Введение

Великий переворот в жизни человечества, связанный с внедрением ядерной энергии, открыл невиданные ранее возможности в решении многих проблем социального и экономического характера. В наши дни сфера приме-нения радиоактивных веществ и источников ионизирую-щих излучений весьма многогранна. Это -- использова-ние радионуклидов в качестве так называемого мето-да меченых атомов с целью изучения закономерностей протекания процессов в различных сферах, осуществле-ние неразрушающего контроля структуры сплавов, каче-ства изделий, изменение физических и химических свойств различного рода материалов, стерилизация пе-ревязочных материалов и медицинских изделий, иссле-дования функционального состояния различных систем организма, лечение злокачественных новообразований и т. д.

Вместе с тем, являясь мощным средством техниче-ского прогресса, атомная энергия таит в себе огромную потенциальную опасность, которая может оказать вред-ное влияние на организм человека или нарушить нор-мальную жизнедеятельность людей.

Стремительно вошедшая в нашу жизнь атомная энергия и ее массовое использование вызвали необхо-димость установления надежного заслона возможности отрицательного влияния ионизирующего излучения на организм.

Свойства и особенности воздействия ионизирующего излучения на человека во многом определили специфи-ку разработки форм и методов защиты. Это, прежде всего, регламентирование радиационного фактора, раз-работка специального санитарно-гигиенического законо-дательства, системы профилактических мероприятий и подготовки квалифицированных кадров, правового ре-гулирования отношений, связанных с обеспечением ра-диационной безопасности различных групп населения, а также защиты окружающей среды от радиоактивного загрязнения.

Стремительное развитие ядерной энергетики, выпуска различного вида радиационной техники и приборов, резкое расширение производства радиоактивных изотопов еще острее ставят задачу радиационной защиты лиц, работающих в сфере действия радиации, и населения различных регионов страны.

Отечественная и мировая практика строительства в многолетней эксплуатации различного рода предприятий, производящих и эксплуатирующих источники иони-зирующих излучений, радиационной техники, особенно атомной энергетики, свидетельствует о том, что важнейшими задачами науки являются вопросы высокого уров-ня обеспечения безопасности, надежности и эффективно-сти их использования.

Беда, разразившаяся на Чернобыльской АЭС, при-ведшая к гибели людей и потребовавшая проведения в целях охраны здоровья населения эвакуации в безопас-ные районы, трагическая гибель космического корабля «Челенджер», инциденты на ядерном полигоне в Нева де, многочисленные аварии на атомных электростанци-ях США, Англии и других стран, радиационный инцидент в Бразилии еще раз показали, к чему может при вести неконтролируемая ядерная энергия, и подчеркнули значение человеческого фактора в наш технический век.

Как известно, в Республике Казахстан, в бывших республиках СССР уделяется большое внимание законодательному регулированию атомной энергии, безопасному ее применению, что в значительной степени способствует рациональному использованию энергии излучения в мирных целях. Следствием этого принципа является отражение в законодательных и нормативные документах требований по соблюдению безопасности при использовании атомной энергии, охраны жизни здоровья настоящего и будущего поколения, а также окружающей среды.

Ни одна достаточно широко используемая в настоя-щее время технология не может сравниться с радиаци-онной по полноте соблюдения предъявляемых к ней требований и нормативов. Это позволяет практически безгранично расширять диапазон решаемых задач, как обособленно, так и в комплексе с традиционными процессами и средствами (при высокой вероятности обеспечения радиационной безопасности населения).

В нашей стране уделяется большое внимание вопросам радиационной безопасности населения и экологическим аспектам. Это позволяет в условиях широкого использования ядерной энергии в различных отраслях народного хозяйства свести до минимума поступление радиоактивных веществ в окружающую среду. За от-носительно короткий период созданы благоприятные условия труда в сфере действия радиационного факто-ра. Величина радиационного воздействия на лиц, непос-редственно работающих с источниками ионизирующих излучений, не превышает допустимых значений.

Успехам в области радиаци-онной безопасности населения способствовала организа-ция специализированной системы санитарного надзо-ра -- особого звена в системе органов государственного управления, осуществляющих контроль за обеспечением радиационной безопасности. В результате закономер-ного развития атомной промышленности возникла не-обходимость установления в масштабе страны единого специализированного контроля за радиационной без-опасностью персонала и населения.

Ядерная опасность

Ионизирующие излучения являются одним из экологических фак-торов, оказывающих непосредственное влияние на все процессы пре-образования окружающей среды.

Ионизирующие излучения - рентгеновские и тормозные лучи, аль-фа, бега, гамма-излучения, поток протонов, нейтронов, тяжелых час-тиц и другие, которые при взаимодействии с веществами обладают: проникающей способностью, вызывают процесс ионизации и оказы-вают биологическое действие, а также - потемнение фотопленки и све-чение некоторых веществ.

Радиоактивные вещества в огромном количестве образуются в ре-зультате ядерных взрывов. Ионизирующие излучения образуются в результате распада радиоактивных веществ.

Радиоактивные вещества находятся в окружающей среде и в нас. А большое количество радиоактивных веществ образуется в результате ядерных взрывов - воздушных, наземных и подземных, а также в слу-чаях катастроф на ядерных реакторах, атомных электростанциях, дру-гих ситуациях. В результате взрыва образуется радиоактивное облако с последующим следом. Происходит загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами (радиоактивный дождь, радиоактивные осадки). Радиоактивное вещество - из самого понятия исходит, что оно активное. Активность его проявляется в том, что самопроизвольно рас-падается и при этом образуются излучения, новое вещество с выделением энергии. А почему оно распадается? Оно распадается потому, что оно неустойчиво. А неустойчиво потому, что ядро радиоактивно-го вещества перегружено нейтронами, что и делает его неустойчивым.

Ядерное оружие - оружие массового поражения, уничтожения и разрушения, действие которого основано на выделении при ядерном взрыве большого количества энергии в форме ударной волны, свето-вого и ионизирующего излучений, а также образования радиоак-тивных продуктов ядерного взрыва.

Ядерный взрыв - мощный взрыв, вызванный высвобождением ядерной энергии, либо при быстро развившейся цепной реакции де-ления тяжелых ядер, либо при термоядерной реакции синтеза ядер ге-лия на более легкие ядра.

Ядерный реактор: атомный реактор - устройство для осуществле-ния управления ядерной цепной реакцией деления. Первый ядерный реактор пущен в США в 1942 году.

Ядерная энергия: атомная энергия - внутренняя энергия атомов ядер, выделяющаяся при ядерных реакциях. Ядерная энергия основа-на на использовании цепных реакций деления ядер и реакции термо-ядерного синтеза.

Атомная электростанция (АЭС) - отрасль энергетики, использую-щая атомную энергию или ядерную. В Советском Союзе в 1943 году была создана лаборатория атомной энергии им. В. И. Курчатова, в которой в 1946 году был построен атомный реактор. Лаборатория в 1955 г. была переименована в Институт атомной энергии.

Ядерное излучение - первоначально частицы и гамма-кванты, ис-пускаемые при радиоактивном распаде ядер. В дальнейшем потоке частиц и гамма-излучения от ускорителей, заряженных частиц, ядер-ных реакторов и др., а также космическое излучение.

Ядерное топливо служит для получения энергии в ядерном реак-торе. Обычно представляет собой смесь веществ, содержащих как де-лящиеся ядра, так и ядра способные в результате нейтронной бом-бардировки образовывать делящиеся ядра.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Атомная теория строения вещества зародилась еще в древней Греции. Большая заслуга в формулировке научной атомной гипотезы принадлежит В.М.Ломоносову. Он писал, что атом характеризуется определенной массой, обладает химическими свойствами, в молекулах атомы соединяются в определенных количественных отношениях. В 1913 г. датский физик Бор приняв за основу ядерную модель атома, дал подробную картину строения электронной оболочки атома. Он исходил из того, что поглощение и испускание света в атоме происходит отдельными порциями, квантами. Из положений Бора следует, что чем дальше от ядра находится электрон, тем большим запасом энергии он обладает. Атом, несмотря на свои ничтожные размеры 10"¹³ - 10"'² см представляет собой сложное образование. Атом представлен в виде ядра, состоящего из тяжелых элементарных частиц - нуклонов (протонов - имеющих положительный заряд, и нейтронов - не имеющих заряда), вокруг которого вращаются с большой скоростью элементарные частицы-электроны, несущие отрицательный заряд. Протоны и нейтроны в ядре прочно связаны между собой посредством сил ядерного сцепления. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов по Величине равен суммарному заряду протонов. Электроны имеют отрицательный заряд и благодаря этому удерживают вблизи положительно заряженные ядра. Масса электрона ничтожно мала и составляет 1/1240 часть массы нуклона. Приобретение или потеря электрона атомом меняет его химические свойства, он неустойчив и легко вступает в химическую связь с другими атомами и молекулами и называется ионом. Массовое число атома определяется количеством протонов и нейтронов в ядре. Количество протонов для химических элементов является строго определенным и в таблице Менделеева оно указывает на порядковый номер. В ядрах атомов одного вещества количество нейтронов может быть различным и они называются изотопами. В таблице Менделеева они находятся в одной и той же клетке.

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем.

В 1898 г. М.Складовская-Кюри установила, что излучения испус-кают не только соли урана, но и элемент торий и его соединения. Она и ее супруг Пьер Кюри выделили из урановой руды два новых радио-активных элемента, которые были названы полонием и радием.

Естественная радиоактивность - это самопроизвольный распад ра-диоактивного вещества с образованием а- в и у-излучения и нового вещества с выделением энергии.

Активность радиоактивного вещества - мера количества радиоак-тивного вещества, выраженная числом распадов атомных ядер в еди-ницу времени. Единица радиоактивности распад атома в секунду.

Кюри - единица измерения активности, символическое обозначение С. I кюри = 3,7 х 10¹⁰ актов распада в секунду. Производные от кюри единицы активности 1 милликюрн/1 МКюри = 0,001 кюри микрокюри /I мк кюри 0,00001 кюри/.

Беккерель - один распад в одну секунду.

РАДИЙ - в переводе на русский означает ЛУЧИСТЫЙ. Есте-ственные радиоактивные вещества - это элементы, обладающие свой-ством самопроизвольно испускать невидимые лучи. Радий испускает три вида излучений, которые были названы по первым трем буквам греческого алфавита: а-лучи, 0-лучи, у-лучи.

Альфа - излучение это поток частиц с массой, равной 4 и двой-ным положительным зарядом. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и представляет собой ядра элемента гелия. Альфа-частицы возникают при распаде радиоактивных ве-ществ (естественная радиоактивность) или при явлении искусствен-ной радиоактивности - в ядерном реакторе. Они обладают очень маленькой проникающей способностью, составляющую в тканях человека 50 - 70 мкм. но вызывая при этом высокую плотность ионизации 3-4 тыс. пар ионов на единицу пробега. В воздухе одна альфа частица образует 200 тыс. пар ионов. Высо-кая плотность ионизации обуславливает высокую биологическую эффективность. Альфа-частицы, несущие в себе высокую энергию (до 800 Мэв), полученные в атомных реакторах, обладают высокой проникающей способностью.

Бета-излучение - это положительно или отрицательно заряженные частицы. Они образуются при распаде радиоактивных веществ (естественная радиоактивность) или явлении искусственной радиоактивности в ядерном реакторе, а также в линейных или цикли ческих ускорителях (линейный ускоритель, бетатрон). Проникающая способность бета-излучения, образующегося при распаде радиоактивного вещества в ткани равна 8-10 мм. Плотность ионизации от бета-частиц в 100 раз меньше, чем альфа-частиц. Вместе с тем, поток электронов может обладать большой проникающей способностью, образующейся в ускорителях и зависит от энергии, которую они имеют.

Гамма-лучи - электромагнитные колебания по своим свойствам напоминают рентгеновские лучи. Энергия у-лучей, как правило, больше ренттеновых, поэтому проникающая способность значительно больше.

Гамма-излучение - электромагнитное колебание, возникающее при изменении энергетического состояния атомного ядра.

Таблица 4

Свойства излучений

Вид, приро-да излучения	Скорость	Энергия (Е)	Длина пробега воздух - ткани	Плотность ионизации в тканях
Ядра гелия	15-20 тыс. км/сек.	До 9 МЭВ	3-7 см	50-70 мк	3000-4000 пар ионов на 1 м
Поток элект-ронов	87-298 тыс. км/сек	До 3 МЭВ	до 13 м	до 10 мм	50-70 пар ионов на 1 м
Электромаг-нитные ко-лебания	300 тыс. км/сек.	До 3 МЭВ	до 0,6 км	В CM	3000 пар ио-нов на всем пути

Вскоре после открытия радиоактивности было обнаружено существование нескольких десятков элементов с разными атомными весами, каждый из которых имел характерные свойства - радиоактивные.

Число их значительно превышало число клеток в таблице Менделеева, оставшихся свободными. Содди назвал эти разно-видности изотопами, что в переводе с греческого языка озна-чает "занимающий одно и то же место". Изотопы данного эле-мента представляют собой атомы, ядра которых построены из од-ного и того же числа протонов /обладают одинаковыми физи-ческими и химическими свойствами/, но имеют различное число нейтронов. В настоящее время у 102 элементов известно 274 стабильных и около 700 радиоактивных изотопов. В ядрах радиоактивных изотопов имеется несоответствие между числом нейтронов и протонов, в результате чего ядро находится в энергетически неустойчивом состоянии.

Стабилизация радиоактивного ядра происходит самопроизвольно без какого бы то ни было внешнего воздействия и этот процесс назы-вается радиоактивным распадом. Каждому радиоактивному элементу свойственна различная, но для данного элемента совершенно опреде-ленная вероятность распада. Время, в течение которого распадается половина радиоактивного вещества, носит название периода полураспада.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Э.Резерфорд (1919) сообщил, что путем бомбардировки атомов азота частицами добился превращения их в ядра атомов кислорода, т.е. превращения одного химического элемента в другой.

В 1934г. Ирен и Фредерик Жолио Кюри обнаружили, что после бомбардировки альфа-лучами атомных ядер некоторых нерадиоактивных изотопов химических элементов оли начали испускать проникающие лучи, т.е. становятся радиоактивными. Пер-вый генератор нейтронов, так называемый ускоритель тяжелых зараженных частиц циклотрон, был сконструирован 1930-1936 гг. Лоуренсом. В эти же годы Энрико Ферми со своими сотрудни-ками показал возможность вызывать искусственную радиоактив-ность почта всех химических элементов путем воздействия нейтронов. В 1934 г. супруги Жолио Кюри впервые получили влаборатории искусственные радиоактивные изотопы. В 1939 г. Ган и Штрасман в Германии обнаружили деление урана после бомбардировки его нейтронами, а в 1942 г. под руководством Ферми в Чикаго был построен первый атомный реактор. Этот успех расширил возможности получения радиоактивных изотопов.

Искусственная радиоактивность - распад вещества под воздействием энергии извне с образованием потоков электронов, нейтронов, протонов, тяжелых частиц с выделением огромной энергии.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, представляющих собой элементарные частицы не имеющие электрического заряда. В клинически практике находят применение быстрые нейтроны с энергией от 20 кэв до 200 Мэв. Основными источниками нейтронов, используемых с лечебной целью, являются ускорители и атомные реакторы.

Протонное излучение - это поток элементарных частиц, несущий положительный заряд. Преимущество протонного излучения заключается в том что в конце пробега в тканях они образуют максимум ионизации, именуемых пиком Брегга-Грея. При этом доза в пике превосходит таковую в окружающих тканях в 2,5-3,5 раза.

Пи-мезанное излучение - поток элементарных частиц, имеющих промежуточную массу между электроном и протоном. Пи-мезоны могут быть положительно заряженными частицами, отрицательно и нейтральные. Заряд положительных и отрицательных пи-мезонов равен заряду электрона, а масса составляет 273 массы электрона. Как и у протона плотность ионизации у пи-мезонов растет к концу пробега. Однако в отличие от протонов, отрицательные пи-мезоны захватываются ядрами атомов кислорода, углерода, азота, водорода, а затем расщепляются с высвобождением громадного количества энергии, образуя при этом максимум ионизации. При этом соотношение дозы в пике к дозе окружающих тканей достигает 10:1. Основным источником пи-мезонов являются ядерные реакторы.

Тормозное излучение высокой энергии (выше 1 Мэв) является электромагнитным колебанием, ионизирующее излучение, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц с непрерывным спектром.

Генерируется оно в ускорителях /линейный ускоритель или бетатрон/. Основным свойством их является способность проникать в плотные среды и вызывать процессы ионизации. Процесс ионизации лежит в основе биологического действия, относительная биологическая эффективность определяется плотностью ионизации в тканях.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

После открытия нейтрона в 1932 г., а затем искусствен-ной радиоактивности в 1934 г. ученые увлеклись «совре-менной алхимией», т. е. созданием новых радиоактивных элементов под воздействием нейтронов.

Молодой еще в то время Ферми, стремясь получить новый неизвестный миру 93-й элемент, попытался облу-чить нейтронами уран--92-й элемент таблицы Менде-леева. Однако в результате захвата нейтронов ядрами урана образовался не один искусственно радиоактивный элемент, а по крайней мере целый десяток.

Природа задала человеку новую задачу. Можно считать, что с этого момента начался новый этап в развитии ядер-ной физики -- возможность использования энергии, таив-шейся в недрах атома, стала реальностью.

Объяснение новому явлению дали Фредерик Жолио-Кюри и Лизе Мейтнер. Они показали, что в процессе облу-чения урана нейтронами происходит новый тип ядерной реакции -- деление ядра урана на две примерно равные части (осколки). Энергия, выделяемая при этой реакции, составляет около 200 Мэв, т. е. в десятки раз больше, чем при обычных известных в то время ядерных реакциях.

Теория деления урана была разработана одновременно и независимо друг от друга советским ученым Френкелем и датским ученым Бором.

Особенность реакции деления урана состоит в том, что при каждом акте деления, помимо двух осколков, образу-ются два-три нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер. При каждом из этих процессов освобождаются новые нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление последующих ядер (рис). Таким образом один нейтрон может положить начало целой цепочке делений, при этом количество ядер, подвергшихся делению, лавинообразно нарастает, т. е. реакция деления урана развивается как цепная реакция. Например, доли секунды достаточно для того, чтобы разделились все ядра, содержащиеся в 1 кг урана (примерно 3 * 10²⁴ ядер). Энергия, выделяющаяся при этом, равна энергии, освобождаемой при взрыве 20 000 т тротила или при сжигании 2,5 тыс. т каменного угля.

При делении ядер урана примерно 83% энергии преоб-разуется в кинетическую энергию осколков; 3% связано с энергией -квантов, которые образуются мгновенно при делении, и 3% уносится образующимися при делении нейт-ронами. Остальные 11% энергии выделяются постепенно в виде энергии (-частиц и -квантов в процессе радиоактив-ного распада ядер изотопов (осколков), образующихся при делении.

Рис. Цепная реакция деления урана.

На пути практического использования цепной реакции деления урана важное значение имело открытие советских физиков Г. Н. Флёрова и К- А. Петржака, которые в 1940 г. показали, что существует новый вид радиоактивности -- самопроизвольное (спонтанное) деление ядер изотопа U²³⁵ с периодом полураспада Т-- ~10¹⁷ лет. Таким образом для использования цепной реакции деления не нужны сто-ронние нейтроны: они образуются в уране вследствие спон-танного деления.

Цепная реакция деления может осуществляться под действием как быстрых, так и медленных нейтронов только при бомбардировке ядер изотопа U²³⁵. Природный уран представляет собой в основном смесь изотопов U²³⁸ и U²³⁸, причем содержание U²³⁵ составляет всего 0,7%. Ос-тальное -- это изотоп U²³⁸. Поэтому для осуществления на практике цепной реакции необходимо разделить эти изото-пы, что является задачей хотя и разрешимой, но весьма сложной. Это связано с тем, что U²³⁸ может делиться толь-ко под действием нейтронов с энергией большей, чем энер-гия нейтронов, образующихся при делении U²³⁵. Таким образом, нейтроны, образующие при делении U²³⁶ с энергией порядка 1 Мэв, в основном рассеиваются ядрами U²³⁸, кото-рых значительно больше; энергия нейтронов постепенно убы-вает до тех пор, пока они не достигнут энергий, соответст-вующих так называемой резонансной области (примерно 1-- 10 эв). В этой области энергий резко возрастает вероятность захвата нейтронов ядрами U²³⁸ по сравнению с U²³⁵. Начавшаяся в природном уране цепная реакция деления быстро затухает, поскольку нейтроны в основном захваты-ваются ядрами U²³⁸, не успев вызвать дальнейшего деле-ния ядер U²³⁵. ,

При захвате нейтронов ядрами U²³⁸ образуется изотоп U²³⁹, который в процессе -распада превращается в новый 93-й элемент Np²³⁹. Период полураспада U²³⁹ равен 23 мин.

Изотоп Np²³⁹ также является неустойчивым; в процессе -распада (Т = 2, 3 дня) он превращается в элемент с атом-ным номером 94, названный плутонием:

Плутоний также радиоактивен: в процессе -распада он превращается в изотоп U ²³⁵₉₂. Период полураспада плу-тония равен 24 000 лет.

Плутоний интересен в том отношении, что в нем под действием нейтронов, так же как и в U²³⁵, может происхо-дить цепная реакция деления. Таким образом, плутоний, наряду с U²³⁵, является ядерным горючим, которое слу-жит для получения атомной энергии.

Ядра урана или плутония, захватив нейтроны, могут разделиться различными способами (до 30--40). Массовые числа образующихся продуктов деления имеют значения от 72 до 158. Например, при делении образуются изотопы стронция, бария, лантана, цезия, иода, циркония, ниобия, аргона, ксенона и других элементов. Наиболее вероятно деление ядра на осколки с массовыми числами 95 и 139.

Большинство образующихся продуктов деления явля-ются нестабильными и в результате одного, а иногда и трех последовательных р -распадов превращаются в стабиль-ный изотоп. У некоторых продуктов деления этот распад сопровождается -излучением. Периоды полураспада раз-личных продуктов деления изменяются в очень широких пределах: от долей секунды до многих тысяч лет.

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

В учреждениях, где проводятся работы с радиоактивными вещест-вами или источниками ионизирующих излучений, должен осуществлять-ся радиационный дозиметрический контроль. В зависимости от объема и характера работ контроль проводится либо штатной службой радиа-ционной безопасности (в каждой смене), либо специально выделенным лицом.

Радиационный контроль должен быть организован так, чтобы в по-мещениях, где ведутся работы на стационарных установках с источниками с керма-эквивалентом более 2000 нГр*м/с (1 г-экв. Ra) на ускорителях заряженных частиц, с нейтронными источниками с выходом более 10⁹ нейтр./с, с делящимися материалами, а также на ядерных реакторах и критических сборках, были установлены дозиметрические приборы с автоматическими звуковыми и световыми сигнализирующими устройствами. При необходимости предусматривается сигнализация трех уровней: нормального, предварительного, аварийного.

При проведении оперативного дозиметрического контроля, согласно НРБ--76/87, следует руководствоваться допустимыми и контрольными уровнями. Объем контроля устанавливается в зависимости от до-зы -, -, n- и других излучений; содержанием газов и аэрозолей в воз-духе и радионуклидов в твердых и жидких отходах; выбросом радио-нуклидов в атмосферу; уровнем загрязнения радионуклидами поверхностей, кожных покровов и одежды, объектов внешней среды, транс-портных средств; индивидуальной дозой внешнего и внутреннего облу-чения. Результаты всех видов радиационного контроля должны храниться в течение 50 лет.

Персонал, работающий с делящимися веществами, на ядерных реакторах и критических сборках, а также в условиях непредвиденного аварийного облучения, должен быть обеспечен индивидуальными аварийными дозиметрами.

Персонал, для которого условия труда таковы, что доза не может превышать 1/3 ППД, не обязательно обеспечивать индивидуальными дозиметрами, позволяющими контролировать квартальную, годовую и дневную дозы внешнего облучения. Для этой группы осуществляется контроль мощности дозы внешнего излучения и объемной активности радионуклидов в воздухе рабочей зоны. Оценка облучения проводится по этим данным.

САНИТАРНЫЕ ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АТОМНЫХ СТАНЦИИ, ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ И КРИТИЧЕСКИХ СТЕНДОВ (СБОРОК)

Санитарные правила разработаны в развитие и дополнение к нор-мам радиационной безопасности и отражают специфику обеспечения радиационной безопасности соответствующих объектов и установок.

При проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию указан-ных объектов и установок следует руководствоваться также санитарны-ми нормами проектирования промышленных предприятий (СН 245--71).

ПРАВИЛА ДЛЯ АС (СП АС-88), ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ (СП ИР-89) И КРИТИЧЕСКИХ СТЕНДОВ (СП КС-88)

Санитарные правила для АС (СП АС-88) и исследовательских ядерных реакторов содержат несколько разделов: общие положения, основные требования к техническим средствам и организационным ме-роприятиям обеспечения радиационной безопасности, защите персонала, населения и охране окружающей среды; требования к выбору площадки размещения реакторов на местности и генеральному плану; радиацион-ному контролю, планировке и отделке производственных помещений; требования к организации работ, организации технологического процесса и к оборудованию, отдельным операциям при эксплуатации и выпол-нении ремонтных работ; требования к предупреждению радиационных аварий и проведению работ по ликвидации их последствий; требования в общеобменной и технологической вентиляции, очистке и удалению га-зообразных и жидких отходов, системам водоснабжения и канализации; требования к санитарно-бытовым помещениям, мерам индивидуальной защиты, правилам личной гигиены и организации медицинского обслу-живания; требования к персоналу и мерам повышения степени надеж-ности оперативного персонала, участвующего в эксплуатации; мероприя-тия по снятию реактора с эксплуатации; требования по транспортиро-ванию отработавшего ядерного топлива. Эти правила не распространя-ются на транспортные ядерные энергетические установки и реакторные установки специального назначения.

«Санитарные требования к проектированию и эксплуатации систем централизованного теплоснабжения от атомных станций» (СТ ТАС-84) являются дополнением к СП АС-88. В них изложены требования, кото-рые обусловлены спецификой атомного источника тепла к системе теп-лоснабжения: к системам централизованного теплоснабжения, присо-единяемым к системе отпуска тепла от АС; к системам безопасности отпуска тепла от АС; к оборудованию системы отпуска тепла от АС; к организации и объему радиационного и санитарного контроля.

Критический стенд--комплекс, включающий ядерную критическую сборку и оборудование, необходимое для проведения экспериментов, управления критсборкой и радиационной безопасности и позволяющий осуществлять управляемую реакцию деления ядер в заданных усло-виях.

В санитарных правилах СП КС--88 отражены дополнительные спе-цифические требования для критстендов. Они должны размещаться в специальном здании вне или внутри городской застройки. Каждая критсборка--в изолированном помещении (бокс, каньон), обеспечива-ющем локализацию и выдержку радиоактивных газов и аэрозолей в случае аварии с максимальными радиационными последствиями.

Ядерный реактор, как и критическая сборка, представляет собой устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция де-ления тяжелых ядер (уран, плутоний, торий).

Процесс деления ядерного топлива в реакторе сопровождается ис-пусканием нейтронного излучения с образованием радиоактивных продуктов деления, а также радионуклидов активации нейтронами.

Реакторы классифицируются по типу активной зоны (гетерогенные, гомогенные), по режиму работы (стационарный, импульсный), по энер-гии нейтронов, используемых для деления топлива (реактор на тепло-вых, быстрых или промежуточных нейтронах), по виду замедлителя и теплоносителя (графитовые, тяжеловодные, водо-водяные, жидкометаллические, газовые, органические и др.), по режиму теплосъема (во-да под давлением или кипящая вода).

Основными видами радиационного воздействия на персонал в ус-ловиях нормальной работы и остановки реактора являются внешние -, - и нейтронные излучения (в основном -излучение) и внутреннее облучение в результате поступления радиоактивных аэрозолей (глав-ным образом в период ремонтных работ). Как правило, на остановлен-ном реакторе нейтронное излучение отсутствует, за исключением реак-торов, имеющих в активной зоне бериллиевый отражатель [образуются быстрые фотонейтроны по реакции (, n)].

Характерной особенностью энергетических реакторов для АЭС яв-ляется напряженный тепловой и гидравлический режим активной зоны, что может постепенно приводить к разгерметизации металлических оболочек небольшой доли твэлов, в которых заключено ядерное топли-во, и к выходу части продуктов деления в теплоноситель из ставших негерметичными твэлов Газообразные и летучие продукты деления (криптон, ксенон, иод, цезий и др.) вследствие небольших неорганизо-ванных протечек этого теплоносителя из контура теплосъема попадают в технологические помещения реактора, а затем удаляются в атмосфе-ру. Для АЭС вероятно незначительное загрязнение продуктами деления помещений и оборудования, а также окружающей среды.

Исследовательские реакторы, как правило, оборудованы экспери-ментальными каналами, проходящими через активную зону, для облу-чения в них различных образцов. Они имеют горизонтальные или вертикальные пучки выведенных нейтронов, содержат экспериментальные радиоактивные петли, в которых могут производиться испытания отдельных твэлов, или радиационные контуры для активации . теплоносителя с последующим использованием его в качестве высокоактивного облучателя и т. д. На исследовательских реакторах внешнее облучение более вероятно, нежели внутреннее.

Безопасность АЭС и исследовательских реакторов обеспечивается за счет применения системы барьеров на пути распространения ионизирующих излучений и радиационных веществ за эти барьеры в обслуживаемые помещения и в окружающую среду и системы технических организационных мер по защите барьеров и сохранению их эффективности для защиты персонала и населения.

Система барьеров включает топливную матрицу, оболочки твэлов, границу контура теплоносителя, охлаждающего активную зону, герме-тичные помещения и локализующие системы безопасности для улавливания и удержания радиоактивных веществ (фильтры, барботеры, спринклерные установки и т п.).

В систему технических и организационных мер обеспечения безопас-ности АЭС и исследовательских реакторов включается:

выбор площадки для размещения;

установление санитарно-защитной зоны вокруг реакторной установ-ки с учетом требований НРБ--76/87, ОСП--72/87, СПАС--88;

разработку качественного проекта на основе консервативного под-хода с развитым свойством самозащищенности реакторной установки и применением систем безопасности;

обеспечение требуемого качества элементов всех технологических систем и выполняемых работ;

эксплуатация в соответствии с нормативно-технической документа-цией по обоснованному технологическому регламенту и эксплуатацион-ным инструкциям;

поддержание в исправном состоянии важных для безопасности си-стем путем проведения профилактических мер и замены выработавшего ресурс оборудования;

своевременное диагностирование дефектов и обнаружение отклоне-ний от нормальной работы и принятие мер по их устранению;

предотвращение с помощью автоматизированных и/или автомати-ческих технических средств перерастания исходных событий в проектные аварии, а проектных аварий в запроектные и гипотетические аварии;

ослабление последствий аварий, которые не удалось предотвратить, д путем локализации выделяющихся радиоактивных веществ;

подготовка и четкое осуществление при необходимости планов аварийных мероприятий на площадке и за ее пределами; подбор и необходимый уровень подготовки эксплуатационного пер-сонала для действия в нормальных и аварийных условиях, формирова-ние культуры безопасности.

При нормальной эксплуатации все барьеры и средства их защиты должны находиться в работоспособном состоянии. При повреждении любого из барьеров или средств его защиты выше установленных пре-делов, согласно условиям безопасной эксплуатации, реактор должен быть остановлен.

Радиационное воздействие на персонал ядерных критических стен-дов невелико при соблюдении санитарных правил проектирования и эксплуатации критических стендов (СП КС--88) и положения по ядерной безопасности (ПБЯ 02--90). Однако оно существенно возрас-тает при активационных измерениях и особенно при авариях -- само-произвольных цепных реакциях (СЦР).

Критическая сборка отличается от реактора низкой мощностью (не более 100 Вт), достаточной лишь для уверенной работы системы управ-ления и защиты при проведении физических экспериментов, а также гибкостью конструкции, позволяющей легко менять, как правило, ди-станционно, но иногда вручную геометрию и состав активной зоны, уровень замедлителя и отражателя. В остальном критическая сборка -- полномасштабный прототип ядерного реактора (по размеру и составу активной зоны), но не имеющий фундаментальной биологической за-щиты и системы принудительного охлаждения активной зоны.

Поскольку часть операций по перестройке активной зоны проводят вблизи критической сборки, часто без достаточного уровня водной за-шиты (вода является и замедлителем), на критических сборках веро-ятно внезапное аварийное облучение персонала, если в момент пере-стройки произойдет СЦР

ВИДЫ РАДИАЦИИ

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Боль-шинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозмож-но. На протяжении всей истории сущест-вования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способа-ми. Радиоактивные вещества могут на-ходиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внеш-нем облучении. Или же они могут ока-заться в воздухе, которым дышит чело-век, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения на-зывают внутренним.

Облучению от естественных источни-ков радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особен-но радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - соответственно ниже. Доза об-лучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строитель-ных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровен, герметизация помещений и даже полеты на самолетах - все это увеличивает уровень облучения за счет естест-венных источников радиации.

Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облуче-ния, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более ⁵/₆ годовой эффек-тивной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным обра-зом путем внешнего облучения. За последние несколько десятилетий человек создал несколько сотен искусст-венных радионуклидов и научился ис-пользовать энергию атома в самых разных целях: в медицине и для создания атомного оружия, для производства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов и поиска полезных ископаемых. Все это приводит к увеличению дозы облуче-ния как отдельных людей, так и населения Земли в целом.

Индивидуальные дозы, получаемые разными людьми от искусственных источ-ников радиации, сильно различаются. В большинстве случаев эти дозы весьма невелики, но иногда облучение за счет техногенных источников оказывается во много тысяч раз интенсивнее, чем за счет естественных.

Как правило, для техногенных источ-ников радиации упомянутая вариабель-ность выражена гораздо сильнее, чем для естественных. Кроме того, порождаемое ими излучение обычно легче контролиро-вать, хотя облучение, связанное с радио-активными осадками от ядерных взрывов, почти так же невозможно контролиро-вать, как и облучение, обусловленное космическими лучами или земными ис-точниками.

Источники, использующиеся в медицине

В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицин-ские процедуры и методы лечения, связан-ные с применением радиоактивности. Во многих странах этот источник ответствен практически за всю дозу, получаемую от техногенных источников радиации.

Радиация используется в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. Одним из самых распространен-ных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Получают все более широкое распространение и новые сложные диагностические методы, опира-ющиеся на использование радиоизотопов.

Ядерные взрывы

За последние 40 лет каждый из нас подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в резуль-тате ядерных взрывов. Речь идет не о тех радиоактивных осадках, которые выпали после бомбардировки Хиросимы и На-гасаки в 1945 году, а об осадках, связан-ных с испытанием ядерного оружия в атмосфере.

Максимум этих испытаний приходится на два периода: первый на 1954-1958 годы, когда взрывы проводили Велико-британия, США и СССР, и второй, более значительный, на 1961-1962 годы, когда их проводили в основном Соединенные Штаты и Советский Союз. Во время первого периода большую часть испыта-ний провели США, во время второго-СССР.

Эти страны в 1963 году подписали Договор об ограничении испытаний ядер-ного оружия, обязывающий не испыты-вать его в атмосфере, под водой и в космосе. С тех пор лишь Франция и Китай провели серию ядерных взрывов в атмосфере, причем мощность взрывов была существенно меньше, а сами ис-пытания проводились реже (последнее из них в 1980 году). Подземные испытания проводятся до сих пор, но они обычно не сопровождаются образованием радиоак-тивных осадков.

Часть радиоактивного материала вы-падает неподалеку от места испытания, какая-то часть задерживается в тропо-сфере (самом нижнем слое атмосферы), подхватывается ветром и перемещается на большие расстояния, оставаясь при-мерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе в среднем около месяца (рис. 4.8), радиоактивные вещества во время этих перемещений постепенно выпадают на землю. Однако большая часть радиоактивного материала выбра-сывается в стратосферу (следующий слой атмосферы, лежащий на высоте 10-50 км), где он остается многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.

Радиоактивные осадки содержат не-сколько сотен различных радионуклидов, однако большинство из них имеет ни-чтожную концентрацию или быстро рас-падается; основной вклад в облучение человека дает лишь небольшое число радионуклидов. Вклад в ожидаемую коллективную эффективную эквивалент-ную дозу облучения населения от ядерных взрывов, превышающий 1 %, дают только четыре радионуклида. Это углерод-14, цезий-137, цирконий-95 и стронций-90.

Дозы облучения за счет этих и других радионуклидов различаются в разные периоды времени после взрыва, поскольку они распадаются с различной скоростью. Так, цирконий-95, период полураспада которого составляет 64 суток, уже не является источником облучения. Цезий-137 и стронций-90 имеют периоды полу-распада ~ 30 лет, поэтому они будут давать вклад в облучение приблизительно до конца этого века. И только углерод-14, у которого период полураспада равен 5730 годам, будет оставаться источником радиоактивного излучения (хотя и с низкой мощностью дозы) даже в отдален-ном будущем: в 2000 году он потеряет лишь 7% своей активности.

Годовые дозы облучения четко корре-лируют с испытаниями ядерного оружия в атмосфере: их максимум приходится на те же периоды (рис. 4.9, 4.10 и 4.11). В 1963 году коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составила около 7% дозы облучения от естественных источников; в 1966 году она уменьшилась до 2%, а в начале 80-х-до 1 %. Если испытания в атмосфере больше проводиться не будут, то годовые дозы облучения будут становиться все меньше и меньше.

Все приведенные цифры, конечно, являются средними. На Северное полуша-рие, где проводилось большинство ис-пытаний, выпала и большая часть радио-активных осадков. Пастухи на Крайнем Севере получают дозы облучения от цезия-137, в 100-1000 раз превышающие среднюю индивидуальную дозу для ос-тальной части населения (впрочем, они получают большие дозы и от естественных источников - цезий накапливается в ягеле и по цепи питания попадает в организм человека). К несчастью, те люди, которые находились недалеко от испытательных полигонов, получили в результате значи-тельные дозы; речь идет о части населения Маршалловых островов и команде япон-ского рыболовного судна, случайно проходившего неподалеку от места взрыва.

Суммарная ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза от всех ядерных взрывов в атмосфере, произве-денных к настоящему времени, составляет 30000000 чел-Зв. К 1980 году человечест-во получило лишь 12% этой дозы,

остальную часть оно будет получать еще миллионы лет.

Атомная энергетика

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции, хотя в настоящее время они вносят весьма незначительный вклад в суммарное об-лучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы ра-диоактивных материалов в окружающую среду очень невелики.

К концу 1984 года в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, выра-батывающих электроэнергию. Их мощ-ность составляла 13% суммарной мощ-ности всех источников электроэнергии и была равна 220 ГВт (рис. 4.12). До сих пор каждые ~ 5 лет эта мощность удваива-лась, однако, сохранится ли такой темп роста в будущем, неясно. Оценки пред-полагаемой суммарной мощности атом-ных электростанций на конец века имеют постоянную тенденцию к снижению. Причины тому - экономический спад, реализация мер по экономии электро-энергии, а также противодействие со стороны общественности. Согласно по-следней оценке МАГАТЭ (1983г.), в 2000 году мощность атомных электростанций будет составлять 720-950 ГВт.

Атомные электростанции являются лишь частью ядерного топливного цикла, который начинается с добычи и обогаще-ния урановой руды. Следующий этап-производство ядерного топлива. Отрабо-танное в АЭС ядерное топливо иногда подвергают вторичной обработке, чтобы извлечь из него уран и плутоний. Заканчи-вается цикл, как правило, захоронением радиоактивных отходов.

На каждой стадии ядерного топлив-ного цикла в окружающую среду по-падают радиоактивные вещества. НКДАР оценил дозы, которые получает население на различных стадиях цикла за короткие промежутки времени и за многие сотни лет. Заметим, что проведение таких оценок очень сложное и трудоемкое мы по атомной энергетике. Однако полученные оценки, конечно же, нельзя безоговорочно применять к какой-либо конкретной установке. Ими следует поль-зоваться крайне осторожно, поскольку они зависят от многих специально огово-ренных в докладе НКДАР допущений.

Примерно половина всей урановой руды добывается открытым способом, а половина - шахтным. Добытую руду ве-зут на обогатительную фабрику, обычно расположенную неподалеку. И рудники, и обогатительные фабрики служат источ-ником загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Если рас-сматривать лишь непродолжительные периоды времени, то можно считать, что почти все загрязнение связано с местами добычи урановой руды. Обогатительные же фабрики создают проблему долговременного загрязнения: в процессе пере-работки руды образуется огромное коли-чество отходов--«хвостов». Вблизи дейст-вующих обогатительных фабрик (в основ-ном в Северной Америке) уже скопилось 120 млн. т отходов, и если положение не изменится, к концу века эта величина возрастет до 500 млн. т.

Эти отходы будут оставаться радио-активными в течение миллионов лет, когда фабрика давно перестанет сущест-вовать. Таким образом, отходы являются главным долгоживущим источником об-лучения населения, связанным с атомной энергетикой. Однако их вклад в облучение можно значительно уменьшить, если отвалы заасфальтировать или покрыть их поливинилхлоридом. Конечно, покрытия необходимо будет регулярно менять.

Урановый концентрат, поступающий с обогатительной фабрики, подвергается дальнейшей переработке и очистке и на специальных заводах превращается в ядерное топливо. В результате такой переработки образуются газообразные и жидкие радиоактивные отходы, однако дозы облучения от них намного меньше, чем на других стадиях ядерного топлив-ного цикла.

Теперь ядерное топливо готово к использованию в ядерном реакторе. Су-ществует пять основных типов энергети-ческих реакторов: водо-водяные реакторы с водой под давлением (Pressurised Water Reactor, PWR), водо-водяные кипящие реакторы (Boiling Water Reactor, BWR), разработанные в США и наиболее распро-страненные в настоящее время; реакторы с газовым охлаждением, разработанные и применяющиеся в Великобритании и Франции; реакторы с тяжелой водой, широко распространенные в Канаде; водо-графитовые канальные реакторы, которые эксплуатируются только в СССР. Кроме реакторов этих пяти типов в Европе и СССР имеются также четыре реактора-размножителя на быстрых ней-тронах, которые представляют собой ядерные реакторы следующего поколе-ния.

Величина радиоактивных выбросов у разных реакторов колеблется в широких пределах: не только от одного типа реактора к другому и не только для разных конструкций реактора одного и того же типа, но также и для двух разных реакторов одной конструкции. Выбросы могут существенно различаться даже для одного и того же реактора в разные годы, потому что различаются объемы текущих ремонтных работ, во время которых и происходит большая часть выбросов.

В последнее время наблюдается тен-денция к уменьшению количества выбро-сов из ядерных реакторов, несмотря на увеличение мощности АЭС. Частично это связано с техническими усовершенствова-ниями, частично - с введением более стро-гих мер по радиационной защите.

В мировом масштабе примерно 10% использованного на АЭС ядерного топ-лива направляется на переработку для извлечения урана и плутония с целью повторного их использования. Сейчас имеются лишь три завода, где занимают-ся такой переработкой в промышленном масштабе: в Маркуле и Ла-Аге (Франция) и в Уиндскейле (Великобритания). Самым «чистым» является завод в Маркуле, на котором осуществляется особенно стро-гий контроль, поскольку его стоки по-падают в реку Рону. Отходы двух других заводов попадают в море, причем завод в Уиндскейле является гораздо большим источником загрязнения, хотя основная часть радиоактивных материалов попада-ет в окружающую среду не при переработ-ке, а в результате коррозии емкостей, в которых ядерное топливо хранится до переработки.

За период с 1975 по 1979 год на каждый гигаватт-год выработанной энер-гии уровень загрязнений от завода в Уиндскейле по -активности примерно в 3,5 раза, а по -активности в 75 раз превышал уровень загрязнений от завода в Ла-Аге.

С тех пор ситуация на заводе в Уиндскейле значительно улучшилась, однако в пересчете на единицу пере-работанного ядерного горючего это пред-приятие по-прежнему остается более «грязным», чем завод в Ла-Аге. Можно надеяться, что в будущем утечки на перерабатывающих предприятиях будут ниже, чем сейчас. Существуют проекты установок с очень низким уровнем утечки в воду, и НКДАР взял в качестве модельной установку, строительство ко-торой планируется в Уиндскейле.

Проблемы, связанные с последней стадией ядерного топливного цикла - захороне-нием высокоактивных отходов АЭС. Эти проблемы находятся в ведении прави-тельств соответствующих стран. В неко-торых странах ведутся исследования по отверждению отходов с целью последую-щего их захоронения в геологически стабильных районах на суше, на дне океана или в расположенных под ними пластах. Предполагается, что захоронен-ные таким образом радиоактивные отхо-ды не будут источником облучения насе-ления в обозримом будущем. НКДАР не оценивал ожидаемых доз облучения от таких отходов, однако в материалах по программе «Международная оценка ядер-ного топливного цикла» за 1979 год сделана попытка предсказать судьбу радиоактивных материалов, захоронен-ных под землей. Оценки показали, что заметное количество радиоактивных ве-ществ достигнет биосферы лишь спустя 10⁵-10⁶ лет.