасе, Российская Федерация, — небольшую ветряную турбину в дополнение к фотоэлектрической и аккумуляторной системе. Эти системы электроснабжения необходимы для питания светодиодного сигнального маячка мощностью 10 Вт, производимого компанией «Нав-Дальс» из Санкт-Петербурга, Россия. Система PV состояла из пять модулей с максимальной мощностью 40 ватт и никель-кадмиевой аккумуляторной батареей на 950 ампер-час, работающей при 12 В.

В солнечный летний период аккумулятор был полностью заряжен. С осеннего равноденствия и до начала зимнего периода аккумулятор перешел в режим непрерывного разряда, но мощности было достаточно для работы светового сигнала. Максимальный разряд аккумулятора составил около 65 процентов от общего. Для сравнения, гибридная система с небольшой ветряной турбиной, но модулями PV и аккумулятором такого же типа имела общий разряд 45 процентов. Исследователи пришли к выводу, что любой системы было достаточно, но ветряная турбина обеспечивала дополнительную надежность (Hauser et al., 2007).

6.5.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Для космических экспедиций на орбите Марса и за ее пределами доступной солнечной энергии недостаточно для питания космических зондов и марсоходов. Поэтому РИТЭГи будут продолжать использоваться Соединенным Штатами и другими космическими державами безопасным и надежным способом, как описано далее. РИТЭГи НАСА доказали способность обеспечивать безопасное и надежное питание в течение более 50 лет и в более чем 25 экспедициях. Характеристики безопасности включают многоуровневую защиту с надежным топливом, модульную конструкцию и несколько физических барьеров. В частности, топливо представляет собой диоксид плутония в огнеупорных керамических гранулах для уменьшения вероятности рассеивания в случае инцидента. Если керамика треснет, она распадется на относительно крупные куски вместо вдыхаемых микроскопических частиц. Кроме того, иридий покрывает каждую топливную таблетку и обеспечивает коррозионно-стойкий защитный слой с очень высокой температурой плавления.

___________________

¹⁷ Тайлер Бернштейн, Zeno Power Systems, письмо Урании Кости, Национальные академии, от 31 января 2021 г.

Более того, жаропрочный графит образует ударопрочные кожухи для дополнительной защиты вокруг топлива. Министерство энергетики отвечает за производства РИТЭГов и их поставку НАСА, а также проводит анализ безопасности перед каждой экспедицией (NASA, 2005).

В 2009 году из-за опасений насчет надежности поставок плутония-238 Европейское космическое агентство приняло решение исследовать альтернативные радиоизотопы для питания космических РИТЭГов. Агентство выбрало америций-241, потому что он был экономически доступен при высокой изотопной чистоте и был легко доступен при переработке коммерческого отработанного ядерного топлива в Европе, хотя его удельная мощность составляет примерно одну пятую от плутония-238. В 2013 году Европейский технический консорциум объявил, что был испытан прототип РИТЭГа с америцием-241 и что Национальная ядерная лаборатория Великобритании произвела америций-241 (Ambrosi et al., 2013). В 2019 году европейский консорциум прогнозировал, что ко второй половине 2020-х годов его программа РИТЭГов будет готова для поставки энергосистемы для космических миссий (Ambrosi et al., 2019).

6.6 ГЛАВА 6 «ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ»

Вывод 14: в стране не наблюдается большого прогресса в использовании альтернативных технологий для некоторых других коммерческих областей применения, в частности, для некоторых видов неразрушающих испытаний и каротажа. Это связано с тем, что в настоящее время отсутствуют равноценные или недорогие альтернативы, альтернативы дают худшие показатели или не дают никаких улучшений или выдают данные и структуры, которые нельзя напрямую сравнить с результатами, полученными при использовании радиоактивных источников.

НК часто включает проверки материалов в удаленных местах вне помещений, где могут быть суровые экологические и производственные условия. При принятии решении об используемом методе НК специалисты по неразрушающему контроля оценивают способность выявлять дефекты, типы дефектов рассматриваемого материала, возможности доступа к проверяемому материалу и экономичность метода. Хотя методы с использованием рентгеновского излучения могут давать радиографические результаты, сходные с результатами использования гамма-излучающих радионуклидов, рентгеновские системы требуют надежного электричества и систем охлаждения и обычно имеют большие размеры и меньшую прочность, чем гамма-камеры для радиографии. Однако успехи в области проектирования рентгеновских аппаратов привели к разработке импульсных источников рентгеновского излучения, которые работают от батареи и имеют физические размеры, близкие к размеру камеры для гамма-радиографии. Тем не менее, необходимость частой дорогостоящей замены рентгеновских трубок и частая невозможность использования все еще делают гамма-радиографию самым надежным и предпочтительным вариантом. Микро-линейные ускорители были разработаны, но они более дорогие, чем радиографические камеры. Ультразвуковые отсканированные изображения требуют квалифицированного изучения и интерпретации обученными и сертифицированными специалистами. Хотя методы радиографии с использованием радиоизотопов и рентгеновского излучения позволяют выявлять большой спектр дефектов, различия в физических условиях между радиографическим и ультразвуковым методами делают каждый из этих методов чувствительным к определенному типу дефекта: радиография подходит для обнаружения объемных дефектов, таких как шлак и пористость, тогда как ультразвук больше подходит для обнаружения плоских дефектов, таких как трещины и отсутствие плавления.

Для каротажа замещающие технологии для радиоактивных источников сталкиваются с некоторыми техническими, логистическими и финансовыми трудностями. Хотя источник цезия-137 потенциально может быть заменен альтернативным рентгеновским источником, таким как линейный ускоритель, существенные препятствия включают размер рентгеновского источника, еще широкий спектр энергий, стабильность источника и анизотропное излучение. С 1987 года было проведено мало работы по развитию этой технологии. В части замены источников нейтронов AmBe альтернативные приборы (на основе ускорителей) считаются менее точными, чем источник AmBe в определении пористости. Из-за различий в физических характеристиках замена существующих методов может создать проблемы с интерпретацией, включая изменение пористости и чувствительности литологии. Более того, некоторые источники нейтронов на основе ускорителей созданы на базе чувствительных к безопасности технологий двойного назначения, которые могут сделать невозможным их использование, особенно в политически чувствительных регионах.

Медленное внедрение инструментов для каротажа на основе ускорителей связано с тремя основным причинами. Во-первых, предложенные альтернативы в большинстве своем не точно воспроизводят данные, предоставляемые радиоактивными источниками. Во-вторых, в настоящее время отсутствуют сильные стимулы для бизнеса для перехода даже больших каротажных компаний, несмотря на то, что у них есть технологические и финансовые средства для исследования альтернатив. В-третьих, малые и средние каротажные компании не имеют технологических возможностей или финансирования для разработки, испытаний и развертывания технологии на основе ускорителей. Следовательно, даже если бы технология идеально соответствовала характеристикам получаемых данных, малые и средние каротажные компании не смогут быстро перейти на нее. Если их вынудят сделать переход, большинство из них уйдет из бизнеса.

Это возможность, которая потенциально может быть решена посредством коллективных действий отраслевых ассоциаций при сотрудничестве и поддержке правительственных агентств.

Что касается будущего развития и внедрения альтернативных технологий для гамма-радиографии, эксперты, выступившие на конференциях МАГАТЭ в 2013 и 2019 годах признали, что замена на ультразвуковое тестирования не произойдет по крайней мере в следующие несколько лет. Они отметили технические ограничения альтернативной технологии и обратили внимание на необходимость проводить валидацию и разрабатывать стандарты. Даже при такой валидации ультразвуковое тестирование, вероятно, продолжит быть комплиментарным по отношению к гамма-радиографии. Однако исследования эквивалентности могут помочь продолжить путь к новым возможностям и внедрению альтернатив. Могла бы помочь также разработка методов демонстрации ультразвуковых изображений, которые были бы сравнимы с тем, что пользователи привыкли видеть на радиограммах, и не требовали бы интерпретации, как в случае с имеющимися на сегодняшний день ультразвуковыми технологиями.

Вывод 15: в стране и за рубежом не наблюдается прогресса в применении альтернативных технологий для систем калибровки с целью замены источников цезия-137 и кобальта-60. Не существует очевидных нерадиоизотопных альтернатив для замены источников хлорида цезия, используемых в этих областях применения, и в настоящее время не проводится никаких исследований и разработок для исследования альтернатив. Отсутствие альтернатив является препятствием глобальным усилиям по прекращению использования цезия-137 в форме хлорида цезия.

Более 50 лет назад цезий-137 был выбран в качестве основы для национальной и международной калибровки из-за того, что его моноэнергетическое гамма-излучение находится в середине измеряемого спектра энергий, а также его высокой точности и воспроизводимости на калибровочном оборудовании. Стандарт на основе цезия-137 используется для калибровки миллионов детекторов радиации ежегодно в Соединенных Штатах и во всем мире. Развертывание детекторов включает атомные электростанции для контроля окружающей среды, порты для измерения радиоактивности груза, медицинские учреждения для обеспечения безопасности пациентов и медицинского персонала, а также все места, в которых происходит или подозревается утечка радиации. Вопрос безопасности связан с тем, что в калибровочных системах цезий-137 используется в форме хлорида цезия, который представляет угрозу дисперсии. Однако ни в стране, ни на международном уровне усилия для развития альтернативных технологий не предпринимаются.

Позиция NIST заключается в том, что изъятие из употребления хлорида цезия в калибровочных приборах будет иметь негативные последствия, в частности, в отношении национальных возможностей реагирования на чрезвычайные ситуации. Правительство США и других стран рассматривают изменения в политике, которые позволили бы отказаться от использования хлорида цезия в радиоактивных источниках, таких как источники в облучателях крови и исследовательских облучателях. Чтобы подготовиться к возможным политическим изменениям, которые будут направлены на устранение хлорида цезия из всех высокоактивных радиоактивных источников, NIST должен начать изучать другие варианты альтернатив цезию-137, такие как высокоэнергетические рентгеновские технологии или различные химические формы этого радионуклида, такие как поллуцит или остеклованный цезий. Остеклованная форма цезия используются в облучателях крови в Индии. Замена радиоактивного хлорида цезия этими другими, менее диспергируемыми формами цезия-137, может быть приемлемой для калибровочных применений, поскольку спектр цезия-137 будет сохранен. Полезные шаги NIST будут включать консультации и сотрудничество с исследовательским сообществом и партнерами в федеральных и региональных агентствах и промышленности, а также с международными партнерами, и проведение испытаний эквивалентности для предотвращения негативного влияния на текущие возможности калибровки и тестирования.