Szlovák Műszaki Egyetem Pozsonyi Villamosmérnöki és Informatikai Kar Nukleáris Fizikai és Technológiai Tanszék Ing. Robert Hinca, PhD. Sugárbiztonság és sugárvédelem Tankönyv posztgraduális átképzéshez: A nukleáris létesítmények üzemeltetésének biztonsági vonatkozásai 2014

sugárbiztonság

2 2014 Ing. Robert Hinca, PhD. A tankönyvet a posztgraduális átképzési tanulmány tizenkettedik menetére adták ki a nukleáris létesítmények üzemeltetésének biztonsági vonatkozásai az SE a.s., no. 4500067904 2011.01.27-től; ČEZ a.s. nem. 4100261650, 2011.01.12. És ÚJD SR sz. 2011/00030 2011.01.25-től az STU FEI-nél. A szöveget nem szerkesztették.

4 Sugárbiztonság és sugárvédelem Vizsgakérdések 1. Sugárzási háttér és összetétele. 2. Dozimetrikus terminológia. Radioaktív anyag és radioaktív kibocsátó. 3. Az ionizáló sugárforrások jellemzői. 4. A sugárvédelemben használt mennyiségek és egységek. 5. A sugárvédelem alapelvei. Besugárzási határértékek. 6. A szöveti reakció besugárzásának determinisztikus hatása. 7. A rák kockázata és a sugárzás örökletes következményei. 8. Az ionizáló sugárzás hatása az emberi testre. A besugárzás jelei. 9. A biológiailag legfontosabb radionuklidok, amelyek a reaktor működése során keletkeztek. 10. Teljes effektív dózis évente. A belső és külső szennyeződés meghatározása. 11. A dózissebesség mérésére használt detektorok. 12. A felületi szennyeződés mérésére használt detektorok. 13. Gamma-spektrometriához használt detektorok. 14. A személyes dozimetriához használt detektorok. 15. A munkavállalók expozíciójának figyelemmel kísérése. Működési mennyiségek.

10 A sugárvédelem alapjai A nehéz töltésű részecskék ionizációhoz és gerjesztéshez tartozó átlagos lineáris veszteségei egységnyi utanként a részecske töltésétől, sebességétől és a fékezőanyag típusától függenek. Kifejezhetjük az 1.2 összefüggéssel: ahol 2 de NZ L = K 2 dlv 4 (1.2) E - a részecske kinetikus energiája, N - az abszorber magok száma térfogategységre, Z - az abszorber atomszáma, ze - részecske töltés, v - sebessége, K - numerikus szorzó (relativisztikus sebességnél az L növekedését okozza). Átlagos lineáris veszteség vs. energia Átlagos lineáris veszteségek de/dx 0,06 0,05 de/dx, MeV/cm 0,04 0,03 0,02 de/dx 0,01 0 0,1 1 Energia, MeV 1.1 ábra Az átlagos lineáris energiaveszteségek függése az energiától az α részecskék áthaladása során 10 Távolság a felület, x 1.2 ábra Az átlagos lineáris veszteségek függése a felülettől való távolságtól az α részecskék anyagon való áthaladása során α részecskék száma, [s -1] Az α részecskék megoszlása ​​tartomány szerint Távolság a forrástól R str R ext 1.3 Az anyagban lévő α részecskék tartománya és az azonos energiájú részecskék tartományának valószínűségi eloszlása. Megkülönböztetjük azt az energiát, amelyet a sugárzás az útvonalegységenként elveszít az anyagon keresztüli átmenet során (átlagos lineáris veszteségek S - megállási teljesítmény MeV/cm-ben kifejezve) és az energia között, amelyet az anyag elnyel egységnyi úton (lineáris energiaátadás LET - Lineáris energiaátadás kev/µm).

14 Az árnyékolás sugárvédelmének alapjai x szükségesek ahhoz, hogy kellően csillapítsák a béta részecskék áramlását az árnyékolás útján. 100 Részecskeáramlás,% 10 1 R β háttér 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Abszorber vastagsága, g.cm -2 ábra. 1.4 A β-részecskék áthaladása az Al-abszorberen keresztül A nagyobb β-részecskék energiáihoz, valamint a nagyobb Z-értékű védőanyagokhoz, amint az 1.4. Egyenletből látható, a sugárzási veszteségek aránya növekszik. A védelem kialakításakor figyelembe kell venni a keletkező fékezési sugárzást, és nehéz anyagból készült további árnyékolást kell kialakítani annak elnyeléséhez. A β sugárzás elleni védelemként könnyű anyagot választunk, leggyakrabban alumíniumot annak rendelkezésre állása és mechanikai tulajdonságai miatt, hogy csökkentsük a sugárzási veszteségeket és ezáltal a bremsstrahlung keletkezését. Nagy energiájú sugárzás esetén a fékező sugárzáshoz kombinált védelmet (pl. Al-Fe, Al-Pb stb.) Javasolunk a fékező sugárzás energiájának minimálisra csökkentése érdekében. A reaktor közelében, amely más, áthatóbb sugárzási források (γ fotonok, neutronok) forrása is, nem szükséges külön figyelmet fordítani a β sugárzás elleni védelem kiépítésére, mert a javasolt védelem az említett típusok ellen sugárzás elegendő a kísérő sugárzás β kiszűrésére. Nagy energiájú β sugárzás esetén azonban ellenőrizni kell, hogy a keletkező fékező sugárzás miatt elegendő-e a védelem.

A sugárvédelem alapjai 17 100 Az abszorber atomszáma 80 60 40 20 A fotóeffektus dominálja A Compton-effektus dominálja A párok kialakulása dominál 0 0,01 0,1 1 10 100 Photon energia (MeV) ábra. 1.5 A fotonok kölcsönhatásának típusa a fotonok atomszámától és energiájától függ. A vastag vonal azt a határt jelöli, ahol a folyamatok valószínűsége azonos. 1. Fotoelektromos effektus (τ) A fotoeffektus egyfajta kölcsönhatás a γ sugárzással egy atomdal, amelyben minden energiája átmegy az atomig, és eltávolításra kerül azáltal, hogy egy elektron bocsát ki az atomhéjból. Az elektron a maghoz közeli pályákról szabadul fel leggyakrabban (K, L.), és mozgási energiája megegyezik az gamma foton energiájával, amelyet az elektron kötési energiája csökkent: E k = hν - E v. A kibocsátott elektron a környéken haladva veszti el energiáját az atomok másodlagos ionizációja révén. A kötésnek megfelelő energiát az ionizált atom végül az elektronok átmeneti kaszkádjának folyamatában keletkező jellegzetes röntgensugarak formájában sugározza, amelyek kitöltenék a felszabadult alsó szabad pályát. Ahogy a sugárzás γ energiája csökken, csökken a fotoeffektus valószínűsége és ezáltal az abszorpciós együttható is (τ

nz 5 (hν) -3). Azon a ponton, ahol az átvitt energia nem elegendő a K elektron kiűzéséhez, megfigyelünk egy τ lépésváltozást - a K abszorpciós sáv szélét (lásd 1.6. Ábra). A gamma-sugárzás abszorpciója növekszik a Z protonszám növekedésével az ötödik teljesítményben. 2. Compton-szórás (σ) Amikor egy foton kölcsönhatásba lép egy szabad elektronnal, vagy egy olyan elektronnal, amelynek kötési energiája elhanyagolhatóan kicsi a foton-energiához képest, akkor a Compton-szórás történik. A foton energiájának egy részét átadja az elektronnak, és egy kevesebb energiájú új foton elrepül az interakciós ponttól egy másik irányba. A fotonenergia változását a hullámhossz ill. frekvenciák az 1.9 összefüggés szerint. A Compton-effektussal társított abszorpciós együttható arányos a Z protonszámmal (σ

nz), mert Z növekedésével növekszik azon elektronok száma is, amelyekkel a foton reagálni tud.

18 A sugárvédelem alapjai 3. Elektron-pozitron párok (κ) kialakulása. Amikor egy 1,022 MeV-nél nagyobb energiájú sugárzás fotonja behatol a mag Coulomb-mezőjébe, elektron + pozitron pár képződhet. Az energia tömeggé változik, a megsemmisítés ellentéte következik be - anyag- és antianyag-párok képződése. A kapott részecskék kinetikus energiája megegyezik az eredeti foton kinetikus energiájával, csökkentve az elektron és a pozitron tömegével egyenértékű energiával. E k = hν-2mc 2. A gőzképződés valószínűsége a Z 2 arányában növekszik. (κ

nz 2) A párképződés dominál nagy energiáknál és nagy Z-nál. Fel kell ismerni, hogy az energia csak egy részét veszik fel ténylegesen. A képződött pozitronok szinte azonnal megsemmisülnek az elektronokkal, így két fotont alkotnak, 511 kev energiával. A lineáris csillapítási együttható tehát a három kölcsönhatást jellemző három együttható összege lesz: τ = τ + σ + κ (1.13). Mindhárom komponens függ a γ fotonok energiájától, valamint a Z abszorber protonszámától: τ Z 5, σ Z, κ Z 2. Az ólom és komponenseinek teljes lineáris csillapítási együtthatója a 2. ábrán látható. 1.6. 100 µ [cm -1] 10 4 Total Edge K 1 Fotóhatás 2 Compton 3 Párosítás 1 2 4 0,1 0,01 0,1 E [MeV] 1 10 ábra. 1.6 A teljes lineáris csillapítási együttható és annak egyes komponensei 1 3 Amit mondtunk, a γ-sugárzás áthaladása az anyagi környezeten a különféle kölcsönhatások miatt csillapítja az eredeti nyalábot, míg a csillapítási hatásfok az abszorber Z protonszámával növekszik. A sugárvédelem γ kiszámításakor a gyakorlatban az 1.12 összefüggést használjuk. Adott γ sugárzási energiához és a megfelelő abszorberhez keresse meg a µ lineáris csillapítási együtthatót, és határozza meg a védő (árnyékoló) anyag vastagságát.

28 A sugárvédelem alapjai Tab. 1,8 137 Cs aktivitás élelmiszer- és mezőgazdasági termékekben 2009-ben A termék (Bq/kg) A termék (Bq/kg) tej 0,133 ± 0,01 gabonafélék gyümölcs 3,4 ± 0,4 gomba 229,0 ± 19,0 zöldség 0,025 ± 0,003 hal 0,276 ± 0,14 takarmány 3,81 ± 0,28 * * szárazanyag alapján ábra. 1.14 A zászlók világszerte jelzik a nukleáris kilövési helyeket. (www.ctbto.org)

30 alapja a sugárvédelmi szervezetnek), amely világméretű megfigyelő hálózatot épített ki, a baleset következményei gyakorlatilag világszerte mérhetőek voltak. A 131 jód mérésének eredményeit az 1.16. Ábra mutatja. és 1.17. ÁBRA. 1.16 Az I-131 Bq/m3 mérés eredményei a CTBTO felügyeleti hálózati állomásokon. Be-7 Rn-222 I-131 Cs-137 ábra. 1.17 Radionuklid-monitorozási adatok Európában (Freiburg, www.bfs.de) A globális megfigyelőhálózattal rendelkező átfogó nukleáris teszt-tiltási szerződésszervezet (CTBTO) mérései szerint a baleset következményei lényegében világszerte mérhetők voltak. A 131 jód mérésének eredményeit az 1.16. Ábra mutatja. Sugárzás orvosi eljárások miatt. Becslések szerint évente átlagosan egy röntgendiagnosztika van egy főre vetítve (röntgen 0,44, röntgen 0,19, fluoroszkópia 0,37). Becslések szerint az egész test effektív dózisa ezekből az eljárásokból elérheti az 1,5 msv-t a -1 évben. Használat