Институт ядерных исследований РАН Радиационно-защитный костюм для пожарных

Институт ядерных исследований РАН Радиационно-защитный костюм для пожарных на АЭС Посвящается морякам атомной подводной лодки К-19 и пожарным Чернобыльской АЭС Выставка “Чернобыль: экология, человек, эдоровье”, Москва, ВВЦ, 5 – 8 декабря 2006 года 1

Пролог Подвиг моряков атомной подводной лодки К-19, предотвративших в 1961 г. взрыв ядерной силовой установки, хорошо известен. Вышедший недавно в мировой прокат художественный фильм вновь напомнил о героических действиях экипажа. Между тем, существует медицинский аспект этих событий, который известен лишь узкому кругу специалистов: при лечении людей, поражённых радиоактивным излучением, заметно повышается вероятность благоприятных исходов, если лучевая болезнь не отягощена лучевым ожогом. Этот факт, установленный при лечении 122 подводников, был подтверждён затем в 1986 г. в Чернобыле. . . 2

Введение Nо N Анализ структуры Согласно ранее радиационных полей, доминирующим вызываемых облучением представлениям степень последствий, а также свойств поражения организма материалов показал, что жёстким сильнопроникающим существует возможность компонентом столь снижения вредного существенна, что воздействия. В этих целях воздействием мягкого были определены параметры компонента, а также альфа- и защитных материалов (или бета-излучений казалось бы пакетов материалов), а также можно пренебречь. Основным принцип их распределения по средством защиты телу с учётом оптимизации признавался тогда лишь защитных свойств, фактор времени. чувствительности органов и массы изделий. 3

На основе разработок, проведённых в Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ), была создана специальная аварийная защитная одежда пожарных для применения в условиях контролируемого и, в особенности, неконтролируемого облучения. 4

Работа Института ядерных исследований по созданию средств индивидуальной защиты от радиационных поражений Корреляционный анализ факторов радиационного воздействия и тяжести сочетанных поражений Доказательство перспективности разработки средства индивидуальной защиты нового типа Формулировка задачи Теоретический поиск Экспериментальные исследования Создание концепции защиты от сочетанных излучений Разработка безопасного способа промышленного контроля радиационнозащитных свойств материалов и изделий Участие в разработке конструкции костюма Создание автоматизированного 5 рабочего места

Теоретический поиск Анализ Структура аварийного излучения Состав защитных материалов Воздействие излучения на биообъекты Расчёт Эффективные составляющие излучения Состав радиационно-защитных материалов Конструкция костюма 6

При анализе характеристик аварийных радиационных полей использованы следующие источники информации: Данные об авариях на атомных подводных лодках (1961, 1968). Данные об аварии в Виндскейле (1957). Данные об аварии в Тримайл Айленде (1979). Данные об аварии в Чернобыле (1986). Труды Радиевого института АН СССР. Американские материалы об испытаниях и применения ядерного оружия на Маршалловых островах (1954). Данные японо-американского Фонда Хиросимы. Данные о результатах натурных испытаниях в Неваде (1986). Результаты расчётов ИЯИ РАН. 7

1. Исследования Обработка данных японо 2. Данные о отдалённых американского фонда 3. Позднее это расхождении между последствий атомных “Хиросима” расхождение было прогнозом и бомбардировок разъяснено благодаря медицинской Хиросимы и Нагасаки Превышение частот развития опухолей, % вводу в расчёт 160 статистикой показали рост Раки молочных желёз и яичек поправки, 120 представлены на численности учитывающей графике в виде онкологических 100 В 2, 5 влияние и мягкого превышения заболеваний, причём 80 раза компонента. частотности данные медицинской 60 На 50% Таким образом, было онкологических статистики оказались показано, что 40 заболеваний как значительно выше Лейкозы воздействие функции глубины прогноза, сочетанного расположения составленного с На 20% 20 облучения может поражённых органов. учётом только Раки внутренних органов иметь количественное жёсткого компонента. описание. 0 2 4 6 8 10 8 Толщина биоткани над поражённым органом, г/см 2

Интенсивность, доза, отн. ед. Распределение интенсивностей и доз фотонного излучения смеси продуктов деления Дозы при выпадении радиоактивных осадков При американских испытаниях на Маршалловых островах (1954) была взорвана бомба с урановой Дозы при разрушении оболочкой. Это привело к образованию продуктов деления активной зоны реактора сходных по составу с выбросами при взрыве атомных реакторов, в том числе энергоблока Чернобыльской АЭС (1986). Образующиеся при этом дозовые спектры должны Интенсивность излучения быть идентичны. С результатами американских измерений согласуются расчётные данные, полученные в ИЯИ РАН, что наглядно представлено на гистограмме. Энергия фотонов, кэ. В Эффективная энергия жёсткого компонента (770 кэ. В) Эффективная энергия мягкого компонента (120 кэ. В) 9

Структура излучения продуктов деления Анализ спектра Анализ составляющих спектра Анализ проникающей способности Определение эффективных энергий по энергиям каждой составляющей по интенсивности для расчётов в двухкомпонентном приближении 2200 кэ. В E Исходный поток Nо d Ослабленный поток N 770 кэ. В 0 Шкала энергий фотонов простирается от единиц до 2200 кэ. В Интенсивности составляющих отображены площадями фигур Граница жёсткого и мягкого компонента 300 кэ. В 200 кэ. В 120 кэ. В Эффективная энергия жёсткого компонента Эффективная энергия мягкого компонента Эффективная энергия для оценки экспозиционной дозы Композиционный материал, содержащий 10 свинец

Классификация излучений смеси продуктов деления По составу По воздействию Поражает все органы, ткани Фотоны с энергией свыше 300 организма, особо тяжело – кэ. В – первичное гаммагонады, органы кроветворения, 50, 7% излучение толстый кишечник, лёгкие, желудок 29, 7% Фотоны с энергией до 300 кэ. В – мягкое гамма-излучение Характеристическое 9% излучение Вторичное излучение, формируемое в среде при 8, 9% рассеянии назад Такие же поражения Жёсткий Практически не экранируется компонент, носимой защитой ограничивается защитой временем Мягкий Возможно компонент, эффективное составляет экранирование не менее 49, 3% носимой защитой всего фотонного излучения Тормозное излучение 1, 7% электронов бета-распада Бета излучение Радиационный ожог Полностью 11 экранируется

Концепция парциальной индивидуальной защиты от сочетанного облучения 1. Предотвращение радиационного ожога, вызываемого бета- и мягким фотонным излучением. 2. Ослабление воздействия фотонного излучения на гонады и кроветворные органы, понижение дозовой нагрузки от мягкого компонента в 2 – 6 раз. 3. Исключение загрязнения поверхности тела и внутренних органов радиоактивными аэрозолями, газами и пылью. 4. Уменьшение риска комбинированных радиационно-термических поражений. 5. Понижение вероятности ранений, заживление которых затруднено при 12 угнетённом кровотворении.

1. На графике представлен итог 2. До 0, 5 г/см 2 – теоретического 3. Дальнейшее область поиска – расчёт 4. Ход кривой наращивание эффективного ослабления отражает содержания поглощения 5. Начальный, свинцовым динамику свинца – свыше защитным крутой, участок экраном 2 -х ослабления 1 г/см 2 – приводит материалом соответствует компонентного сочетанного к увеличению мягкого данным о высоком излучения. массы костюма без компонента. Доза ослаблении Расходящиеся существенного при этом мягкого кривые роста защитного уменьшается в два компонента с охватывают эффекта. раза. эффективной область значений энергией 120 кэ. В, параметров, а пологий вычисленных по участок – о низком разным методикам ослаблении с учётом точности жёсткого ядернокомпонента с физических эффективной данных. энергией 770 кэ. В. Ослабление аварийного излучения защитным материалом (1) Коэффициент ослабления гамма-излучения 4. 0 3. 0 2. 5 2. 0 1. 5 0 1 2 3 4 13 Содержание свинца в материале, г/см 2

Экспериментальные исследования свинецсодержащих композиционных материалов Дозиметр Натурные испытания материалов в районе Чернобыльской АЭС Слои защитного материала Лабораторные испытания методом гамма-спектрометрии Лабораторные испытания методом биодозиметрии Изотоп Гаммаизлучение Рентгеновская установка Сцинтилляционный датчик Гамма-спектрометр Ручная обработка данных Биообъект 14

6. Представленный ранее рачётный 7. Точки график дополнен демонстрируют 8. Представленные данными совпадение с данные занимают эксперимента. расчётами существенное результатов место в полевых проведённых испытаний исследованиях. На композиционных их основе материалов, обосновано содержащих сбалансированное свинец, в районе соотношение Чернобыльской массы и АЭС в ноябре эффективности 1987 г. при дозе радиационновнешнего защитных свойств облучения костюма нового 35, 9± 1, 3 Р/час. типа. Ослабление аварийного излучения защитным материалом (2) Коэффициент ослабления гамма-излучения 4. 0 3. 0 2. 5 2. 0 1. 5 0 1 2 3 4 15 Содержание свинца в материале, г/см 2

При общей поверхностной плотности композиционного материала 1 г/см 2 и содержания свинца 0, 5 г/см 2 вес костюма составит около 20 кг. Такая одежда в условиях радиоактивного загрязнения типа чернобыльского предотвращает лучевой ожог, снижает дозу проникающего облучения примерно в два раза, а степень поражения снижает на единицу. При аварийном неконтролируемом повышенном облучении эта одежда может оказаться единственным средством спасения жизни людей. Новая концепция защиты от излучений, характерных для ядерной аварии, была впервые реализована при создании специальной защитной одежды типа СЗО-1, предназначенной для пожарных, охраняющих АЭС. Внешний вид СЗО-1 Фрагменты СЗО-1 : подшлемник 16 и верхняя часть комбинезона

Контроль радиационно-защитных свойств (РЗС) В ИЯИ для промышленности разработан способ контроля нового для отрасли качества продукции – радиационно-защитных свойств. Для оценки РЗС материалов и изделий установлен параметр – коэффициент ослабления потока моноэнергетического гаммаизлучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэ. В (k 122). Ослабленный поток Исходный поток Изотоп кобальт-57 No Детектор гамма-излучения Разработанный способ N NФ Образцовый спектрометрический гамма-источник (ОСГИ) k 122= Nо /N – в общем виде k 122= (Nо –Nф )/(N–Nф ) – формула для практического применения В данных условиях контроля отличается необходимо учитывать безопасностью за счёт воздействие на использования детектор гамма-квантов источников, имеющих фона. активность менее 100 к. Бк. В формулу для вычисления коэффициента ослабления введён дополнительный параметр –Nф. 17

Измерения с помощью гамма-спектрометра ОСГИ (кобальт-57) No 5. Конечным результатом Гамма-спектрометр 1. Сцинтилляционный блок детектирования N NФ Блок ядерной Компьютер электроники 122 кэ. В Число гамма-квантов Зона интереса (ΔЕ) измерений служит сумма детектирования, входящий в 2. При измерении фона содержимого каналов в зоне состав гамма-спектрометра, форма спектрограммы близка 3. При наличии гаммаинтереса. Зона интереса изготовлен на основе к прямой линии. излучения на спектрограмме устанавливается симметрично кристалла Na. J (Tl). 4. Помещение в зазор наблюдается характерный относительно вершины пика с Используются устройства “источник-детектор” объекта гамма-пик. Изотопу кобальтграницами на уровне ядерной электроники контроля приводит к 57 соответствует гамма-линия полувысоты пика. отечественного производства уменьшению гамма-пика. с энергией 122 кэ. В. и компьютер стандартной комлектации. Номер канала 18

Объекты контроля Т 4 Т 3 Т 2 Т 1 Т 5 1. Входной контроль исходного материала, поступающего в виде полотна шириной около 1 м, длиной около 10 м, с содержанием свинца около 0, 1 г/см 2, проводится согласно статистически обоснованному расчёту по 20 точкам. 2. Промежуточный контроль отдельных деталей костюма (кроя). 3. Сертификация готовой продукции сложной объёмной формы. Проверка производится в определённых точках в количестве около 40 штук. На проверку комплекта затрачивается около часа. 19

Прямые измерения параметров излучения, схема накопления данных При работе спектрометра производится накопление пяти массивов данных 1. Измерение излучения фона 2. Измерение излучения источника 3. Измерения излучения, ослабленного объектом 4. Измерение излучения источника, второе 5. Измерение излучения фона, второе Фон 1/1 Фон 1/2 Фон 1/3 Источник 1/1 Источник 1/2 Источник 1/3 Объект, точка 1/1 Объект, точка 1/2 Объект, точка 1/3 Объект, точка 2/1 Объект, точка 2/2 Объект, точка 2/3 Объект, точка 3/1 Объект, точка 3/2 Объект, точка 3/3 И так далее. . . Объект, точка n/1 Объект, точка n/2 Объект, точка n/3 1 3 2 Источник 2/1 Источник 2/2 Источник 2/3 n Фон 2/1 Фон 2/2 Фон 2/3 20

Фон 1/1 Фон 1/2 Фон 1/3 Источник 1/1 Источник 1/2 Источник 1/3 Объект, точка 1/1 Объект, точка 1/2 Объект, точка 1/3 Объект, точка 2/1 Объект, точка 2/2 Объект, точка 2/3 Объект, точка 3/1 Объект, точка 3/2 Объект, точка 3/3 И так далее. . . Объект, точка n/1 Объект, точка n/2 Объект, точка n/3 Косвенные измерения параметров материала, схема обработки массива первичных данных Вычисление средних арифметических значений параметров излучения Вычисление параметров материала Точка 1 1. Фон, Nф 2. Источник , Nо 3. Объект по точкам Точка 1 , N 1 Источник 2/2 Источник 2/3 Точка 2 , N 2 Фон 2/1 Фон 2/2 Фон 2/3 Точка 2 Точка 3. . . Точка 3 , N 3 Точка n , Nn Точка n 21 Протокол

Итог работы Института ядерных исследований – вклад в развитие нового производства Формирование технологической цепочки. . . Рекомендации по составу Рекомендации по конструкции костюма Ис Схема производства хо дн ый ма те Входной контроль ри Крой ал Автоматизированный контроль радиационно -защитных свойств Промежуточный контроль Сборка Сертификация Готовая продукция 22

Развитие данного направления работ стало возможным при сотрудничестве ИЯИ РАН с ЦКБ Медицинского центра УД Президента РФ, ВНИИ противопожарной обороны, НИИ текстильных материалов, ОАО «ПТС» , НИИ эластомерных материалов, Медицинской службой ВМФ и другими организациями. В 2006 г. закончены разработка, испытания и внедрение в эксплуатацию нового средства индивидуальной защиты – радиационно-защитного 23 комплекта РЗК.

КОНЕЦ Изготовлено в Лаборатории атомного ядра ИЯИ РАН М. Н. Лифановым при участии Б. А. Бенецкого. Москва, 2006 24