Словашки технологичен университет Братислава Факултет по електротехника и информатика Катедра по ядрена физика и технологии Ing. Д-р Робърт Хинка. Радиационна безопасност и радиационна защита Учебник за следдипломна преквалификация: Аспекти на безопасността при експлоатация на ядрени съоръжения 2014
2 2014 г. Ing. Д-р Робърт Хинка. Учебникът е издаден за дванадесетия цикъл на следдипломното обучение за преквалификация Аспекти на безопасността при експлоатацията на ядрените съоръжения въз основа на заповеди от SE a.s., No. 4500067904 от 27.01.2011 г .; ČEZ a.s. не. 4100261650 от 12.01.2011 г. и ÚJD SR бр. 2011/00030 от 25.01.2011 г. в STU FEI. Текстът не е редактиран.
4 Радиационна безопасност и радиационна защита Изпитни въпроси 1. Радиационен фон и неговият състав. 2. Дозиметрична терминология. Радиоактивно вещество и радиоактивен излъчвател. 3. Характеристика на източниците на йонизиращо лъчение. 4. Количества и единици, използвани в радиационната защита. 5. Основни принципи на радиационната защита. Граници на облъчване. 6. Детерминистични ефекти на облъчването на тъканната реакция. 7. Риск от рак и наследствени последици от радиацията. 8. Ефекти на йонизиращото лъчение върху човешкото тяло. Признаци на облъчване. 9. Най-важните биологично важни радионуклиди, образувани по време на работа на реактора. 10. Обща ефективна доза на година. Определяне на вътрешно и външно замърсяване. 11. Детектори, използвани за измерване на мощността на дозата. 12. Детектори, използвани за измерване на повърхностно замърсяване. 13. Детектори, използвани за гама спектрометрия. 14. Детектори, използвани за лична дозиметрия. 15. Мониторинг на експозицията на работниците. Експлоатационни количества.
10 Основи на радиационната защита Средните линейни загуби на тежки заредени частици за йонизация и възбуждане за единица пътека зависят от заряда на частицата, нейната скорост и вида на спирачния агент. Те могат да бъдат изразени чрез съотношението 1.2: където 2 de NZ от L = K 2 dlv 4 (1.2) E - е кинетичната енергия на частицата, N - брой на ядрата на абсорбера в единица обем, Z - атомният номер на абсорбера, ze - заряд на частиците, v - неговата скорост, K - числов умножител (причинява увеличаване на L при релативистки скорости). Средни линейни загуби спрямо енергия Средни линейни загуби de/dx 0,06 0,05 de/dx, MeV/cm 0,04 0,03 0,02 de/dx 0,01 0 0,1 1 Енергия, MeV Фиг. 1.1 Зависимост на средните линейни загуби от енергия по време на преминаването на α частици през материя 10 Разстояние от повърхност, x Фиг. 1.2 Зависимост на средните линейни загуби от разстоянието от повърхността по време на преминаването на α частици през материята Брой α частици, [s -1] Разпределение на α частици според обхвата Разстояние от източника R str R ext 1.3 Обхватът на α частиците в дадено вещество и вероятностното разпределение на обхвата на частиците със същата енергия. Разграничаваме енергията, която лъчението губи за единица път по време на прехода през веществото (средни линейни загуби S - спирателна мощност, изразена в MeV/cm) и енергията, която се абсорбира от веществото за единица пътека (линеен енергиен трансфер LET - Линеен енергиен трансфер кев/µm).
14 Основи на радиационната защита на екранирането x, необходими за достатъчно намаляване на потока на бета частици по време на преминаването през екранирането. 100 Поток на частици,% 10 1 R β фон 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Дебелина на абсорбера, gcm cm -2 1.4 Преминаване на β-частици през Al-абсорбер За по-високи енергии на β-частици, както и за защитни материали с по-висок Z, както се вижда от уравнение 1.4, делът на радиационните загуби се увеличава. При проектирането на защитата трябва да се вземе предвид полученото спирачно лъчение и да се проектира допълнително екраниране от тежък материал за неговото поглъщане. Като защита срещу β радиация, ние избираме лек материал, най-често алуминий, поради неговата наличност и механични свойства, за да намалим радиационните загуби и по този начин производството на тормозно излъчване. В случай на високоенергийна радиация по отношение на спирачното лъчение, ние ще проектираме комбинирана защита (например Al-Fe, Al-Pb и др.), За да намалим енергията на спирачното лъчение до минимум. В близост до реактора, който е източник и на други, по-проникващи видове радиация (фотони γ, неутрони), не е необходимо да се обръща специално внимание на защитата на сградата срещу β радиация, тъй като предложената защита срещу споменатите видове излъчване е достатъчно, за да филтрира придружаващото излъчване β. Въпреки това, в случай на високоенергийно β-излъчване е необходимо да се провери дали защитата е достатъчна поради произтичащото спирачно излъчване.
Основи на радиационната защита 17 100 Атомен номер на абсорбера 80 60 40 20 Доминиран от фотоефекта Доминиран от ефекта на Комптън Доминиран от образуването на двойки 0 0,01 0,1 1 10 100 Фотонна енергия (MeV) Фиг. 1.5 Зависимост от вида на взаимодействието на фотоните от атомния номер и енергията на фотоните. Дебелата линия показва границата, където вероятността от процеси е еднаква. 1. Фотоелектричен ефект (τ) Фотоефектът е вид взаимодействие на γ-лъчението с атом, при което цялата му енергия преминава към атома и той се отстранява чрез излъчване на електрон от атомната обвивка. Електронът се освобождава най-често от орбити в близост до ядрото (K, L.) и неговата кинетична енергия ще бъде равна на енергията на гама фотона, намалена от енергията на свързване на електрона: E k = hν - E v. Излъченият електрон пътува през околната среда, губейки енергията си чрез вторичната йонизация на атомите. Енергията, съответстваща на свързването, накрая се излъчва от йонизирания атом под формата на характерни рентгенови лъчи, генерирани в процеса на преходна каскада от електрони, които запълват освободената долна свободна орбита. С намаляването на енергията γ на лъчението вероятността за фотоефект намалява и по този начин също така коефициентът на поглъщане (τ
nz 5 (hν) -3). В точката, в която предаваната енергия не е достатъчна за изхвърляне на K електрона, наблюдаваме стъпкова промяна τ - ръба на лентата на поглъщане K (вж. Фиг. 1.6). Абсорбцията на гама-лъчението се увеличава с увеличаване на протонното число Z в петата степен. 2. Комптоново разсейване (σ) Когато фотонът взаимодейства със свободен електрон или с електрон, чиято енергия на връзката е пренебрежимо малка в сравнение с енергията на фотона, възниква комптоново разсейване. Фотонът прехвърля част от енергията си към електрона, а нов фотон с по-малко енергия отлита от точката на взаимодействие в друга посока. Промяната в енергията на фотоните се отразява в промяната в дължината на вълната респ. честоти съгласно отношение 1.9. Коефициентът на поглъщане, свързан с ефекта на Комптън, е пропорционален на протонното число Z (σ
nz), тъй като с увеличаване на Z броят на електроните, с които фотонът може да реагира, също се увеличава.
18 Основи на радиационната защита 3. Образуване на електрон-позитронни двойки (κ). Когато фотон γ радиация, чиято енергия е по-висока от 1,022 MeV, проникне в кулоновското поле на ядрото, може да се образува двойка електрон + позитрон. Енергията се превръща в маса, настъпва обратното на унищожението - образуването на двойки материя и антиматерия. Получените частици имат кинетична енергия, равна на кинетичната енергия на оригиналния фотон, намалена с енергията, еквивалентна на масата на електрона и позитрон E k = hν-2mc 2. Вероятността за образуване на пара се увеличава пропорционално на Z 2. (к
nz 2) Образуването на двойки доминира при високи енергии и високо Z. Необходимо е да се осъзнае, че само част от енергията всъщност се абсорбира. Позитроните, образувани почти веднага, се унищожават с електрони, за да образуват два фотона с енергия от 511 кев. Следователно коефициентът на линейно затихване ще бъде сумата от трите коефициента, характеризиращи трите взаимодействия τ = τ + σ + κ (1.13) И трите компонента зависят от енергията на фотоните γ, както и от протонното число на абсорбера Z: τ Z 5, σ Z, κ Z 2. Общият коефициент на линейно затихване на оловото и неговите компоненти са показани на ФИГ. 1.6. 100 µ [cm -1] 10 4 Total Edge K 1 Photo effect 2 Compton 3 Pairing 1 2 4 0.1 0.01 0.1 E [MeV] 1 10 Фиг. 1.6 Общ коефициент на линейно затихване и отделните му компоненти 1 3 От казаното от нас, преминаването на γ-лъчение през материалната среда поради различни взаимодействия отслабва първоначалния лъч, докато ефективността на затихване нараства с протонното число Z на абсорбера. При изчисляването на радиационната защита γ на практика използваме съотношението 1.12. За дадена радиационна енергия γ и съответния абсорбер намерете коефициента на линейно затихване µ и определете дебелината на защитния (екраниращ) материал.
28 Основи на радиационната защита Табл. 1.8 Дейност 137 Cs в храните и селскостопанските продукти през 2009 г. Продукт A (Bq/kg) Продукт A (Bq/kg) Мляко 0,133 ± 0,01 Зърнени храни Плодове 3,4 ± 0,4 Гъби 229,0 ± 19,0 Зеленчуци 0,025 ± 0,003 Риба 0,276 ± 0,14 Фураж 3,81 ± 0,28 * * на базата на сухо вещество Фиг. 1.14 Знамената показват местата за ядрено изстрелване по целия свят. (www.ctbto.org)
30 Основи на организацията за радиационна защита), която е изградила глобална мрежа за мониторинг, последствията от аварията са били измерими на практика по целия свят. Резултатите от измерването на йод 131 са показани на фигура 1.16. и 1.17. Фиг. 1.16 Резултати от измерването на I-131 в Bq/m3 в станциите за наблюдение на CTBTO. Be-7 Rn-222 I-131 Cs-137 Фиг. 1.17 Данни за мониторинг на радионуклидите в Европа (Фрайбург, www.bfs.de) Според измервания на Организацията на Договора за всеобхватна забрана на ядрените опити (CTBTO), която има глобална мрежа за мониторинг, последиците от аварията са измерими по същество в световен мащаб. Резултатите от измерването на йод 131 са показани на фигура 1.16. Облъчване поради медицински процедури. Изчислено е, че има средно по една рентгенова диагностика на глава от населението годишно (рентгенова снимка 0,44, рентгенова 0,19, флуороскопия 0,37). Смята се, че ефективната доза за цялото тяло от тези процедури може да достигне 1,5 msv за година -1. Използвайте