Словацький технологічний університет Братислава Факультет електротехніки та інформатики Кафедра ядерної фізики та технології Ing. Роберт Хінка, доктор філософії. Радіаційна безпека та радіаційний захист Підручник для післядипломної перепідготовки: Аспекти безпеки експлуатації ядерних установок 2014

радіаційна

2 2014 р. Ing. Роберт Хінка, доктор філософії. Підручник видано для дванадцятого циклу післядипломного навчання з перепідготовки Аспекти безпеки експлуатації ядерних установок на підставі наказів ДП ​​а.с., №. 4500067904 від 27.01.2011; ČEZ a.s. ні. 4100261650 від 12.01.2011 р. Та ÚJD SR No. 2011/00030 від 25.01.2011 в ДФУ ФЕІ. Текст не відредаговано.

4 Радіаційна безпека та радіаційний захист Іспитні питання 1. Радіаційний фон та його склад. 2. Дозиметрична термінологія. Радіоактивна речовина та радіоактивний випромінювач. 3. Характеристика джерел іонізуючого випромінювання. 4. Кількості та одиниці, що використовуються у радіаційному захисті. 5. Основні принципи радіаційного захисту. Межі опромінення. 6. Детерміновані ефекти опромінення реакції тканини. 7. Ризик раку та спадкові наслідки радіації. 8. Вплив іонізуючого випромінювання на організм людини. Ознаки опромінення. 9. Найбільш біологічно важливі радіонукліди, що утворюються під час роботи реактора. 10. Загальна ефективна доза на рік. Визначення внутрішнього та зовнішнього забруднення. 11. Детектори, що використовуються для вимірювання потужності дози. 12. Детектори, що використовуються для вимірювання забруднення поверхні. 13. Детектори, що використовуються для гамма-спектрометрії. 14. Детектори, що використовуються для особистої дозиметрії. 15. Моніторинг опромінення працівників. Експлуатаційні кількості.

10 Основи радіаційного захисту Середні лінійні втрати важких заряджених частинок на іонізацію та збудження на одиницю шляху залежать від заряду частинки, її швидкості та типу гальмівного агента. Вони можуть бути виражені співвідношенням 1.2: де 2 de NZ від L = K 2 dlv 4 (1.2) E - кінетична енергія частинки, N - кількість ядер поглинача в одиниці об'єму, Z - атомний номер поглинача, ze - заряд частинок, v - його швидкість, K - числовий множник (викликає збільшення L на релятивістських швидкостях). Середні лінійні втрати проти енергія Середні лінійні втрати de/dx 0,06 0,05 de/dx, МеВ/см 0,04 0,03 0,02 de/dx 0,01 0 0,1 1 Енергія, МеВ Рис. 1.1 Залежність середніх лінійних втрат від енергії під час проходження α-частинок через речовину 10 Відстань від поверхня, x Рис. 1.2 Залежність середніх лінійних втрат від відстані від поверхні під час проходження α-частинок крізь речовину Кількість α-частинок, [s -1] Розподіл α-частинок за діапазоном Відстань від джерела R str R ext 1.3 Діапазон α-частинок у речовині та розподіл ймовірностей діапазону частинок однакової енергії. Ми розрізняємо енергію, яку випромінювання втрачає на одиницю шляху під час переходу через речовину (середні лінійні втрати S - зупиняюча потужність, виражену в МеВ/см), та енергію, що поглинається речовиною на одиницю шляху (лінійна передача енергії LET - Лінійний енергообмін кев/мкм).

14 Основи радіаційного захисту екрануючого х, необхідного для достатнього ослаблення потоку бета-частинок під час проходження крізь екрануючий. 100 Потік частинок,% 10 1 R β фон 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Товщина поглинача, г.см -2 Рис. 1.4 Проходження β-частинок через поглинач Al Для більших енергій β-частинок, а також для захисних матеріалів із більшим Z, як видно з рівняння 1.4, частка втрат радіації зростає. При проектуванні захисту слід враховувати результуюче гальмівне випромінювання та розробляти додатковий екран з важкого матеріалу для його поглинання. Як захист від β-випромінювання ми вибираємо легкий матеріал, найчастіше алюміній, за його доступністю та механічними властивостями, щоб зменшити радіаційні втрати і, отже, генерацію тормозного випромінювання. У випадку високоенергетичного випромінювання щодо гальмівного випромінювання, ми розробимо комбінований захист (наприклад, Al-Fe, Al-Pb тощо), щоб зменшити енергію гальмівного випромінювання до мінімуму. В околицях реактора, який також є джерелом інших, більш проникаючих видів випромінювання (фотони γ, нейтрони), не потрібно звертати особливої ​​уваги на захист будівлі від β-випромінювання, оскільки пропонований захист від згаданих типів випромінювання достатньо, щоб відфільтрувати супутнє випромінювання β. Однак у разі високоенергетичного β-випромінювання необхідно перевірити, чи є захист достатнім завдяки результуючому гальмівному випромінюванню.

Основи радіаційного захисту 17 100 Атомне число поглинача 80 60 40 20 Домінує фотоефект Домінує ефект Комптона Домінує утворення пар 0 0,01 0,1 1 10 100 Енергія фотона (МеВ) Рис. 1.5 Залежність типу взаємодії фотонів від атомного номера та енергії фотонів. Товста лінія позначає межу, де ймовірність процесів однакова. 1. Фотоелектричний ефект (τ) Фотоефект - це тип взаємодії γ-випромінювання з атомом, при якому вся його енергія переходить до атома, і воно видаляється, випромінюючи електрон з атомної оболонки. Електрон вивільняється найчастіше з орбіт, близьких до ядра (K, L.), і його кінетична енергія буде дорівнює енергії гамма-фотона, зменшеної енергією зв’язку електрона: E k = hν - E v. Випромінений електрон подорожує навколишнім середовищем, втрачаючи свою енергію за рахунок вторинної іонізації атомів. Енергія, що відповідає зв'язуванню, остаточно випромінюється іонізованим атомом у вигляді характерних рентгенівських променів, що утворюються в процесі перехідного каскаду електронів, які заповнюють звільнену нижню вільну орбіту. Із зменшенням енергії γ випромінювання зменшується ймовірність фотоефекту, а отже, і коефіцієнт поглинання (τ

nz 5 (hν) -3). У точці, де переданої енергії недостатньо для вигнання електрона K, ми спостерігаємо ступінчасту зміну τ - краю смуги поглинання K (див. Рис. 1.6). Поглинання гамма-випромінювання зростає із збільшенням числа протонів Z у п'ятому ступені. 2. Комптонове розсіювання (σ) Коли фотон взаємодіє із вільним електроном або з електроном, енергія зв’язку якого незначно мала в порівнянні з енергією фотона, відбувається комптонове розсіювання. Фотон передає частину своєї енергії електрону, а новий фотон з меншою енергією відлітає від точки взаємодії в іншому напрямку. Зміна енергії фотонів відображається на зміні довжини хвилі, відповідно. частоти відповідно до співвідношення 1.9. Коефіцієнт поглинання, пов'язаний з ефектом Комптона, пропорційний протонному числу Z (σ

nz), оскільки зі збільшенням Z також збільшується кількість електронів, з якими фотон може реагувати.

18 Основи радіаційного захисту 3. Утворення електрон-позитронних пар (κ). Коли фотон γ випромінювання, енергія якого перевищує 1,022 МеВ, проникає в кулонівське поле ядра, може утворитися пара електрон + позитрон. Енергія змінюється на масу, відбувається протилежність знищенню - утворенню пар речовини та антиречовини. Отримані частинки мають кінетичну енергію, рівну кінетичній енергії вихідного фотона, зменшену на енергію, еквівалентну масі електрона і позитрона E k = hν-2mc 2. Імовірність утворення пари зростає пропорційно Z 2. (κ

nz 2) Утворення пари домінує при високих енергіях і великому Z. Необхідно усвідомлювати, що насправді поглинається лише частина енергії. Позитрони майже одразу відпалили електрони, утворивши два фотони з енергією 511 кев. Отже, лінійний коефіцієнт загасання буде сумою трьох факторів, що характеризують три взаємодії µ = τ + σ + κ (1.13). Усі три компоненти залежать від енергії фотонів γ, а також від протонного числа поглинача Z: τ Z 5, σ Z, κ Z 2. Загальний коефіцієнт лінійного ослаблення свинцю та його компонентів показаний на фіг. 1.6. 100 мкм [см -1] 10 4 Total Edge K 1 Фотоефект 2 Комптон 3 Сполучення 1 2 4 0,1 0,01 0,1 Е [МеВ] 1 10 Рис. 1.6 Загальний коефіцієнт лінійного ослаблення та його окремі компоненти 1 3 З того, що ми сказали, проходження γ-випромінювання через матеріальне середовище внаслідок різних взаємодій послаблює вихідний промінь, тоді як ефективність загасання зростає із числом протонів Z абсорбера. При розрахунку радіаційного захисту γ на практиці використовуємо співвідношення 1.12. Для заданої енергії випромінювання γ та відповідного поглинача знайдіть коефіцієнт лінійного ослаблення µ та визначте товщину захисного (екрануючого) матеріалу.

28 Основи радіаційного захисту Табл. 1,8 Діяльність 137 Cs у продуктах харчування та сільськогосподарських продуктах у 2009 р. Продукт A (Бк/кг) Продукт A (Бк/кг) Молоко 0,133 ± 0,01 Зернові культури Фрукти 3,4 ± 0,4 Гриби 229,0 ± 19,0 Овочі 0,025 ± 0,003 Риба 0,276 ± 0,14 Корм ​​3,81 ± 0,28 * * на основі сухої речовини Рис. 1.14 Прапори означають місця запуску ядерної енергії по всьому світу. (www.ctbto.org)

30 Основи організації радіаційного захисту), яка створила всесвітню мережу моніторингу, наслідки аварії можна було виміряти практично у всьому світі. Результати вимірювання йоду 131 наведені на рисунку 1.16. та 1.17. Фіг. 1.16 Результати вимірювання I-131 в Бк/м3 на станціях мережі моніторингу CTBTO. Be-7 Rn-222 I-131 Cs-137 Рис. 1.17 Дані моніторингу радіонуклідів у Європі (Фрайбург, www.bfs.de) За даними вимірювань, проведених Організацією Договору про всебічну заборону ядерних випробувань (CTBTO), яка має глобальну мережу моніторингу, наслідки аварії були в основному вимірними у всьому світі. Результати вимірювання йоду 131 наведені на рисунку 1.16. Опромінення внаслідок медичних процедур. За підрахунками, в середньому на одного жителя проводиться одна рентгенодіагностика на рік (рентген 0,44, рентген 0,19, флюороскопія 0,37). Підраховано, що ефективна доза для всього організму від цих процедур може досягати 1,5 мсв за рік -1. Використовуйте