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

2 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...

3 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. NоNо N

4 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.

5 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 Теоретический поиск Экспериментальные исследования Формулировка задачи Работа Института ядерных исследований по созданию средств индивидуальной защиты от радиационных поражений

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

7 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.

8 Обработка данных японо- американского фонда Хиросима Превышение частот развития опухолей, % Толщина биоткани над поражённым органом, г/см 2 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.

9 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 Энергия фотонов, кэВ Эффективная энергия мягкого компонента (120 кэВ) Эффективная энергия жёсткого компонента (770 кэВ) Дозы при выпадении радиоактивных осадков Дозы при разрушении активной зоны реактора Интенсивность излучения Интенсивность, доза, отн. ед.

10 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 N о Ослабленный поток N d

11 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 Жёсткийкомпонент, ограничивается защитой временем Мягкийкомпонент,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

12 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.

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

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

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

16 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 и верхняя часть комбинезона

17 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 (k 122 ). Разработанный способ контроля отличается безопасностью за счёт использования источников, имеющих активность менее 100кБк. NФNФNФNФ NoNoNoNoN Изотоп кобальт-57 k 122 = N о /N – в общем видеДетекторгамма-излучения Исходный поток Ослабленный поток k 122 = (N о –N ф )/(N–N ф ) – формула для практического применения В данных условиях необходимо учитывать воздействие на детектор гамма-квантов фона. В формулу для вычисления коэффициента ослабления введён дополнительный параметр –N ф. Образцовый спектрометрический гамма-источник (ОСГИ)

18 Номер канала Число гамма-квантов Зона интереса (ΔЕ) 122 кэВ NФNФNФNФ Измерения с помощью гамма-спектрометра NoNoNoNo Блок ядерной электроники Компьютер Сцинтилляционный блок детектирования NОСГИ(кобальт-57)(кобальт-57)Гамма-спектрометр 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.

19 Объекты контроля Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 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.

20 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 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

21 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, N ф 2. Источник, N о 3. Объект по точкам Точка 1, N 1 Вычисление параметров материала Вычисление средних арифметических значений параметров излучения Точка 2, N 2 Точка 3, N 3... Точка n, N n Точка 1 Точка 2 Точка Точка n Протокол

22 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...

23 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. 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.

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