Глава 6 радиационная защита на аэс

Целью радиационной защиты на АЭС является снижение годовой эффективной дозы от всех источников внешнего и внутреннего облучения до уровня, не превышающего предела дозы для персонала группы А или Б в соответствии с основными принципами радиационной безопасности.

Методы, положенные в основу разработки радиационной защиты, зависят от геометрии источников и вида излучения.

Так, внешнее альфа-излучение (в основном при производстве работ со свежим топливом) полностью экранируется резиновыми перчатками и спецодеждой. Для защиты от внешнего бета-излучения достаточно экрана из легких материалов (алюминия, оргстекла). Поэтому основной метод защиты от радионуклидов, являющихся бета-излучателями, заключается в предотвращении попадания их во внутрь организма.

В основе разработки проектных решений радиационной защиты от нейтронов деления лежит принцип замедления их и последующего поглощения, а при защите от фотонного излучения - ослабление его материалом с большим атомным номером и высокой плотностью. Необходимо отметить, что на ВВЭР-1000 для защиты от мощного потока нейтронов применяется биологическая защита, которая практически полностью защищает персонал от воздействия нейтронного излучения. К примеру, вклад в годовую эффективную дозу от воздействия потока нейтронов (при производстве работ в центральном зале ГА701 при номинальной мощности реактора), составляет около 2%.

Известны три основных метода защиты от источников гамма-излучений:

1. Метод защиты барьером (материалом);

2. Метод защиты расстоянием;

3. Метод защиты временем.

Доза внешнего облучения от источников гамма-излучения пропорциональна времени облучения. Кроме того, для тех источников, которые по своим размерам можно считать точечными, доза обратно пропорциональна квадрату расстояния от него. Следовательно, уменьшение дозы облучения персонала от этих источников может быть достигнуто не только использованием метода защиты барьером (материалом), но и ограничением времени работы (защита временем) или увеличением расстояния от источника излучения до работающего (защита расстоянием). Эти три метода используются при организации радиационной защиты на АЭС.

6.1 Расчет защиты от альфа и бета-излучения

Для расчета защиты от альфа и бета-излучения обычно достаточно определить максимальную длину пробега, которая зависит от их начальной энергии, а также от атомного номера, атомной массы и плотности поглощающего вещества.

Защита от альфа-излучения на АЭС (например, при приемке «свежего» топлива) из-за малых длин пробегов в веществе не представляет сложностей. Главную опасность альфа-активные нуклиды представляют только при внутреннем облучении организма.

Максимальную длину пробега бета-частиц можно определить по следующим приближенным формулам, см:

для воздуха- R_β =450 E_β, где E_β -граничная энергия бета-частиц, МэВ;

для легких материалов (алюминий) - R_β = 0,1E_β (при Е_β < 0,5 МэВ)

R_β =0,2E_β (при Е_β > 0,5 МэВ)

6.2 Расчет защиты от гамма-излучения

В практике работы на АЭС встречаются источники гамма-излучения различной конфигурации и размеров. Мощность дозы от них может быть измерена соответствующими приборами или рассчитана математически. В общем случае мощность дозы от источника определяется полной или удельной активностью, испускаемым спектром и геометрическими условиями - размерами источника и расстоянием до него.

Простейшим типом гамма-излучателя является точечный источник. Он представляет собой такой гамма-излучатель, для которого без существенной потери точности расчета можно пренебречь его размерами и самопоглощением излучения в нем. Практически можно считать точечным источником любое оборудование, являющееся гамма-излучателем на расстояниях, более чем в 10 раз превышающих его размеры.

Для расчета защиты от фотонного излучения удобно пользоваться универсальными таблицами расчета толщины защиты в зависимости от кратности ослабления излучения К и энергии гамма-квантов. Такие таблицы приведены в справочниках по радиационной безопасности и вычислены на основании формулы ослабления в веществе широкого пучка фотонов от точечного источника с учетом фактора накопления.

Метод защиты барьером (геометрия узкого и широкого пучка). В дозиметрии существуют понятия "широкие" и "узкие" (коллимированные) пучки фотонного излучения. Коллиматор подобно диафрагме ограничивает попадание рассеянного излучения в детектор (рис. 6.1). Узкий пучок используют, например, в некоторых установках для градуировки дозиметрических приборов.

Рис. 6.1. Схема узкого пучка фотонов

1 - контейнер; 2 - источник излучения; 3 - диафрагма; 4 - узкий пучок фотонов

Рис. 6.2. Ослабление узкого пучка фотонов

Ослабление узкого пучка фотонного излучения в защите в результате взаимодействия его с веществом происходит по экспоненциальному закону:

I = I₀ e^-x (6.1)

где Iо — произвольная характеристика (плотность потока, доза, мощность дозы и др.) первоначального узкого пучка фотонов; I - произвольная характеристика узкого пучка после прохождения защиты толщиной х, см;

 - линейный коэффициент ослабления, определяющий долю моноэнергетических (имеющих одинаковую энергию) фотонов, испытавших взаимодействие в веществе защиты на единицу пути, см^-1.

Выражение (7.1) справедливо также при использовании массового коэффициента ослабления _m вместо линейного. При этом толщина защиты должна быть выражена в граммах на квадратный сантиметр (г/см²), тогда произведение _m x будет оставаться безразмерным.

В большинстве случаев при расчетах ослабления фотонного излучения используют широкий пучок, т. е. пучок фотонов, где присутствует рассеянное излучение, которым пренебречь нельзя.

Различие между результатами измерений узкого и широкого пучков характеризуется фактором накопления В:

В = Iшир/Iузк, (6.2)

который зависит от геометрии источника, энергии первичного фотонного излучения, материала, с которым взаимодействует фотонное излучение, и его толщины, выраженной в безразмерных единицах x.

Закон ослабления для широкого пучка фотонного излучения выражается формулой:

I _шир = I₀ B e^-x = I₀ e^{-шир х} ; (6.3),

где ,  _шир - линейный коэффициент ослабления для узкого и широкого пучков фотонов соответственно. Значения  и В для различных энергий и материалов приведены в справочниках по радиационной безопасности. Если в справочниках указан  для широкого пучка фотонов, то фактор накопления учитывать не следует.

Для защиты от фотонного излучения наиболее часто применяют следующие материалы: свинец, сталь, бетон, свинцовое стекло, воду и т. п.

Метод защиты барьером (расчет защиты по слоям половинного ослабления). Кратность ослабления излучения К представляет собой отношение измеренной или рассчитанной мощности эффективной (эквивалентной) дозы Р_изм без защиты, к допустимому уровню среднегодовой мощности эффективной (эквивалентной) дозы Р_ср в той же точке за защитным экраном толщиной х:

Р_ср = ПД_А /1700 час = 20мЗв / 1700час = 12 мкЗв/час.;

где Р_ср – допустимый уровень среднегодовой мощности эффективной (эквивалентной) дозы;

ПД_А - предел эффективной (эквивалентной) дозы для персонала группы А.

1700 час – фонд рабочего времени персонала группы А за год.

K = Р_изм / Р_ср ;

где Р_изм - измеренная мощность эффективной (эквивалентной) дозы без защиты.

При определении по универсальным таблицам необходимой толщины защитного слоя данного материала х (см), следует знать энергию фотонов e (Мэв) и кратность ослабления излучения К.

При отсутствии универсальных таблиц оперативное определение примерной толщины защиты можно выполнять, пользуясь приближенными значениями споя половинного ослабления фотонов в геометрии широкого пучка. Слой половинного ослабления Δ_1/2 представляет собой такую толщину защиты, которая ослабляет дозу излучения в 2 раза. При известной кратности ослабления К можно определить требующееся число слоев половинного ослабления n и, следовательно, толщину защиты. По определению K = 2ⁿ Кроме формулы, приведем приближенную табличную зависимость между кратностью ослабления и числом слоев половинного ослабления:

Кратность ослабления, К	2	4	8	16	32	64	125	250	500	1000
Число слоев, n	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

При известном количестве слоев половинного ослабления n толщина защиты х = Δ_1/2 n.

К примеру слой половинного ослабления Δ_1/2 для свинца равен 1,3 см, для свинцового стекла - 2,1 см.

Метод защиты расстоянием. Мощность дозы фотонного излучения от точечного источника в пустоте изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому если мощность дозы Pi определена на каком-то известном расстоянии Ri, то мощность дозы Рх на любом другом расстоянии Rx рассчитывается по формуле:

Р_х = Р₁ R₁² / R²_x (6.4)

Метод защиты временем. Метод защиты временем (ограничение времени пребывания работника под воздействием ионизирующего излучения) наиболее широко применяется при производстве радиационно-опасных работ в зоне контролируемого доступа (ЗКД). Эти работы оформляются дозиметрическим нарядом, где указывается разрешенное время производства работ.