Тема 6 (частина 2). Використання радіонуклідів та джерел іонізуючого опромінення в промисловості та сільському господарстві. Розрахунок захисту від дії іонізуючого опромінення.
Питання теми та основні терміни
Ø Захист від a-опромінення.
Ø Захист від b-опромінення.
Ø Захист від g-опромінення.
Ø Характеристика захисних матеріалів.
Основні терміни теми: радіонукліди, радіоактивні атоми, період напіврозпаду, активність радіонукліду, фонове опромінення, захист, альфа, бета, гама-випромінювання, шар половинного ослаблення, захисні матеріали.
Інформаційні матеріали теми
Використання радіонуклідів та джерел іонізуючого опромінення в промисловості та сільському господарстві.
Частина 2. Розрахунок захисту від дії іонізуючого опромінення
Проблемна ситуація. При побудові різноманітних захисних інженерних споруд є необхідність розраховувати товщину відповідних матеріалів, щоб зменшити потужність дози випромінювання.
При уже існуючих інженерних спорудах можливе зворотне рішення завдань. А саме, спеціаліст повинен вміти розрахувати максимальне джерело випромінювання, яке допустимо експлуатувати в створених умовах.
Вплив на людину іонізуючої радіації може бути:
1) зовнішнім;
2) внутрішнім ;
3) комбінованим.
Розрахунок захисту від іонізуючого випромінювання - це складний процес, який вимагає знань механізму впливу радіації, правильного вибору найбільш ефективних захисних матеріалів.
1. н.п. Захист від - опромінення
Захист від a- опромінення найбільш простий (пробіг в повітрі не більше 10 см). Встановлено ряд емпіричних залежностей між пробігом a- частинки (см) в повітрі та енергією цього випромінювання (МеВ).
Для розрахунків в повітрі приймають формулу Гейгера ( :
.
Для іншої речовини з атомною масою А- формула Брега:
,
де Е- енергія МеВ;
р- щільність речовини, г/см .
Роговий шар шкіри (100 мкм), який нечутливий до дії a-частинок повністю поглинає - частинки.
2. н.п. Захист від -опромінювання
Для захисту персоналу від b-опромінювання всі операції з радіонуклідами проводяться за екраном або у захисних шафах. Розрахунок товщини не представляє тяжкої задачі, але необхідно мати на увазі виникнення гальмівного (тормозного) випромінювання, яке може значно збільшити дозу. Для вибору екрану необхідно використати речовину з невеликим атомним номером органічне скло, пластик, алюміній, при невеликих енергіях використовують залізо, мідь.
У розрахунку використовують емпіричні формули:
Максимальний пробіг в алюмінії b- частинок (масовий пробіг):
, .
, .
, .
Лінійний пробіг:
.
.
Для приблизної оцінки лінійного пробігу b-частинок у повітрі використовують формулу:
,см.
ослаблення швидкості потоку відбувається за експоненційним законом.
де - щільність потоку b-частинок, падає на екран, част./см ;
- щільність потоку b- частинок за шаром поглинача, част./см ;
- масовий коефіцієнт ослаблення, см /г;
d- товщина захисту, г/см .
Шар половинного ослаблення .
,г/см .
3. н.п. Захист від -опромінення
Захист від g-опромінення може бути здійснений, відстанню та поглинаючим екраном.
За умов відсутності захисних екранів.
де А- активність джерела, в мкм;
Г- гама-постійна радіонукліду, /(год ).
За гранично допустиму дозу опромінення персоналу (категорія А)прийнята еквівалентна доза 5 бер/рік. Допустима тижнева доза –100 мбер, звідси допустима потужність дози (ДПД), мбер/год:
РДПД = Д/t = 100/t,
де t- кількість годин роботи персоналу на добу, год.
t = 36 год.
При проектуванні захисту приймаємо:
=2,8 мбер/год, якщо час роботи менше 18 год/добу.
=1,4 мбер/год, якщо є постійне перебування протягом робочого дня.
Коефіцієнт якості Q для g-опромінення »1, тому в подальшому 1Р = 1бер.
Допустимий час роботи:
,
ДДД=100 мбер- допустима добова доза.
,
Рвимір – виміряна приборами потужність дози, мР/год.
Приблизний розрахунок за шарами половинного ослаблення.
Кратність ослаблення g-опромінення:
К = Д/ДДД або К = Р/РДРД,
де Д,Р- виміряні (або розрахункові) значення дози або потужності дози;
ДДД, РДПД- допустима доза чи допустима потужність дози.
Товщина захисту:
де n- число шарів половинного ослаблення.
К 2 4 8 16 32 ~64 ~125 ~250 ~500 ~1000
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
4. н.п. Характеристика захисних матеріалів
При виборі захисних матеріалів від радіаційного опромінювання основними факторами є:
- вартість;
- маса;
- об’єм.
Під захисними властивостями розуміють їх уповільнюючу та поглинаючу здатність випромінювання.
Для захисту від g- опромінення використовують матеріали: Pb, Fe, бетон, залізобетон, воду, свинцеве скло, менше використовують U, Bi, тантал та інші важкі метали.
Для уповільнення швидкості нейтронів до теплових: речовини з малим значенням Z (атомним номером): вода, важка вода, бетон, парафін, поліетилен, пластмаси. Для їх поглинання використовують бор і матеріали з добавкою бору.
Вода. Найбільш розповсюджений і доступний матеріал, який використовується для уповільнення швидких нейтронів і як захисний матеріал. Як правило використовують бороновану воду (протони g-опромінення).
Бетон. Добрий уповільнювач і поглинач швидких нейтронів, поглинає g-промені. Містить цемент, пісок, гравій. Використовують в стаціонарних захисних пристроях.
Pb. Найбільш розповсюджений матеріал проти g-опромінення. Використовують для блочних захисних екранів. Недоліки - мала міцність.
Залізо, сталь. матеріал для виготовлення корпусів для реакторів. Сталь більш ефективна, ніж Pb у нейтронному захисті. Недоліки-здатність активуватись з утворенням радіонукліду. Має місце захватне випромінювання для зниження якого використовують добавки бору. Із сталі виготовляють бокси, шафи, інше обладнання для захисту від g-опромінення.
Органічні сполуки. (Парафін, поліетилен, фторопласти) добре уповільнюють швидкі нейтрони.
Практична частина.
Задача 1.
У скільки разів пробіг в повітрі альфа-частинки з енергією 5,15 МеВ буде більше пробігу альфа-частинки з енергією Еа=4,18 МеВ.
см.
см.
рази.
Задача 2.
Визначити пробіг альфа-частинки Pu в біологічній тканині. При розрахунку прийняти атомну масу біологічної тканини А=15,7, а її щільність 1 г/см
Задача 3.
Оцінити пробіг b-частинок ( в повітрі (з=0,00129 г/см ) і біологічній тканині.
см.
.
.
Узагальнення. Розрахунок захисту від a-опромінення, b-опромінення та -опромінення це складний процес, але дуже необхідний для виконання інженерних розрахунків щодо безпеки людей.
Наукові дослідження щодо захисних матеріалів є перспективними, оскільки, людство не готове відказатися від ядерної енергетики та інших видів використання радіонуклідів у виробництві і сільському господарстві.
Література для самоосвіти: 3, 9.
Питання для самоконтролю:
1. У чому полягає захист від a-опромінення? Які аналітичні залежності використовуються при розрахунку?
2. У чому полягає захист від b-опромінення? Які аналітичні залежності використовуються при розрахунку?
3. У чому полягає захист від g-опромінення? Які аналітичні залежності використовуються при розрахунку?
4. Які захисні матеріали використовуються при захисті від g-опромінення? Що є основними характеристиками захисних матеріалів?
5. Що таке шарами половинного ослаблення? Які аналітичні залежності використовуються при розрахунку?