Защита от нейтронного излучения

Новый материал для защиты космонавтов от радиации

Российские инженеры разработали новый вид защиты от нейтронного излучения. Материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена включает в себя изотоп бора-10, благодаря чему замедляет быстрые нейтроны. Малая масса и устойчивость к условиям открытого космоса позволят использовать материал в качестве покрытия для скафандров, защищающего от излучения, сообщает информационный портал «Атомная энергия 2.0».

О том, почему компания «ТД Пластмасс Групп», которая занимается созданием уникальных синтетических полимеров для промышленности России и стран Таможенного союза, взялась за разработку этого материала, «Стимулу» рассказал директор по развитию Инновационного центра «ТД Пластмасс Групп» Дмитрий Лошадкин: «В определенный момент в связи с изменениями правил Международного агентства по атомной энергии к нам обратился “Росатом”. Дело в том, что в МАГАТЭ существует запрет на использование жидкой нейтронной защиты везде? кроме России. И, соответственно, ее нельзя применять при строительстве АЭС за рубежом. Так вот, в “Росатоме” попросили рассмотреть возможность производства нейтронной защиты из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, что нам удалось реализовать».

Кроме того, по словам Дмитрия Лошадкина, наличие у «ТД Пластмасс Групп» термостойких полимеров позволило предложить компании, работающей со сплавами, материал для блокирования нейтронного излучения в космосе. Этот проект сейчас на стадии разработки.

Ядерные реакторы, ускорители и открытый космос представляют собой источники разных видов излучения. Опасность для человека можно оценить по длине пробега частицы и передаваемой биологическим тканям энергии. Альфа-частицы способны проникнуть в наше тело на сотые доли миллиметра, бета-частицы — на два с половиной сантиметра. Быстрые нейтроны представляют собой отдельный вид излучения. Они обладают высокой энергией и могут проходить в биологических тканях до десяти сантиметров.

Такой вид излучения особенно опасен для людей, работающих рядом с реакторами, так как в атмосфере Земли быстрые нейтроны преодолевают примерно 120 метров, прежде чем столкнутся с достаточным количеством ядер атомов или протонов и потеряют из-за этого энергию. Однако входящие в состав космического излучения нейтроны претерпевают столкновения значительно реже, поэтому они могут преодолеть миллионы километров в космическом пространстве, сохранив энергию. Таким образом, быстрые нейтроны представляют собой значительную угрозу для здоровья космонавтов.

Защититься от этого вида излучения не так просто, поскольку все материалы плохо его поглощают. Поэтому ученые придумали делать многослойные материалы, чтобы постепенно изменять энергию нейтронов и таким образом делать их более податливыми к поглощению.

Первый слой, где происходит замедление быстрых нейтронов, состоит из элементов с малой атомной массой: воды, парафина, полиэтилена, бетона, гидридов металлов. Второй слой предназначен для поглощения медленных нейтронов. Он включает в себя такие элементы, как бор, кадмий, гафний, европий. Процесс поглощения сопровождается гамма-излучением. И для его ослабления предусматривается третий слой, состоящий из тяжелых металлов или эквивалентных им материалов.

Но вещества, применяемые на первом этапе, имеют свои недостатки. Вода может вытекать, испаряться, поэтому ее носитель требует серьезной гидроизоляции. Парафины легко плавятся, бетоны обладают высоким удельным весом, гидриды металлов дорогие. Поэтому российские ученые задумались о создании нового материала.

«Мы предложили использовать изотоп бор-10 в качестве составной части защитных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, — рассказал Дмитрий Лошадкин. — Изотоп бор-10 позволяет обеспечить высокоэффективную нейтронную защиту, в сотни раз превосходящую бетон».

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен в качестве базового материала был выбран благодаря сроку его службы — 50 лет. Кроме того, он хорошо совместим с соединениями бора, используемыми для усиления поглощающей способности нейтронной защиты.

Основная проблема при создании наполненных материалов — необходимость обеспечить однородность распределения бора в объеме полимера. В противном случае нейтроны будут проскакивать через места полимера с недостаточной концентрацией бора, и уровень безопасности нейтронной защиты понизится.

Технология включает двухстадийную схему наполнения полимера соединениями бора, объяснил главный технолог «ТД Пластмасс Групп» Алексей Дуданов. По его словам, гранулы наполняются бором при производстве, и затем дополнительно бор вносится в материал в виде нанопорошков.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен — один из самых тяжелых в обработке современных полимеров, потому при наполнении его бором используют ультразвук высокой интенсивности. Благодаря этому впервые в мировой практике удалось совместить формирование структуры полимерного материала и процесс распределения наполнителя в объеме полимера.

Помимо защиты на ядерных объектах сверхвысокомолекулярный полиэтилен можно использовать для предохранения от радиации в космосе. Даже в условиях низких температур этот материал сохраняет структуру и большую часть спектра своих физико-механических свойств. То есть даже в открытом космосе он будет поглощать нейтронное излучение.

«Новый материал действительно перспективен с точки зрения защиты от радиации, тем более если удалось совместить его с бором-10, — пояснил исполняющий обязанности декана химического факультета МГУ член-корреспондент РАН Степан Калмыков. — Но для подтверждения возможности использования его в космосе нужны дополнительные испытания».

По словам Степана Калмыкова, дело не только в устойчивости к низкой температуре. Важно, насколько встраивание бора изменило прочностные характеристики полимера и как такой композит сможет выдержать сочетание вакуума со сверхнизкой температурой, с одной стороны, и атмосферного давления при комнатной температуре — с другой.

Прикладная ядерная физика

3.4. Защита от излучений

3.4.1. Классификация защит. Защита от внешних потоков -частиц и -частиц. Защита от -излучения. Защита от нейтронного излучения.

Радиационная защита от внутреннего облучения

Защита – материалы, располагаемые между источником излучения и зоной размещения персонала или оборудования для ослабления потока ионизирующих излучений. Защита должна обеспечивать:

а) допустимый уровень облучения персонала, обслуживающего установку, (биологическая защита),

б) допустимый уровень радиационных повреждений конструкционных и защитных материалов (радиационная защита),

в) допустимый уровнеь радиационного энерговыделения и температурного распределенения в конструкционных защитных материалах (тепловая защита).

Типы защит. Сплошная защита, целиком окружающая источник. Раздельная защита (мощные источники окружаются первичной защитой, затем теплоноситель, потом вторичная защита). Теневая защита – защищаемая область ограничена «тенью, отбрасываемой защитой». Частичная защита – ослабленная защита (например, в направлении дна корабля).

По компоновке выделяют гомогенную защиту и гетерогенную (из разных материалов). По форме поверхности часто встречается плоская, сферическая и цилиндрическая защиты.

Критерий бесконечности защиты: любое окружение выделенной защитной среды любым дополнительным материалом не меняет показаний детектора. Физически это означает, что вероятность регистрации рассеянной за пределами защиты среды практически равна нулю. Фон после любой защиты источника всегда выше, чем при его отсутствии.

Защита от заряженных частиц

С точки зрения радиационной опасности, дозиметрия и защита от заряженных частиц имеют значение при облучении тяжелыми частицами высоких энергий в космических полетах, в полетах на самолетах на большой высоте, при использовании пучков ускоренных протонов, дейтронов, других тяжелых ионов, пучков электронов высоких энергий, при смешанном -облучении радиоактивными газами, а также в радиотерапии радиоактивными аппликаторами.

Защита от внешних потоков альфа-частиц

α – частицы – ядра атома гелия () и легкие α – частицы () испускаются тяжелыми ядрами. Энергия -частиц лежит в пределах от 4 до 10 МэВ. Основные потери энергии ионизациооные. Пробег в воздухе до 10 см, в веществе доли миллиметра. -излучение обладает очень малой проникающей способностью, но большой ионизирующей способностью. Коэффициент качества -излучения 20. -частицы опасны при внутреннем облучении.

Защита от внешнего -облучения: слой воздуха 10 см, тонкая алюминевая фольга. лист пластика или стекла, хирургические перчатки, одежда полностью экранируют -излучение.

Пробег α – частиц различных энергий в воздухе, биоткани, алюминии показаны в табл. 3.6.

Пробег α–частиц различных энергий Таблица 3.6

Защита от внешних потоков -частиц

Актвность точечного источника β-частиц, с которой можно работать без защиты (при выходе 1 β-частица/распад), определяется формулой

, (3.13)

где А (мкКи) – активность источника, (част/см2 сек) – предельно допустимая плотность потока β-частиц, соответствующая мощности допустимой эквивалентной дозы 2,8 мбэр/час, определяется табл. 3.7.

Предельно допустимая плотность потока β-частиц Таблица 3.7

Энергия

частиц

МэВ

Плотность потока

-частиц ,

част/см2сек

Плотность потока

электронов ,

част/см2сек

0,1

0,5

При расчете дозы внешнего воздействия принято считать, что чувствительный слой кожи массовой толщиной 100 мг/см2 расположен под покровным слоем толщиной 7 мг/см2.

В табл. 3.7 приведены значения плотности потока β-частиц и электронов при нормальном падении, соответствующие предельно допустимой мощности эквивалентной дозы мбэр/час.

Ослабление веществом моноэнергетических заряженных частиц, в том числе электронов, не носит экспоненциального характера, однако для β-частиц, имеющих непрерывный спектр энергий для небольших толщинах защиты, можно считать, что поток -частиц ослабляется по закону

, (3.14)

где – слой половинного ослабления.

Для алюминия установлена эмпирическая связь между слоем половинного ослабления и граничной энергией электронов β-спектра

(см)=0,095 (МэВ). (3.15)

Толщина защиты от β-излучения должна быть более максимальной длины свободного пробега β-частиц в веществе защиты.

защиты=2∙Rmax. (3.16)

Хрусталик глаза обладает повышенной чувствительностью по сравнению с кожей, а покрывающие его роговые слои имеют толщину всего 300 мг/см2. При работе с β-излучателями с энергией до 3,5 Мэв рекомендуются защитные очки из органического стекла толщиной 6 мм. Для защиты кожи рук используют перчатки и дистанционный инструмент.

Для моноэнергетических электронов с энергией от 0,5 МэВ до 3 МэВ максимальный массовый пробег в алюминии определяется по формуле

(мг/см2)=526Ее (МэВ) –

Основной задачей защиты от мощных потоков -частиц является защита от возникающего тормозного -излучения. Основная доля энергии тормозящихся -частиц трансформируется в сравнительно низкоэнергетическое рентгеновское излучение, поглощаемое экранами от β-излучения. Однако образующиеся высокоэнергетические -кванты требуют защитных экранов.

Защита от гамма — излучения

При измерениях полей -излучения в реальных условиях наряду с нерассеянным излучением регистрируют многократно рассеянные в среде -кванты.

Закон ослабления мощности дозы излучения однородной защитой толщиной х в геометрии узкого пучка для плоского мононаправленного источника имеет вид

. (3.18)

– мощность дозы при нулевой защите, – линейный коэффициент ослабления,

– толщина слоя защиты, – массовая толщина слоя защиты, — массовый коэффициент ослабления, – плотность вещества, – слой половинного ослабления.

Закон ослабления мощности дозы облучения однородной защитой в геометрии параллельного широкого пучка

, (3.19)

где – дозовый фактор накопления

>1, .

Приближенный расчет защиты от -излучения

Толщину защитного экрана, снижающего уровень излучения в два раза, называют слоем половинного ослабления . Для точечного источника или плоского однонаправленного моноэнергетического источника в геометрии широго пучка кратность ослабления можно записать в виде

, (3.20)

где n = d/Δ1/2 – число слоев половинного ослабления, необходимых для достижения заданной кратности ослабления.

Приближенно зависимость кратности ослабления от числа слоев можно представить в виде табл.3.8. Толщина защиты оценивается по формуле , величину определяют экспериментально.

Зависимость кратности ослабления от числа слоев Таблица 3.8

Кратность

ослабления (разы)

Число слоев n

~7

~8

~9

~10

~11

Защита от нейтронного излучения

Ослабление плотности потока коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества происходит по экспоненциальному закону

, (3.21)

где – плотность потока нейтронов до прохождения слоя φ(x), плотность потока нейтронов после прохождения слоя толщиной , – число ядер в 1 см3 вещества. Макроскопическое сечение является линейным коэффициентом ослабления нейтронов в веществе.

Полное микроскопическое сечение (на одно ядро) взаимодействия нейтронов с ядрами:

, (3.22)

где – сечение упругого рассеяния, – сечение неупругого рассеяния , – сечение радиационного захвата , – сечение деления, – сечение реакции , – сечение реакции , – сечение поглощения, сечение захвата.

Плотность потока нейтронов на расстоянии от точечного изотропного источника быстрых нейтронов, испускающего моноэнергетических нейтронов в 1 сек, определяется выражением

, (3.23)

где (см) – линейная длина релаксации нейтронов в веществе, (г/см2) – «массовая» длина релаксации, – «массовое» расстояние.

При проектировании защиты от нейтронного излучения необходимо:

1. Замедлить быстрые нейтроны промежуточными процессами упругого и неупругого рассеяния легкими водородсодержащими веществами (вода, парафин, полиэтилен, гидриды металлов, бетон, графит, карбид бора), так как средняя потеря энергии при упругом рассеянии на легких ядрах максимальна.

2. Замедлить быстрые нейтроны в процессе неупругого рассеяния на тяжелых ядрах, так как сечение неупругого рассеяния нейтронов возрастает на тяжелых ядрах с увеличением энергии нейтрона. Тяжелые элементы (железо, свинец, молибден, вольфрам и титан) необходимы также для снижения потоков вторичного -излучения внутри защиты, возникающего при радиационном захвате нейтронов.

3. Обеспечить быстрое поглощение тепловых и медленных нейтронов эффективными поглотителями с высоким эффективным сечением поглощения тепловых нейтронов (бор, кадмий, гадолиний). При поглощении теплового нейтрона ядром водорода возникает -квант с энергией 2,2 МэВ, а при поглощении ядром кадмия одного нейтрона возникает ~ 10 -квантов.

Пример оптимальной гетерогенной защиты от мощного нейтронного излучения толщиной 250 см, считая от источника: бор – 1,3 мм, 140 см – вода, 55,3 см – железо, бор – 8,66 мм, вода – 23,5 см, железо – 22,9 см.

На АЭС обычно используют тяжелую защиту в виде нескольких метров бетона с добавками металлического скраба и дроби, эффективно ослабляющего как нейтронное, так и гамма-излучение.

Радиационная защита от внутреннего облучения

Радионуклиды, попавшие внутрь организма, обладают повышенной опасностью. Это обусловлено:

Способностью некоторых нуклидов избирательно накапливаться в отдельных органах тела, называемых критическими органами. Пример 30%-ного радиоактивного йода депонируется в щитовидной железе, составляющей только 0,03 % массы тела.

Время выведения нуклида может быть велико по сравнению с временем облучения, определяемым периодом полураспада. Эффективный период Tef полувыведения нуклида из организма

, (3.24)

где Tb – биологический период полувыведения нуклида из организма. T1/2 – период полураспада радиоактивного нуклида.

Высокоионизирующие -излучения и -излучения опасны при внутренних облучениях вследствие высокого значения коэффициента качества излучения.

Радиоактивные излучения проникают в организм через органы дыхания, через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), через кожу и её повреждения. Наиболее опасен первый путь. За 6 рабочих часов человек вдыхает 9 м3 воздуха, в целом за сутки 20 м3, а с пищей принимает только 2,2 л воды.

Меры по защите от воздействия радионуклидов, попавших внутрь организма:

Механическое удаление нуклида: рвотные средства, повторные промывания желудка и кишечника, выдача адсорбентов нуклида, обильное питье. Для нуклидов , , применяют метод изотопного разбавления.

Ускоренное выведение методом замещения или комплексообразования: для используют сернокислый барий до 50 г/сутки, глюконат кальция, хлористый кальций, хлористый аммоний. Для плутония применяют внутривенное введение пентацина. Для изотопов йода (периоды полураспада 8 сут, 0,87 сут, 0,28 сут соответственно) используют стабильный аналог в виде йодной настойки или таблеток йодистого калия.

Изотопы йода попадают в воздух производственных помещений при работе ядерных реакторов, АЭС, заводов по переработке отработанного ядерного горючего и при авариях и взрывах ядерных устройств.

Критическим контингентом с точки зрения опасности облучения изотопами йода являются дети до двух лет. Основным фактором радиационной опасности является пероральное(через рот) поступление йода с молоком коров, а не ингаляция (вдыхание) йода. В случае разового (аварийного) выброса йода во внешнюю среду загрязнение молока коров достигает максимума на четвертый день. Доза на щитовидную железу у ребенка от потребления молока 1 л/сут может в сотни раз превзойти дозу от вдыхания воздуха.

Наибольшие источники радиационной опасности – это отвалы урановых рудников, ядерные энергетические установки, АЭС, хранилища радиоактивных отходов.

3.4.2.Применение радиоактивных излучений в науке и технике

Методы использования ядерных излучений делятся на четыре группы:

1. Метод меченных атомов (изотопных индикаторов) состоит в добавлении к исследуемому элементу малого количества его радиоактивного изотопа и последующем слежении за его перемещениями и химическими превращениями атомов исследуемого элемента. Чувствительность метода обратно пропорциональна периоду полураспада используемого радиоактивного изотопа.

2. Использование большой проникающей способности -излучения для определения толщины и пустот в исследуемом материале.

3. Использование ионизирующей способности излучений. Радиоактивные излучения, проходя через газ, ионизируют его и делают электропроводным. Так работают нейтрализаторы статического электричества в текстильной промышленности.

4. Метод активационного анализа состоит в изменении нуклонного состава или энергетического состояния ядер вещества после облучения нейтронами или -квантами. В результате часть ядер становится радиоактивными или превращается в возбужденные. Идентификация элементов и их количественное определение производится путем измерения интенсивности и энергии наведенной радиоактивности, а также по периоду полураспада радиоактивных ядер.

Нейтронный активационный анализ обладает высокой чувствительностью, связанной с большими сечениями захвата тепловых нейтронов. Для -активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности. Активационный анализ используется при поиске полезных ископаемых и в археологии (радиоуглеродный анализ изотопа с периодом полураспада лет).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *