Universitatea Slovacă de Tehnologie Bratislava Facultatea de Inginerie Electrică și Informatică Departamentul de Fizică și Tehnologie Nucleară Ing. Dr. Robert Hinca. Siguranța împotriva radiațiilor și protecția împotriva radiațiilor Manual pentru recalificare postuniversitară: Aspecte de siguranță ale funcționării instalațiilor nucleare 2014

împotriva

2 2014 Ing. Dr. Robert Hinca. Manualul a fost emis pentru a 12-a etapă a studiului post-universitar de recalificare Aspecte de siguranță ale funcționării instalațiilor nucleare pe baza comenzilor din SE a.s., nr. 4500067904 din 27.01.2011; ČEZ a.s. Nu. 4100261650 din 12.01.2011 și ÚJD SR nr. 2011/00030 din 25.01.2011 la STU FEI. Textul nu a fost editat.

4 Siguranța împotriva radiațiilor și protecția împotriva radiațiilor Întrebări pentru examen 1. Fundalul radiațiilor și compoziția sa 2. Terminologia dosimetrică. Substanța radioactivă și emițătorul radioactiv. 3. Caracteristicile surselor de radiații ionizante. 4. Cantități și unități utilizate în radioprotecție. 5. Principiile de bază ale radioprotecției. Limite de iradiere. 6. Efectele deterministe ale iradierii reacției tisulare. 7. Riscul de cancer și consecințele ereditare ale radiațiilor. 8. Efectele radiațiilor ionizante asupra corpului uman. Semne de iradiere. 9. Cei mai importanți biologici radionuclizi formați în timpul funcționării reactorului. 10. Doza efectivă totală pe an. Determinarea contaminării interne și externe. 11. Detectoare utilizate pentru măsurarea ratei dozei. 12. Detectoare utilizate pentru măsurarea contaminării suprafeței. 13. Detectoare utilizate pentru spectrometrie gamma. 14. Detectoare utilizate pentru dozimetrie personală. 15. Monitorizarea expunerii lucrătorilor. Cantități de funcționare.

10 Fundamentele protecției împotriva radiațiilor Pierderile liniare medii ale particulelor încărcate greu pentru ionizare și excitație pe unitate de cale depind de sarcina particulelor, viteza acesteia și tipul agentului de frânare. Ele pot fi exprimate prin relația 1.2: unde 2 de NZ din L = K 2 dlv 4 (1.2) E - este energia cinetică a particulei, N - numărul de miezuri absorbante pe unitate de volum, Z - numărul atomic al absorbantului, ze - sarcina particulelor, v - viteza sa, K - multiplicator numeric (determină o creștere a L la viteze relativiste). Pierderi liniare medii vs. energie Pierderi liniare medii de/dx 0,06 0,05 de/dx, MeV/cm 0,04 0,03 0,02 de/dx 0,01 0 0,1 1 Energie, MeV Fig. 1.1 Dependența pierderilor liniare medii din energie în timpul trecerii particulelor α prin materie 10 Distanța de la suprafața, x Fig. 1.2 Dependența pierderilor liniare medii de distanța de la suprafață în timpul trecerii particulelor α prin materie Numărul de particule α, [s -1] Distribuția particulelor α în funcție de interval Distanța de la sursa R str R ext 1.3 Gama de particule α dintr-o substanță și distribuția de probabilitate a gamei de particule de aceeași energie. Distingem energia pe care o pierde radiația pe unitate de cale în timpul tranziției prin substanță (pierderi liniare medii S - putere de oprire exprimată în MeV/cm) și energia care este absorbită de substanță pe unitate de cale (transfer liniar de energie LET - Transfer liniar de energie kev/µm).

14 Bazele protecției împotriva radiațiilor de protecție x necesare pentru a atenua suficient fluxul de particule beta în timpul trecerii prin ecranare. 100 Debitul particulelor,% 10 1 R β fundal 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Grosimea absorbantului, g.cm -2 Fig. 1.4 Trecerea particulelor β printr-un absorbant de Al Pentru energii mai mari de particule β, precum și pentru materialele de protecție cu un Z mai mare, după cum se poate vedea din ecuația 1.4, proporția pierderilor de radiație crește. La proiectarea protecției, trebuie luată în considerare radiația de frânare rezultată și trebuie proiectată o protecție suplimentară din material greu pentru absorbția acesteia. Ca protecție împotriva radiațiilor β, alegem un material ușor, cel mai adesea aluminiu pentru disponibilitatea și proprietățile sale mecanice, pentru a reduce pierderile de radiații și, astfel, producția de bremsstrahlung. În cazul radiațiilor cu energie ridicată în ceea ce privește radiațiile de frânare, vom proiecta o protecție combinată (de exemplu, Al-Fe, Al-Pb etc.) pentru a reduce la minimum energia radiației de frânare. În vecinătatea reactorului, care este și o sursă de alte tipuri de radiații mai penetrante (fotoni γ, neutroni), nu este necesar să se acorde o atenție specială protecției clădirii împotriva radiațiilor β, deoarece protecția propusă împotriva tipurilor menționate radiația este suficientă pentru a filtra radiația însoțitoare β. Cu toate acestea, în cazul radiațiilor β de mare energie, este necesar să se verifice dacă protecția este suficientă din cauza radiației de frânare rezultate.

Bazele protecției împotriva radiațiilor 17 100 Număr atomic al absorbantului 80 60 40 20 Dominat de efectul foto Dominat de efectul Compton Dominat de formarea perechilor 0 0,01 0,1 1 10 100 Energia fotonului (MeV) Fig. 1.5 Dependența tipului de interacțiune a fotonilor de numărul atomic și energia fotonilor. Linia groasă indică granița în care probabilitatea proceselor este aceeași. 1. Efect fotoelectric (τ) Un fotoefect este un tip de interacțiune a radiației γ cu un atom în care toată energia sa trece în atom și este îndepărtată prin emiterea unui electron din învelișul atomic. Electronul este eliberat cel mai adesea de pe orbite apropiate de nucleu (K, L.) și energia sa cinetică va fi egală cu energia fotonului gamma redusă de energia de legare a electronului: E k = hν - E v. Electronul emis se deplasează prin mediu, pierzându-și energia prin ionizarea secundară a atomilor. Energia corespunzătoare legării este radiată în cele din urmă de atomul ionizat sub formă de raze X caracteristice generate în procesul unei cascade tranzitorii de electroni, care umple orbita liberă inferioară eliberată. Pe măsură ce energia γ a radiației scade, probabilitatea fotoefectului scade și, astfel, și coeficientul de absorbție (τ

nz 5 (hν) -3). În momentul în care energia transmisă nu este suficientă pentru a expulza electronul K, observăm o schimbare în trepte τ - marginea benzii de absorbție K (vezi Fig. 1.6). Absorbția radiației gamma crește odată cu creșterea numărului de protoni Z la puterea a cincea. 2. Împrăștierea Compton (σ) Când un foton interacționează cu un electron liber sau cu un electron a cărui energie de legătură este neglijabil de mică în comparație cu energia fotonică, are loc împrăștierea Compton. Fotonul transferă o parte din energia sa către electron, iar un foton nou cu mai puțină energie zboară de la punctul de interacțiune în altă direcție. Schimbarea energiei fotonice se reflectă în schimbarea lungimii de undă resp. frecvențe conform relației 1.9. Coeficientul de absorbție asociat cu efectul Compton este proporțional cu numărul de protoni Z (σ

nz), deoarece odată cu creșterea Z crește și numărul de electroni cu care poate reacționa fotonul.

18 Fundamentele protecției împotriva radiațiilor 3. Formarea perechilor electron-pozitron (κ). Când un foton de radiație γ a cărui energie este mai mare de 1,022 MeV pătrunde în câmpul Coulomb al nucleului, se poate forma o pereche electron + pozitron. Energia se transformă în masă, are loc opusul anihilării - formarea perechilor de materie și antimaterie. Particulele rezultate au o energie cinetică egală cu energia cinetică a fotonului original, redusă cu energia echivalentă cu masa electronului și a pozitronului E k = hν-2mc 2. Probabilitatea formării aburului crește proporțional cu Z 2. (κ

nz 2) Formarea perechilor domină la energii mari și Z ridicate. Este necesar să ne dăm seama că doar o parte din energie este de fapt absorbită. Pozitronii formați aproape imediat se anihilează cu electroni pentru a forma doi fotoni cu energii de 511 kev. Prin urmare, coeficientul de atenuare liniară va fi suma celor trei factori care caracterizează cele trei interacțiuni µ = τ + σ + κ (1.13). Toate cele trei componente depind de energia fotonilor γ, precum și de numărul de protoni ai absorbantului Z: τ Z 5, σ Z, κ Z 2. Coeficientul total de atenuare liniară a plumbului și componentele sale sunt prezentate în FIG. 1.6. 100 µ [cm -1] 10 4 Total Edge K 1 Efect foto 2 Compton 3 Împerecherea 1 2 4 0,1 0,01 0,1 E [MeV] 1 10 Fig. 1.6 Coeficientul total de atenuare liniară și componentele sale individuale 1 3 Din ceea ce am spus, trecerea radiației γ prin mediul material datorită diverselor interacțiuni atenuează fasciculul original, în timp ce eficiența de atenuare crește odată cu numărul de protoni Z al absorbantului. În calculul protecției împotriva radiațiilor γ în practică folosim relația 1.12. Pentru o anumită energie de radiație γ și absorbantul corespunzător, găsiți coeficientul liniar de atenuare µ și determinați grosimea materialului de protecție (ecranare).

28 Bazele protecției împotriva radiațiilor Tab. 1,8 Activitate 137 Cs în produsele alimentare și agricole în 2009 Produsul A (Bq/kg) Produsul A (Bq/kg) Lapte 0,133 ± 0,01 Cereale Fructe 3,4 ± 0,4 Ciuperci 229,0 ± 19,0 Legume 0,025 ± 0,003 Pești 0,276 ± 0,14 Furaje 3,81 ± 0,28 * * pe bază de substanță uscată Fig. 1.14 Steagurile indică locurile de lansare nucleară din întreaga lume. (www.ctbto.org)

30 Fundamentals of Radiation Protection Organization), care a construit o rețea de monitorizare la nivel mondial, consecințele accidentului au fost măsurabile practic la nivel mondial. Rezultatele măsurării iodului 131 sunt prezentate în Figura 1.16. și 1,17. FIG. 1.16 Rezultatele măsurării I-131 în Bq/m3 la stațiile de rețea de monitorizare CTBTO. Be-7 Rn-222 I-131 Cs-137 Fig. 1.17 Date de monitorizare a radionuclizilor în Europa (Freiburg, www.bfs.de) Conform măsurătorilor efectuate de Organizația Tratatului de Interzicere a Testelor Nucleare (CTBTO), care are o rețea globală de monitorizare, consecințele accidentului au fost măsurabile în esență la nivel mondial. Rezultatele măsurării iodului 131 sunt prezentate în Figura 1.16. Iradiere datorată procedurilor medicale. Se estimează că există, în medie, un diagnostic de raze X pe cap de locuitor pe an (raze X 0,44, raze X 0,19, fluoroscopie 0,37). Se estimează că doza eficientă a întregului organism din aceste proceduri poate ajunge la 1,5 msv în anul -1. Utilizare