Материалы и конструкции биологической защиты
Радиационная обстановка в обслуживаемых помещениях АЭС, расположенных вблизи реактора, в основном определяется проникающим гамма-излучением и излучением нейтронов из активной зоны реактора. Чтобы снизить интенсивность излучений до уровня, допускаемого Нормами радиационной безопасности (НРБ), создается биологическая защита, материалы для которой подбирают специально, исходя из технологических требований. Обычно используют комбинацию нескольких материалов, поскольку трудно подобрать универсальный материал для всех видов излучения. Биологическая защита является неотъемлемой частью реакторной установки.
Для замедления быстрых нейтронов обычно используется вещества с малыми атомными номерами (графит, обычная и тяжелая вода, пластмассы, парафин, полиэтилен и др.).
Для поглощения тепловых нейтронов используют специальные вещества - карбид бора, кадмий, бористую сталь, бораль, бетон и др.
Гамма–излучение эффективно ослабляется веществами, имеющими большой атомный номер и высокую плотность (сталь, свинец, свинцовое стекло и др.).
К защитным материалам предъявляются следующие требования:
они должны обладать необходимой механической прочностью,
иметь высокую радиационную и термическую стойкость,
обладать химической инертностью,
сохранять стабильные параметры в процессе эксплуатации.
Материалы, наиболее часто используемые в реакторной технике для биологической защиты.
Графит – достаточно прочный и дешевый материал, который используется в качестве замедлителя и отражателя нейтронов и хорошо поддается механической обработке. Он легко окисляется на воздухе, поэтому его обычно используют в среде инертного газа или смеси газов. Графит широко применяется в реакторах на тепловых нейтронах. Из графитовых блоков формируют активную зону реактора РБМК и отражатели нейтронов.
Вода – хороший замедлитель нейтронов. Высокая плотность атомов водорода обеспечивает защитные свойства воды. Быстрые нейтроны замедляются водой до тепловых скоростей, после чего поглощаются ею. Хорошим замедлителем нейтронов является также тяжелая вода, которая широко используется в реакторах на тепловых нейтронах. Поглощение тепловых нейтронов ядрами изотопов водорода сопровождается первичным гамма – излучением с энергией 2,23 МэВ и вторичным гамма–излучением значительно меньшей энергии – 0,5 МэВ. Эти излучения хорошо поглощаются ядрами бора. Поэтому в реакторах ВВЭР для снижения выхода гамма–излучения в воду добавляют борную кислоту.
Полиэтилен Cn Hn . Это термопластичный полимер, который является хорошим замедлителем нейтронов. Защитные свойства полиэтилена близки к защитным свойствам воды.
Бораль – материал, полученный горячей прокаткой алюминиевых листов. Между листами размещают порошковообразную смесь карбида бора с алюминием. Бораль хорошо поглощает тепловые нейтроны, имеет высокую плотность и хорошо обрабатывается.
Железо применяю
в биологической защите в виде сплавов
(сталь и чугун). Углеродистые и легированные
стали широко используются в водо-водяных
реакторах под давлением. Сталь является
хорошей защитой от тепловых нейтронов
и гамма–излучения. Однако железо
становится сильно радиоактивным под
действием тепловых нейтронов. Образующийся
радионуклид
испускает
гамма–кванты с энергиями 1,1; 1,29 и 7,7 МэВ.
Поэтому за железом располагают
дополнительную биологическую защиту.
Хороший эффект можно получить добавлением
в сталь бора. В этом случае следует
учитывать, что бористая сталь обладает
повышенной хрупкостью.
Свинец не проявляет вторичной радиоактивности. Его применяют для изготовления контейнеров для транспортировки гамма–радиоактивных предметов, а также для изготовления защитных отливок и листов. Применение свинца ограничено его относительно низкой температурой плавления. Для защиты от гамма–излучения при высоких температурах чаще используют вольфрам и тантал.
Бетон. Его используют в ядерных реакторах в качестве основного строительного материала и материала для биологической защиты. В состав бетона входят оксиды кальция, кремния, алюминия, железа, а также легкие ядра. Защитные свойства бетона можно увеличить введением в него боросодержащих материалов. Среди различных сортов бетона для радиационной защиты чаще всего используется серпентиновый бетон. Этот материал эксплуатируется при температурах до 450оС. Защитные свойства этого бетона повышены добавлением железной дроби или опилок.
Защита реактора РБМК
Реактор РБМК размещают в бетонной шахте квадратного сечения. Графитовые блоки, из которых собрана активная зона, располагают в герметичной полости (реакторное пространство), образованной нижней и верхней металлоконструкциями и защитным кожухом. Радиационная защита стального кожуха и компенсаторов от потока быстрых нейтронов осуществляется боковым отражателем толщиной 100 см графитовой кладки (см. рис. 22). На каждой графитовой колонне устанавливают стальные блоки, предназначенные для снижения потока быстрых нейтронов.
При работе АЭС основным источником гамма–излучения в центральном зале является излучение радиоактивного теплоносителя, проходящего по пароводяным коммуникациям.
Радиационная обстановка на площадках турбогенератора характеризуется максимальной мощностью дозы у паровых трубопроводов. У турбины мощность доза гамма–излучения не превышает 0,2 мкР/час.
Защита реактора ВВЭР
Защита состоит из толстостенного металлического корпуса реактора, закрытого сверху крышкой. Кроме того, предусмотрена внутрикорпусная боковая защита, обеспечивающая снижение потока излучения на корпус до предельно допустимого. Эта защита состоит из чередующихся стальных компонентов толщиной 35 – 50 см и воды. За корпусом реактора ВВЭР-1000 в шахте укладывают серпентиновый бетон, охлаждаемый специальным контуром.