книги из ГПНТБ / Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии

тивных частиц, в связи с чем задача адекватного кон­ троля поступления радиоактивности внутрь организма работающих выдвигается в ряд важнейших проблем радиационной безопасности.

6.5. РАДИОАКТИВНЫЕ ЧАСТИЦЫ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТРАНСПЛУТОНИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Важной чертой использования трансплутониевых элементов, т. е. элементов с атомным номером от 95 до 99 (от америция до эйнштейния), является комплекс­ ный характер радиационного воздействия. Персонал в этих условиях может подвергаться как внешнему облу­ чению нейтронами, у-квантами и ß-частицами, так и опасности внутреннего облучения a -активными мате­ риалами высокой радиотоксичности, причем в качестве критического органа для этих элементов следует при­ нимать лимфатические узлы [498]. Большое значение приобретает также задача предотвращения случайных цепных реакций деления, сопровождающихся мощным нейтронным и у-излучением и выделением большого количества тепловой энергии [498].

Потенциальная опасность аэрозольного загрязнения воздушной среды и внутреннего облучения персонала при работе с трансплутониевыми элементами усугублена тем, что удельная активность этих элементов сущест­

1870 кюри]г соответственно, в связи с чем достаточно крупные частицы будут обладать высокой радиоактив­ ностью. Весьма полное изучение характеристик аэро­ золей трансплутониевых элементов в помещениях радио­ химических лабораторий осуществлено авторами работы [499]. Показано, что распределение концентраций аэро­ золей в воздухе защитных камер и боксов подчиняется логарифмически нормальному закону, причем среднее значение концентраций равно 1,5-10-13 кюри/л для камер и 1,8-ІО-13 кюри]л для боксов. В составе частиц иден­ тифицированы 244Cm, ^ С т и 241А т. Методом авторадио­ графии с применением жидких ядерных эмульсий оце­ нена дисперсность радиоактивных частиц, отобранных на фильтры и на поверхность стеклянных пластинок. Отмечены логарифмически нормальные распределения

180

ОБРАЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Известные в настоящее время мощные гамма-уста­ новки, предназначенные для радиационных целей, по способу защиты делятся на три группы [167]:

1.Установки с водной защитой, в которых у-препа- раты хранят в колодцах иод водой, где также проводят

иоблучение.

2.Установки со смешанной защитой, когда у-препа- раты хранят под водой, а облучение проводят в «сухой» рабочей камере, для чего источник во время работы поднимают из колодца с водой в рабочую камеру.

3.Установки с сухой защитой, в которых облучение проводят в бетонной камере, а препараты хранят в «су­

хом» хранилище.

С точки зрения возможности образования радиоак­ тивных аэрозолей наибольшее значение имеют исследо­ вания на гамма-установках с сухим и смешанным ти­ пами защиты; гамма-установки с водной защитой пред­ ставляют меньшую опасность в этом аспекте.

7.1. КОНЦЕНТРАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОАКТИВНЫХ

АЭРОЗОЛЕЙ, о б р а з у ю щ и х с я п ри э к с п л у а т а ц и и МОЩНЫХ ГАММА-УСТАНОВОК С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПРЕПАРАТОВ 60Со (ТИПА К)

Основные результаты исследований концентраций и структуры радиоактивных аэрозолей, образующихся при эксплуатации мощных изотопных гамма-установок типа К, приведены в работе [265]. Источником обра­ зования радиоактивных аэрозолей в установках типа К [501] служит диспергирование радиоактивного загряз­ нения в трубках облучателя и каналах хранилища, в которых находились негерметичные препараты 60Со в

182

алюминиевых оболочках, под действием потока охлаж­ дающего воздуха и при механическом истирании за­ грязненных деталей установки. При этом большая часть образовавшихся радиоактивных частиц уносится охлаж­ дающим воздухом и осаждается затем на фильтрах аспирационной системы. Некоторая же часть радио­ активных частиц, образовавшихся при диспергировании радиоактивного загрязнения верхних участков трубок облучателя, увлекается турбулентными пульсациями на­

К-200 и 3- ІО '2 частица/м3 в воздухе рабочей камеры установки К-50. Максимальные концентрации частиц с активностью более 10~10 кюри в воздухе рабочих камер

концентрации ІО“15—10~14 кюри/л [502]. Для сравнения укажем, что концентрация радиоактивных частиц в аспирационной системе при интегральном выносе

1,6-10—6 кюри/ч равнялась ІО3 частица/м3.

Данные сравнительного изучения дисперсности и дру­ гих характеристик радиоактивных частиц в воздухе рабочей камеры и аспирационной системы установки К-200 приведены в вероятностно-логарифмической сетке на рис. 7.1. Из рисунка видно, что, во-первых, распре­ деления аэрозольных частиц по размерам описываются логарифмически нормальным законом и, во-вторых, что экспериментальные точки ложатся на одну прямую ли­ нию, свидетельствуя об одинаковой дисперсности аэро­ золей, выносимых в воздух рабочей камеры и осаждае­ мых на фильтрах в аспирационной системе {dg=

= 14,4 мкм, (jg = 2,6).

Радиоактивные аэрозоли, загрязнявшие воздух ра­ бочей камеры, имели в несколько раз меньшую удель­ ную активность, чем аэрозоли в аспирационной системе. Например, наибольшая удельная активность аэрозоль­ ных частиц в аспирационной системе наблюдалась для диапазона размеров 3,3—3,6 мкм и составляла 10 кюри/г, приближаясь к удельной активности кобаль­ тового сердечника у-препаратов [503]. Для частиц ра­ диоактивных аэрозолей в воздухе рабочей камеры

183

удельная активность в диапазоне размеров 1,7—3,3 мкм максимальна и равна 2,5 кюри]г, т. е. в четыре раза ниже. Средняя удельная активность аэрозольных частиц в воздухе рабочей камеры 1,5• ІО-2 кюри]г, в то время как средняя удельная активность частиц аэрозолей в

Рис. 7.1. Дисперсный состав радиоактивных аэрозолей в воз­ духе рабочей камеры (1) и аспирационной системы (2)

установки К-200.

аспирационной системе составляла 6 -10~2 кюри/г, т. е. также в четыре раза выше. Наблюдавшиеся различия в удельной активности частиц радиоактивных аэрозо­ лей в рабочей камере и аспирационной системе объяс­ няются, по-видимому, тем, что удельное поверхностное загрязнение верхних участков трубок облучателя (кюри]см2) , диспергирование которого приводит к по­ ступлению радиоактивных частиц в воздух рабочей камеры, ниже по сравнению с загрязнением поверхности у-препаратов, пружинных кассет и глубинных частей каналов, которое является источником радиоактивных аэрозолей, загрязняющих воздух аспирационной си­

стемы.

Интересно отметить, что для частиц обеих аэрозоль­ ных -систем наблюдалось уменьшение как максимальной,

т

так и средней удельной активности частиц с увеличе­ нием их размера. Например, максимальная удельная активность аэрозольных частиц в воздухе рабочей ка­ меры при возрастании размера частиц до 16,6 мкм уменьшалась до 4,2-ІО-2 кюри/г, т. е. становилась в 60 раз меньше по сравнению с малыми мелкими части­ цами. Нам не удалось выявить корреляцию между радиоактивностью частиц и их размером. Обнаружено, что аэрозольные частицы имели весьма различную удельную активность, что указывало на существенные различия в составе и количестве неактивной компоненты частиц. Как показал рентгеноспектральный микроанализ 16 горячих частиц [350], радиоактивные частицы пре­ имущественно состоят из продуктов абразивного и коррозионного износа нержавеющей стали — конструк­ ционного материала деталей установок (пружинных кассет и внутренних поверхностей рабочих каналов). Обогащение состава радиоактивных частиц неактивным носителем с увеличением их размера, по-видимому, свя­ зано с тем, что мелкодисперсные частицы образуются при диспергировании поверхностного слоя конструкци­ онных деталей, в то время как более крупные частицы возникают при диспергировании, в которое вовлекается материал более глубинных слоев (с более низкой ра­ диоактивностью). Соответствующий расчет показывает, что в результате коагуляции радиоактивных частиц с неактивными, в которой основную роль играет механизм инерционной коагуляции [504], может возникнуть не более 0,1% действительного числа радиоактивных ча­ стиц, т. е. коагуляционный механизм образования радио­ активных частиц в условиях эксплуатации мощных гамма-установок типа К играет второстепенную роль.

После проведения дополнительного ампулирования препаратов 60Со в оболочки из нержавеющей стали [505] вынос радиоактивных аэрозолей с воздухом аспира­ ционных систем уменьшился на несколько порядков и впоследствии составлял ІО-12—10-10 кюри/ч для уста­ новки К-200 и ІО"11—ІО-19 кюри/ч для установки К-50. Наблюдалось также уменьшение концентрации радио­ активных аэрозолей в воздухе рабочей камеры уста­ новки К-200 в 20 раз, а в воздухе установки К-50 — в три раза. Наряду с этим произошло и резкое снижение концентрации горячих аэрозольных частиц всех фрак­ ций абсолютной активности, сопровождаемое исчезно­

185

вением наиболее активных фракций (более 5 -ІО-10 кюри/частица) . Исследования показали, что среднегео­ метрический диаметр радиоактивных частиц в аспираци­ онной системе составляет 2,4 мкм для установки К-200 и 3,4 мкм для установки К-50, т. е. уменьшился по сравне­ нию с аэрозолями, выносимыми из установок при их эксплуатации с негерметичными алюминиевыми оболоч­ ками. Резко уменьшились абсолютные и удельные ак­ тивности аэрозольных частиц. Так, максимальная и средняя удельная активность частиц размером 6,6— 10 мкм в аспирационной системе установки К-200 умень­ шилась на два порядка.

Исследование условий вентилирования рабочей ка­ меры установки К-50 показало, что существующая схема вентилирования не обеспечивает равномерного по всему сечению камеры проветривания: воздушные по­

душных потоков приводит к некоторому стационарному распределению концентраций и дисперсности аэрозолей по высоте. Отбор проб аэрозолей в рабочей камере установки К-50 проводился через два фильтра из ткани ФПП площадью 150 см2, присоединенных к воздухо­ дувке типа ЭВ производительностью до 300 м3/ч. Фильтродержатели были расположены в одном сечении камеры на высоте 150 см, т. е. в зоне дыхания, и 20 см от пола. Отбор проб был проведен при нормально рабо­ тающей аспирационной системе и при отключении по­ следней (имитация аварийной ситуации). Данные о кон­ центрации радиоактивных частиц и суммарной активной концентрации аэрозолей приведены в табл. 7.1, из кото­ рой следует, что концентрация радиоактивных аэрозо­ лей в зоне дыхания возрастает при отключении аспи­ рационной системы.

Характеристики радиоактивных аэрозолей приведены в табл. 7.2. Хотя некоторые значения среднегеометри­ ческого диаметра dg определены с малой точностью, тем не менее из данных табл. 7.2 четко выявляются две закономерности. Во-первых, радиоактивные аэрозоли в зоне дыхания характеризуются меньшими размерами, чем вблизи пола камеры. Во-вторых, отключение аспи­ рационной системы приводит к увеличению среднего размера радиоактивных частиц. Так, при включенной аспирационной системе среднегеометрический диаметр

186

20 см от пола — 5 мкм. При отключенной аспирационной системе эти величины равны соответственно 3,1 и 7,2 мкм. Причина укрупнения размеров аэрозольных частиц заключается, видимо, в увеличении температуры поверхностей препаратов и конструкционных деталей при отключении аспирационной системы [215, 216]. Существенно, что средняя удельная активность аэро­ зольных частиц при отключении аспирационной системы возрастает. Вероятно, это связано с тем, что в аэрозо­ лях, выносимых в камеру при отключенной аспирацион­ ной системе конвекционными токами, имеются частицы, образовавшиеся в результате диспергирования радио­ активного загрязнения более глубинных участков рабо­ чих каналов, где степень этого загрязнения выше.

Из табл. 7.2 следует, что дисперсность аэрозолей в аспирационной системе (dg = 3,4 мкм, а*=1,9) близка к дисперсности аэрозолей в зоне дыхания при отклю­ ченной аспирационной системе (dg = 3,1 мкм, стя=1,8). Однако их средняя удельная активность на два по­ рядка выше, причем значения максимальной и средней удельной активности частиц в аспирационной системе за 2,5 года уменьшились незначительно, что объясняется наличием «старого» загрязнения в коллекторе и маги­ стралях аспирационной системы.

Для сравнения укажем, что радиоактивные аэро­ золи, образовавшиеся в результате диспергирования остаточного поверхностного загрязнения оболочек у-пре- паратов установки К-120 с удельной активностью

187

30 кюри/г в двойных герметичных оболочках из нержа­ веющей стали и поступившие в воздух рабочей камеры, характеризовались среднегеометрическим диаметром 2,2 мкм и значениями максимальной и средней удельных

7.2. КОНЦЕНТРАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОЩНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ГАММА-УСТАНОВОК

Во многих отношениях типичны данные, полученные нами при исследованиях радиоактивных аэрозолей, ге­ нерируемых в процессе эксплуатации пневматической мощной гамма-установки КП-200 [503, 507]. Гаммаустановка КП-200 с препаратами 60Со общей актив­ ностью 190000 г-экв радия создана для проведения радиационнохимических процессов в укрупненных мас­ штабах [508]. В отличие от мощных гамма-установок типа К в этой установке подъем препаратов из хра­ нилища в облучатель, их фиксация в рабочем положе­ нии и охлаждение осуществляются с помощью сжатого воздуха. Облучатель установки состоит из 20 U-образ- ных каналов, в каждый из которых загружено по семь стандартных препаратов 60Со в оболочках из нержавею­ щей стали, герметизированных аргоно-дуговой сваркой. В связи с тем что технические условия на эксплуатацию стандартных препаратов 60Со не допускают ударных нагрузок [509] перед загрузкой препаратов в установку, было осуществлено их ампулирование в дополнитель­ ные оболочки из нержавеющей стали с резьбовой самозаконтривающейся крышкой. С целью уменьшения оста­ точного поверхностного загрязнения препаратов “ Со, возможного при заводском изготовлении, препараты пе­ ред дополнительным ампулированием были подвергнуты дезактивации. Суммарная активность, внесенная в уста­ новку на поверхности дополнительных оболочек, состав­

ляет около 0,1 мкюри 60Со.

При перемещении в рабочее положение препараты “ Со подвергаются ударам о тупиковые части каналов облучателя, что может привести к разгерметизации пре­

паратов.

189