Радиационно-защитный костюм для пожарных на АЭС
advertisement
Институт ядерных исследований РАН Радиационно-защитный костюм для пожарных на АЭС Посвящается морякам атомной подводной лодки К-19 и пожарным Чернобыльской АЭС Выставка “Чернобыль: экология, человек, эдоровье”, Москва, ВВЦ, 5 – 8 декабря 2006 года 1 Пролог Подвиг моряков атомной подводной лодки К-19, предотвративших в 1961 г. взрыв ядерной силовой установки, хорошо известен. Вышедший недавно в мировой прокат художественный фильм вновь напомнил о героических действиях экипажа. Между тем, существует медицинский аспект этих событий, который известен лишь узкому кругу специалистов: при лечении людей, поражённых радиоактивным излучением, заметно повышается вероятность благоприятных исходов, если лучевая болезнь не отягощена лучевым ожогом. Этот факт, установленный при лечении 122 подводников, был подтверждён затем в 1986 г. в Чернобыле... 2 Введение Nо N Анализ структуры Согласно ранее доминирующимполей, радиационных представлениям вызываемых облучением степень поражения организма последствий, а также свойств жёстким сильнопроникающим материалов показал, что компонентом существует возможность столь существенна, снижения вредного что воздействиемВмягкого воздействия. этих целях компонента, были определены а также параметры альфа- и бета-излучений защитных материалов казалось (или бы можно пренебречь. пакетов материалов), а также Основным принцип ихсредством распределения защиты по признавался телу с учётомтогда оптимизации лишь фактор времени. защитных свойств, чувствительности органов и массы изделий. 3 На основе разработок, проведённых в Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ), была создана специальная аварийная защитная одежда пожарных для применения в условиях контролируемого и, в особенности, неконтролируемого облучения. 4 Работа Института ядерных исследований по созданию средств индивидуальной защиты от радиационных поражений Корреляционный анализ факторов радиационного воздействия и тяжести сочетанных поражений Доказательство перспективности разработки средства индивидуальной защиты нового типа Формулировка задачи Теоретический поиск Экспериментальные исследования Создание концепции защиты от сочетанных излучений Разработка безопасного способа промышленного контроля радиационнозащитных свойств материалов и изделий Участие в разработке конструкции костюма Создание автоматизированного 5 рабочего места Теоретический поиск Анализ Структура аварийного излучения Состав защитных материалов Воздействие излучения на биообъекты Расчёт Эффективные составляющие излучения Состав радиационно-защитных материалов Конструкция костюма 6 При анализе характеристик аварийных радиационных полей использованы следующие источники информации: Данные об авариях на атомных подводных лодках (1961, 1968). Данные об аварии в Виндскейле (1957). Данные об аварии в Тримайл Айленде (1979). Данные об аварии в Чернобыле (1986). Труды Радиевого института АН СССР. Американские материалы об испытаниях и применения ядерного оружия на Маршалловых островах (1954). Данные японо-американского Фонда Хиросимы. Данные о результатах натурных испытаниях в Неваде (1986). Результаты расчётов ИЯИ РАН. 7 1. Исследования Обработка данных японо2. Данные о отдалённых американского фонда 3. Позднее это расхождении между последствий атомных “Хиросима” расхождение прогнозом и было бомбардировок разъяснено медицинской Хиросимы и благодаря Нагасаки Превышение частот развития опухолей, % вводу в расчёт 160 статистикой показали рост Раки молочных желёз и яичек поправки, представлены 120 численности на учитывающей графике в виде онкологических 100 В 2,5 влияние и мягкого превышения заболеваний, причём 80 раза компонента. частотности данные медицинской 60 На 50% Таким образом, было онкологических статистики оказались показано, чтовыше заболеваний как 40 значительно Лейкозы воздействие функции прогноза,глубины сочетанного расположения составленного с На 20% 20 облучения может поражённых органов. учётом только Раки внутренних органов иметь жёсткого компонента. количественное 0 2 4 6 8 10 Толщина биоткани над поражённым органом,8 г/см2 описание. Интенсивность, доза, отн. ед. Распределение интенсивностей и доз фотонного излучения смеси продуктов деления 1.0 Дозы при выпадении осадков нарадиоактивных Маршалловых При американских испытаниях 0.8 островах (1954) была взорвана бомба с урановой Дозы при разрушении оболочкой. Это привело к образованию продуктов деления 0.6 реактора сходных по составу с выбросами при активной взрывезоны атомных реакторов, в том числе энергоблока Чернобыльской АЭС 0.4 (1986). Образующиеся при этом дозовые спектры должны Интенсивность излучения измерений 0.2идентичны. С результатами американских быть согласуются расчётные данные, полученные в ИЯИ РАН, что0.0 наглядно представлено на гистограмме. 0 400 800 1200 1600 2000 Энергия фотонов, кэВ Эффективная энергия жёсткого компонента (770 кэВ) Эффективная энергия мягкого компонента (120 кэВ) 9 Структура излучения продуктов деления Анализ спектра Анализ составляющих спектра Анализ проникающей способности Определение эффективных энергий по энергиям по для интенсивности каждой составляющей расчётов в двухкомпонентном приближении 2200 кэВ E Исходный поток Nо d Ослабленный поток N 770 кэВ 0 Шкала энергий фотонов простирается от единиц до 2200 кэВ Интенсивности составляющих отображены площадями фигур Граница жёсткого и мягкого компонента 300 кэВ 200 кэВ 120 кэВ Эффективная энергия жёсткого компонента Эффективная энергия мягкого компонента Эффективная энергия для оценки экспозиционной дозы Композиционный материал, содержащий 10 свинец Классификация излучений смеси продуктов деления По составу По воздействию Поражает все органы, ткани Фотоны с энергией свыше организма, особо тяжело – 300 кэВ – первичное гаммагонады, органы кроветворения, 50,7% излучение толстый кишечник, лёгкие, желудок 29,7% до 300 кэВ Фотоны с энергией – мягкое гамма-излучение Характеристическое излучение ограничивается защитой временем Мягкий Возможно компонент, 9% Вторичное излучение, формируемое в среде8,9% при рассеянии назад Жёсткий Практически не экранируется компонент, носимой защитой Такие же поражения эффективное составляет экранирование не менее 49,3% носимой защитой всего фотонного излучения Тормозное излучение 1,7% электронов бета-распада Бета излучение Радиационный ожог Полностью 11 экранируется Концепция парциальной индивидуальной защиты от сочетанного облучения 1. Предотвращение радиационного ожога, вызываемого бета- и мягким фотонным излучением. 2. Ослабление воздействия фотонного излучения на гонады и кроветворные органы, понижение дозовой нагрузки от мягкого компонента в 2 – 6 раз. 3. Исключение загрязнения поверхности тела и внутренних органов радиоактивными аэрозолями, газами и пылью. 4. Уменьшение риска комбинированных радиационно-термических поражений. 5. Понижение вероятности ранений, заживление которых затруднено при 12 угнетённом кровотворении. 1. На графике 2 – представлен 2. До 0,5 г/смитог теоретического 3. Дальнейшее область поиска – расчёт 4. Ход кривой наращивание эффективного ослабления отражает содержания поглощения 5. Начальный, свинцовым динамику свинца –участок свыше защитным крутой, экраном ослабления 1 г/см2 – 2-х приводит материалом соответствует сочетанного ккомпонентного увеличению мягкого данным о высоком излучения. массы костюма без компонента. Доза ослаблении Расходящиеся существенного при этом мягкого кривые роста защитного уменьшается компонента с в два охватывают эффекта. раза. эффективной область энергиейзначений 120 кэВ, параметров, а пологий вычисленных по участок – о низком разным методикам ослаблении сжёсткого учётом точности ядернокомпонента с физических эффективной данных. энергией 770 кэВ. Ослабление аварийного излучения защитным материалом (1) Коэффициент ослабления гамма-излучения 4.0 3.0 2.5 2.0 1.5 0 1 2 3 4 13 2 Содержание свинца в материале, г/см Экспериментальные исследования свинецсодержащих композиционных материалов Дозиметр Натурные испытания материалов в районе Чернобыльской АЭС Слои защитного материала Лабораторные испытания методом гамма-спектрометрии Лабораторные испытания методом биодозиметрии Изотоп Гаммаизлучение Рентгеновская установка Сцинтилляционный датчик Гамма-спектрометр Ручная обработка данных Биообъект 14 6. Представленный ранее рачётный 7. Точки график дополнен демонстрируют 8. Представленные данными совпадение с данные занимают эксперимента. расчётами существенное результатов место в полевых проведённых испытаний исследованиях. На композиционных их основе материалов, обосновано содержащих сбалансированное свинец, в районе соотношение Чернобыльской массы и АЭС в ноябре эффективности 1987г. при дозе радиационновнешнего защитных свойств облучения костюма нового 35,9±1,3 Р/час. типа. Ослабление аварийного излучения защитным материалом (2) Коэффициент ослабления гамма-излучения 4.0 3.0 2.5 2.0 1.5 0 1 2 3 4 15 2 Содержание свинца в материале, г/см При общей поверхностной плотности композиционного материала 1 г/см2 и содержания свинца 0,5 г/см2 вес костюма составит около 20 кг. Такая одежда в условиях радиоактивного загрязнения типа чернобыльского предотвращает лучевой ожог, снижает дозу проникающего облучения примерно в два раза, а степень поражения снижает на единицу. При аварийном неконтролируемом повышенном облучении эта одежда может оказаться единственным средством спасения жизни людей. Новая концепция защиты от излучений, характерных для ядерной аварии, была впервые реализована при создании специальной защитной одежды типа СЗО-1, предназначенной для пожарных, охраняющих АЭС. Внешний вид СЗО-1 Фрагменты СЗО-1 : подшлемник 16 и верхняя часть комбинезона Контроль радиационно-защитных свойств (РЗС) В ИЯИ для промышленности разработан способ контроля нового для отрасли качества продукции – радиационно-защитных свойств. Для оценки РЗС материалов и изделий установлен параметр – коэффициент ослабления потока моноэнергетического гаммаизлучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэВ (k122). Ослабленный поток Исходный поток Изотоп кобальт-57 No Детектор гамма-излучения Разработанный способ N NФ Образцовый спектрометрический гамма-источник (ОСГИ) k122= Nо /N – в общем виде k122= (Nо –Nф )/(N–Nф ) – формула для практического применения В данных отличается условиях контроля необходимо учитывать безопасностью за счёт воздействие на использования детектор гамма-квантов источников, имеющих фона. активность менее 100кБк. В формулу для вычисления коэффициента ослабления введён дополнительный параметр –Nф. 17 Измерения с помощью гамма-спектрометра ОСГИ (кобальт-57) No результатом 1. Конечным Сцинтилляционный блок Гамма-спектрометр 5. Сцинтилляционный блок детектирования N NФ Блок ядерной Компьютер электроники Число гамма-квантов Зона интереса (ΔЕ) 122 кэВ измерений служит сумма в детектирования, входящий 2. При измерении фона содержимого каналов вблизка зоне состав гамма-спектрометра, форма спектрограммы 3. При наличии гаммаинтереса. Зона интереса изготовлен на основе кизлучения прямой линии. на спектрограмме устанавливается симметрично кристалла NaJ 4. Помещение в(Tl). зазор наблюдается характерный относительно вершины пика с Используются устройства “источник-детектор” объекта гамма-пик. Изотопу границами на уровне ядерной электроники контроля приводит ккобальт57 соответствует гамма-линия полувысоты пика. отечественного производства уменьшению гамма-пика. си энергией 122 кэВ. компьютер стандартной комлектации. 800 800 800 600 600 600 400 400 200 200 400 200 0 0 0 50 100 150 Номер канала 50 100 150 50 100 150 18 Объекты контроля Т4 Т3 Т5 Т2 Т1 1 2. Промежуточный контроль отдельных деталей костюма (кроя). 2 23 24 5 7 8 9 14 13 12 11 35 34 33 15 16 17 18 36 37 38 39 21 3 28 27 10 29 30 25 6 20 4 1. Входной контроль исходного материала, поступающего в виде полотна шириной около 1 м, длиной около 10 м, с содержанием свинца около 0,1 г/см2, проводится согласно статистически обоснованному расчёту по 20 точкам. 19 41 42 26 31 32 40 3. Сертификация готовой продукции сложной объёмной формы. Проверка производится в определённых точках в количестве около 40 штук. На проверку комплекта затрачивается около часа. 19 Прямые измерения параметров излучения, схема накопления данных При работе спектрометра производится накопление пяти массивов данных 1. 2. Измерение излучения фона Измерение излучения источника 3. Измерения излучения, ослабленного объектом 4. 5. Измерение излучения источника, второе Измерение излучения фона, второе Фон 1/1 Фон 1/2 Фон 1/3 Источник 1/1 Источник 1/2 Источник 1/3 Объект, точка 1/1 Объект, точка 1/2 Объект, точка 1/3 Объект, точка 2/1 Объект, точка 2/2 Объект, точка 2/3 Объект, точка 3/1 Объект, точка 3/2 Объект, точка 3/3 И так далее... Объект, точка n/1 Объект, точка n/2 Объект, точка n/3 1 3 2 Источник 2/1 Источник 2/2 Источник 2/3 n Фон 2/1 Фон 2/2 Фон 2/3 20 Фон 1/1 Фон 1/2 Фон 1/3 Источник 1/1 Источник 1/2 Источник 1/3 Объект, точка 1/1 Объект, точка 1/2 Объект, точка 1/3 Объект, точка 2/1 Объект, точка 2/2 Объект, точка 2/3 Косвенные измерения параметров материала, схема обработки массива первичных данных Вычисление средних арифметических значений параметров излучения Вычисление параметров материала Точка 1 1. Фон, Nф Объект, точка 3/1 Объект, точка 3/2 Объект, точка 3/3 И так далее... 2. Источник , Nо Объект, точка n/1 Объект, точка n/2 Объект, точка n/3 3. Объект по точкам Точка 1 , N1 Источник 2/1 Источник 2/2 Источник 2/3 Точка 2 , N2 Фон 2/1 Фон 2/2 Фон 2/3 ...... Точка 3 , N3 Точка n , Nn Точка 2 Точка 3 ..... Точка n 21 Протокол Итог работы Института ядерных исследований – вклад в развитие нового производства Формирование технологической цепочки... Схема производства Рекомендации по составу Рекомендации по конструкции костюма Исходный материал Автоматизированный контроль радиационнозащитных свойств Входной контроль Крой Промежуточный контроль Сборка Сертификация Готовая продукция 22 Развитие данного направления работ стало возможным при сотрудничестве ИЯИ РАН с ЦКБ Медицинского центра УД Президента РФ, ВНИИ противопожарной обороны, НИИ текстильных материалов, ОАО «ПТС», НИИ эластомерных материалов, Медицинской службой ВМФ и другими организациями. В 2006 г. закончены разработка, испытания и внедрение в эксплуатацию нового средства индивидуальной защиты – радиационно-защитного 23 комплекта РЗК. КОНЕЦ Изготовлено в Лаборатории атомного ядра ИЯИ РАН М.Н. Лифановым при участии Б.А. Бенецкого. Москва, 2006 24
