Автоматизация ядерно-физических измерений при производстве специальной радиационно-защитной одежды для пожарных на АЭС

Данная работа пополняет список тех исследований, которые направлены на минимизацию риска для жизни и здоровья персонала, занятого ликвидацией последствий аварии на ядерных объектах.

Диссертация посвящена разработке способа контроля радиационно-защитных свойств (РЗС) свинецсодержащих композиционных материалов (КМ), основанного на неразрушающем радиационном методе. Отличительная особенность данного способа контроля состоит в его безопасности, поскольку для просвечивания объекта контроля применяются гамма-источники, имеющие активность, соизмеримую с активностью естественного фона. Безопасность в сочетании с высокой точностью измерений, проводимых в автоматическом режиме с помощью гамма-спектрометра, стала решающим фактором для внедрения данной разработки на швейном производстве и выпуску новых средств индивидуальной защиты (СИЗ) — специальной защитной одежды пожарных, охраняющих АЭС. * *.

Аварии на АЭС в Виндскейле (1957), Тримайл Айленде (1979), Чернобыле (1986), а также на подводных лодках и ситуация на Кыштыме (1957) показали, что эксплуатация ядерных объектов не исключает риска аварий, связанных с разрушением основной, стационарной, защиты.

Проблема безопасности во всей полноте проявилась во время аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) в 1986 г. Применяемые в то время СИЗ предохраняют органы дыхания, пищеварения и кожу от попадания радиоактивных и химических веществ и предназначены для ведения регламентных работ в условиях нормированного облучения. В аварийных условиях они в значительной мере потеряли свою эффективность. Многие спасатели, прежде всего пожарные, подверглись неконтролируемому облучению.

Анализ данных медицинской статистики, в том числе по лечению моряков атомной подводной лодки К-19 (1961), пожарных ЧАЭС, свидетельствуют о том, что острая лучевая болезнь протекает намного легче, если дополнить существующие СИЗ одеждой из материала, в состав которого включены добавки из тяжёлых металлов [1], [2], [3]. Расчёты и испытания показали, что одежда изолирующего типа с экранирующим эффектом защищает от бета-лучей, а как средство, дополняющее фактор времени, защищает также и от высоко поглощаемого компонента гамма-излучения (энергии до 200 кэВ). При общей поверхностной плотности материала 1 г/см2, по содержанию свинца — 0,5 г/см2 вес СИЗ составит около 20 кг. Такая одежда в условиях радиоактивного заражения типа чернобыльского предотвращает лучевой ожог и снижает дозу проникающего облучения примерно в два раза, а степень поражения снижает на единицу. При аварийном неконтролируемом повышенном облучении она может оказаться единственным средством спасения жизни людей. Новая концепция защиты от излучений, характерных для ядерной аварии, была реализована при создании специальной защитной одежды типа СЗО-1.

Актуальность темы

.

Спецодежда имеет радиационно-защитные свойства (РЗС), т. е. качество, которое представляет новизну для швейного производства. Серийный выпуск СЗО-1 был невозможен без осуществления непосредственно на швейном производстве контроля РЗС исходных материалов и готовой продукции. Необходимость создания такого контроля и определяет актуальность данной работы.

Цель работы: создать и внедрить автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для осуществления входного, промежуточного и выходного контроля радиационно-защитных свойств КМ и изделий в условиях малосерийного производства специальной защитной одежды пожарных СЗО-1 (ТУ 1709−14−353−91), основанного на неразрушающем радиационном методе. При этом.

1) контроль должен быть безопасным для оператора и производственной среды,.

2) измерительная аппаратураотечественного серийного производства для обеспечения выпуска сертифицированной продукции, 3) управление — адаптировано к эксплуатации персоналом, не имеющим специального образования.

Для достижения поставленной цели было необходимо:

1) установить параметр для оценки радиационно-защитных свойств КМ;

2) разработать методику безопасных измерений с использованием гамма-излучения;

3) создать технические средства измерения (аппаратную часть, программное обеспечение, эксплуатационно-техническую документацию);

4) определить источники погрешностей и меры по их нейтрализации;

5) разработать алгоритм автоматизированных измерений РЗС.

В ходе разработки применялись следующие методы исследования:

1)анализ: радиационного метода контроля качества продукции, методов автоматизации физического эксперимента, опыта использования вычислительной техники в физическом эксперименте;

2) синтез ИВК с учётом критерия: «точность измерениябезопасность-простота обслуживания» ;

3) эксперимент для проверки взаимодействия элементов ИВК при эксплуатации в производственных условиях персоналом, не имеющим специального образования.

В производстве КМ и защитной одежды данная разработка не имеет аналогов. Её новизну составляют пять факторов:

1. Впервые в систему испытаний на швейном производстве внедрён неразрушающий радиационный метод контроля радиационно-защитных свойств новых свинецсодержащих композиционных материалов и изготавливаемой из них спецодежды пожарных, охраняющих АЭС.

2. Установлен параметр для оценки радиационно-защитных свойств данных материалов и изделий. Таким параметром служит коэффициент ослабления потока моноэнергетического гамма-излучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэВ (?/22).

3.Для точечного просвечивания материалов использовано гамма-излучение особо слабой интенсивности, получаемое от образцовых спектрометрических гамма-источников (ОСГИ), предназначенных для калибровки аппаратуры. Активность ОСГИ менее 100 кБк. Это значение на порядок меньше минимальной значимой активности источника на рабочем месте (МЗА) по действующим Нормам радиационной безопасности (НРБ-99, приложение П-4, с. 102). Вклад в мощность дозы на расстоянии 0,5 метра от такого источника ниже естественного фона. Это позволяет оборудовать участок контроля в помещении без специальной защиты и избежать значительных расходов на организационные и технические мероприятия по защите персонала и производственной среды от радиации.

4. Адаптирован к применению в швейном производстве сцинтилляционный гамма-спектрометр для измерения коэффициента ослабления (?/22) с точностью 1,53% с помощью вычислительной техники, специальной методики и оригинального программного обеспечения, разработанного под задачу.

5. Новизна состоит также в доступности для неспециалистов ядерно-физических методов измерений, использовавшихся ранее профессионалами-физиками.

Практическая ценность.

I. Разработка ИВК привела с созданию на швейном производстве автоматизированного рабочего места для контроля РЗС [4], [5]. Разработана эксплуатационно-техническая документация: таблица для настройки спектрометра (приложение 1), инструкция по обслуживанию спектрометра (приложение 4) и две инструкции по технике безопасности (приложение 5). Следует подчеркнуть, что данная разработка, в которой используется гамма-излучение, отличается безопасностью при одновременно высокой точности измерения и простоте обслуживания. Это стало возможным благодаря специальной методике, предусматривающей использование источника слабой активности в сочетании с эффективным детектором и аппаратурой достаточно высокого разрешения. Таковыми служат ОСГИ, сцинтилляционный счётчик и гамма-спектрометр, работу которого поддерживает мици-ЭВМ. Последняя позволяет автоматизировать измерения, связанные с регистрацией сравнительно малых потоков излучений в режиме реального времени с последующей автоматизированной обработкой массивов данных по формулам математической статистики. Специально разработанный дружественный интерфейс «человек-машина» позволяет привлекать к работе персонал средней квалификации после недельного обучения на рабочем месте.

II. Параметры защиты, полученные в результате исследований, вошли в «Специальные требования для специальной защитной одежды изолирующего типа, используемой при выполнении работ, связанных с тушением пожаров и ликвидацией аварий на АЭС и других радиационно-опасных объектах» (Нормы пожарной безопасности НПБ-162−2002, п. 9.2.2).

III. В результате развития опытного производства, включающего участок контроля РЗС материалов и изделий, с 1993 г. пожарные службы АЭС в России стали оснащаться специальной защитной одеждой типа СЗО-1 [6], [7], имеющей следующие основные характеристики:

• СЗО-1 предназначен для работы при авариях на АЭС;

• в условиях сочетанного облучения при мощности доз по гаммаи рентгеновскому облучению — до 1 Зв/час, по бета-излучению — до 4 Зв/час обеспечивается защита в течение 20 мин (по нормам радиационной безопасности, действовавшим в то время);

• коэффициент ослабления гамма-излучения энергии 200 кэВ в области защищенных критических органов 1 и 2 групп — не менее 2;

• коэффициент ослабления бета-излучения энергии 2 МэВ составляет не менее 80;

• допустимое время работы, сек, не более при температуре: от-40°С до +40°С — 2400, от +40°С до +100°С — 1200, +200°С -420;

• контакт с открытым пламенем — не более 3 сек.

В Пояснительной записке к ТУ [10] указано, что «комплект защитной одежды превосходит по техническому уровню современные достижения и не имеет аналогов в отечественной и зарубежной практике» .

IV. Подобные защитные костюмы могут использоваться в аварийных ситуациях без тушения пожара, а также ремонтно-эксплуатационными службами для снижения суммарной дозы в условиях хронического облучении в течение длительного времени при штатной работе [1, с. 210]. Конструкция таких костюмов может отличаться от СЗО-1.

V. Безопасный контроль с применением ОСГИ, может использоваться при других материаловедческих испытаниях [11].

VI. Отдельные компоненты автоматизации ИВК (принцип формирования ряда файлов, обеспечивающий сохранность данных в случае аппаратных сбоевавтоматическая нумерация первичных данных, позволяющая автоматизировать последующие расчёты) могут быть использованы для автоматизации других исследований [12].

Реализация результатов. Измерительно-вычислительный комплекс по контролю радиационно-защитных свойств КМ и изделий при производстве защитной одежды пожарных, охраняющих АЭС, установлен на испытательном участке дочернего государственного предприятия «Защитная одежда» при НИИТМ в 1995 г., о чём имеется акт о внедрении.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях «Радиационные поражения и перспективы развития средств индивидуальной защиты от ионизирующих излучений»: на III Конференции в.

ИЯИ РАН (Москва, 1999 г.) и на V Конференции в Медицинском центре Управления делами Президента РФ (Москва, 2000 г.), а также обсуждались на семинарах в Гос. инте физико-технических проблем РАН, ИЯИ РАН. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

На защиту выносятся:

• Применение радиационного неразрушающего метода контроля в новой сферепроизводстве специальной радиационно-защитной одежды для пожарных на АЭС.

• Установленный параметр для оценки радиационно-защитных свойств текстильных материалов и готовых изделий — коэффициент ослабления потока моноэнергетического гамма-излучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэВ.

• Методика безопасного контроля РЗС с использованием ОСГИ.

• ИВК, обеспечивающий автоматизированный контроль РЗС по данной методике.

• Автоматизированное рабочее место на основе данного ИВК, предназначенное для малосерийного швейного производства. * *.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 127 страницахсодержит 25 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 64 наименований, а также 6 приложений, представленных на 65 страницах.

ВЫВОДЫ.

В настоящей работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан способ контроля радиационно-защитных свойств (РЗС) композиционных материалов и спецодежды пожарных, охраняющих АЭС. Контроль производится неразрушающим радиоизотопным методом с помощью сцинтилляционного гамма-спектрометра. В условиях швейного производства обеспечивается контроль материалов, имеющих общую поверхностную плотность около 1 г/см2, поверхностную плотность свинца (или иной поглощающей добавки) — около 0,5 г/см2. Характеристиками материала служат: а) коэффициент ослабления материалом потока монохроматического гамма-излучения изотопа кобальт-57 с энергией 122 кэВ (А722) — б) поверхностная плотность поглощающей добавки (свинца), содержащейся в материале.

2. Обеспечена безопасность процесса контроля благодаря использованию для просвечивания материала спектрометрических гамма-источников (ОСГИ), предназначенных для калибровки аппаратуры. Активность источников составляет менее 100 кБк, что на порядок меньше минимальной значимой активности (МЗА) источника на рабочем месте по Нормам радиационной безопасности (НРБ-99). Вклад в мощность дозы на расстоянии 0,5 метра от источника ниже мощности дозы естественного гамма-фона. Такие показатели позволяют организовать участок контроля в помещении без специальной защиты, что приводит к экономии значительных средств на организационно-технические мероприятия по обеспечению радиационной безопасности.

3. Достигнута точность измерения, составляющая 1,5- 3%, что позволяет выпускать защитную одежду минимальной массы.

4. Проведён анализ источников ошибок и определен метод расчёта относительной статистической погрешности при измерении к]22¦ Рассчитаны таблицы и составлены графики, позволяющие пользователю оптимизировать режим измерений.

5. Создано автоматизированное рабочее место, оснащенное измерительно-вычислительным комплексом (ИВК), аппаратную часть которого составляют блоки ядерной электроники и мини-ЭВМ стандартной комплектации. Комплекс оснащен аттестованным серийным отечественным оборудованием, что является необходимым условием для сертификации продукции.

6. Создан интерфейс ввода-вывода данных, обеспечивающий комплексную автоматизацию измерений, включая накопление первичных данных, их сортировку и вычисление характеристики материала.

7. Создан интерфейс «человек-машина», позволивший адаптировать ИВК к эксплуатации персоналом средней квалификации после недельного обучения на рабочем месте.

8. Разработана методика определения параметров приёмочного статистического контроля РЗС исходного материала.

9. Система открыта для наращивания числа измерительных каналов и для полной автоматизации измерений — перемещения объекта контроля в зоне просвечивания.

10. Разработанный способ безопасного автоматизированного контроля РЗС композиционных материалов может быть использован для испытаний других материалов, изделий и средств защиты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубочайшую благодарность Борису Алексеевичу Бенецкому, своему учителю, сумевшему найти убедительные доводы о необходимости написания диссертации, а как научному руководителю — за многолетнее постоянное внимание и поддержку на всех этапах работы.

Автор глубоко признателен Станиславу Ильичу Поташёву за участие в многочисленных обсуждениях, конструктивную критику и помощь в создании ряда формулировок.

Автор глубоко благодарен Владимиру Николаевичу Бочкарёву за многочисленные консультации и наладку электроники.