Радиационно-защитный костюм для пожарных на АЭС

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...

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

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.

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

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

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.

Обработка данных японо-американского фонда “Хиросима”
Превышение частот развития опухолей, %
Толщина биоткани над поражённым органом, г/см2
Раки молочных желёз и яичек
Лейкозы
Раки внутренних органов
В 2,5
раза
На 50%
На 20%
1. Исследования отдалённых последствий атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки показали рост численности онкологических заболеваний, причём данные медицинской статистики оказались значительно выше прогноза, составленного с учётом только жёсткого компонента.
2. Данные о расхождении между прогнозом и медицинской статистикой представлены на графике в виде превышения частотности онкологических заболеваний как функции глубины расположения поражённых органов.
3. Позднее это расхождение было разъяснено благодаря вводу в расчёт поправки, учитывающей влияние и мягкого компонента.
Таким образом, было показано, что воздействие сочетанного облучения может иметь количественное описание.

При американских испытаниях на Маршалловых островах (1954) была взорвана бомба с урановой оболочкой. Это привело к образованию продуктов деления сходных по составу с выбросами при взрыве атомных реакторов, в том числе энергоблока Чернобыльской АЭС (1986). Образующиеся при этом дозовые спектры должны быть идентичны. С результатами американских измерений согласуются расчётные данные, полученные в ИЯИ РАН, что наглядно представлено на гистограмме.
Распределение интенсивностей и доз фотонного излучения смеси продуктов деления

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

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

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.
5. Понижение вероятности ранений, заживление которых затруднено при угнетённом кровотворении.
4. Уменьшение риска комбинированных радиационно-термических поражений.

Ослабление аварийного
излучения защитным материалом (1)
0 1 2 3 4
Коэффициент ослабления гамма-излучения
Содержание свинца в материале, г/см2

Экспериментальные исследования свинецсодержащих композиционных материалов
Натурные испытания материалов в районе Чернобыльской АЭС
Лабораторные испытания методом гамма-спектрометрии
Лабораторные испытания методом биодозиметрии

0 1 2 3 4
Коэффициент ослабления гамма-излучения
Содержание свинца в материале, г/см2
Ослабление аварийного
излучения защитным материалом (2)

При общей поверхностной плотности композиционного материала 1 г/см2 и содержания свинца 0,5 г/см2 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 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 гамма-излучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэВ (k122).
Разработанный способ контроля отличается безопасностью за счёт использования источников, имеющих активность менее 100кБк.
k122= Nо /N – в общем виде
Исходный поток
k122= (Nо –Nф )/(N–Nф ) – формула для практического применения
В данных условиях необходимо учитывать воздействие на детектор гамма-квантов фона.
В формулу для вычисления коэффициента ослабления введён дополнительный параметр –Nф.

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

Объекты контроля
1. Входной контроль исходного материала, поступающего в виде полотна шириной около 1 м, длиной около 10 м, с содержанием свинца около 0,1 г/см2, 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.

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

Косвенные измерения параметров материала, схема обработки массива первичных данных
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
Источник 2/1
Источник 2/2
Источник 2/3
Фон 2/1
Фон 2/2
Фон 2/3
И так далее...
Объект, точка n/1
Объект, точка n/2
Объект, точка n/3
1. Фон, Nф
2. Источник , Nо
3. Объект по точкам
Точка 1 , N1
Вычисление параметров материала
Вычисление средних арифметических значений параметров излучения
Точка 2 , N2
Точка 3 , N3
. . . . . .
Точка n , Nn
Точка 1
Точка 2
Точка 3
. . . . .
Точка n
Протокол

Готовая продукция
Сертификация
Сборка
Промежуточный контроль
Крой
Входной контроль
Итог работы Института ядерных исследований – вклад в развитие нового производства
Схема производства
Рекомендации по конструкции костюма
Исходный материал
Рекомендации по составу
Автоматизированный контроль радиационно-защитных свойств
Формирование технологической цепочки...

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 комплекта РЗК.