Физико-технические основы устройства ядерного реактора.

Атом это положит заряженное ядро и вращающиеся вокруг него по определённым слоям отрицательно заряженные электроны. Атом электрически нейтрален «+» я = «- эл». Ядро состоит из нуклонов: положительно заряженные называются протоны. Не имеющие заряда – нейтроны (пи-мезоны, кварки и глюоны). Размер атома = 10^-8 см, размер ядра 10^-13см. плотность ядра 100 000 тонн/мм². Принято измерять массу атомов в а.е.м. = 1/12 массы атома углерода=1,7·10^-24г

В ядерных реакторах используется внутриядерная энергия, выделяющаяся при цепных реакциях деления U-235 и Pu-239. В этих реакциях наблюдается дефект массы продуктов реакции по сравнению с исходной массой ядра. В соответствии с формулой Эйнштейна Е=МС² выделяется огромное количество энергии.

Ещё больше энергии выделяется при реакции синтеза изотопов водорода дейтерия и трития.

₁Н² + ₁Н³ = ₂Не⁴ + n + 17,6 МэВ (на Солнце ₁Н² + ₁Н²= ₂Не⁴ + 23,6 МэВ Образование 1 кг Не эквивалентно энергии 20тыс. т. каменного угля (400 вагонов по 50 тонн)

При цепной реакции деления как в ядерном реакторе, так и в атомной бомбе образуется около 200 радиоактивных изотопов примерно 35 химических элементов. Изотопы -атомы одного и того же химического элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов. А изотопы самопроизвольно претерпевающие ядерные превращения, сопровождающиеся ионизирующими излучениями в виде гамма - квантов, альфа- и бета-частиц называются радиоактивными. Гамма-квант - жесткое электромагнитное излучение, альфа - ядра гелия, бета - поток электронов). Пробег в воздухе: α – неск см., β – неск м., γ – сотни м.

Каждый изотоп характеризуется периодом полураспада Т1/2, который может быть от долей сек. до миллионов и миллиардов лет. Так

Йод-131 (I-131) - 8 суток Кобальт-60 (Со-60) - 5,3 года

Цезий - 137 (Сs-137) -30 лет Плутоний 239 (Рu) - 24000 лет

Стронций– 90 (Sr-90) - 28 лет Уран - 238 (U) - 4,5 млрд лет

. Закон р/а распада А _t = А _o^{- t/T}

Первые три наиболее биологически опасные изотопы. Они и создали проблемы после аварии.

На АЭС используются ядерные реакторы типа РБМК (реактор большой мощности канальный) и ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В реакторе РБМК-1000 (установлены на ЧАЭС и ряде других АЭС) ядерное горючее в виде урана - 238, в котором обогащение ураном-235 доведено с природных 0,7 до 2%, в количестве 190 тонн (из них 3,8 т. U-235) закладывается в ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы) и размещается в каналах активной зоне реактора, заполненной графитом. (в ВВЭР водой). Туда же помещаются стержни из кадмия и бора, управляющие ходом реакции (эффективно поглощают нейтроны). По каналам прокачивается вода (Р=70 атм., Ткип.=284°С), снимающая тепло с ТВЭЛов, которая нагревает в теплообменнике воду второго контура до перегретого пара. Пар вращает турбину, а она электрогенератор.

На реакторе установлено более десяти противоаварийных систем, автоматически отключающих реактор при отклонении какого-либо параметра от нормы.

На ЧАЭС при проведении эксперимента половина этих систем была отключена, вручную с возникшей аварийной ситуацией операторы не справились, от перегретых ТВЭЛов вода стала разлагаться на водород и кислород, в результате чего произошёл тепловой взрыв и в атмосферу было выброшено 5% топлива и накопившихся радиоактивных изотопов. По цезию-137 это эквивалентно 100 шт. 200 Кт. атомных бомб.

Сейчас в мире более 500 реакторов и ряд стран на 70-80 % обеспечивает себя электроэнергией за счёт АЭС. В России 15%.

Принята программа за 12 лет до 2020 г довести производство элэнергии на АЭС до 25%, для чего построить (26 блоков АЭС) За Советское время было построено в России 40(?) (Англия через 20 лет возобновила строительство АЭС)

2. Единицы измерения активности, дозы и мощности дозы

Активность - мера количества РВ, выражаемая числом распадов ядер в единицу времени.

Беккерель - 1 распад / сек. (в системе СИ). Кюри - 3,7 *10 ¹⁰ расп/сек. (Кюри - внесистемная ед.)

(Активностью 1Кюри обладают: - 1гр Ra и 3т. U-238 - 0,01гр Сs - 137- 1мкгр J -131)

Удельная активность - Ки/кг, мКи/кг, мкКи/кг, Бк/кг. (сколько съедаем с мясом, крупами ит.д.)

Объёмная активность - Ки/л, мКи/л, мкКи/л, Бк/л. (сколько выпивем с молоком, водой ит.д.)

Поверхностная активность Ки/км². (как загрязнены наши с/х угодья и вообще территории)

Доза - количество энергии ионизирующего излучения, поглощённое единицей массы облучаемого вещества.

Экспозиционная доза оценивает потенциальную опасность и.и. Внесистемная единица - Рентген. (Количество энергии ионизирующего излучения, образующее в 1 см³ воздуха 2 миллиарда пар ионов.

Поглощённая доза. (см.“ Доза”) Вн./ед.- Рад. (1Р=0,877 рад) В системе СИ - Грей. 1 Грей = 100 рад.

Эквивалентная доза -это поглощённая доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма. (Кэ или ОБЭ для b, g =1, для a,n =10).

Вн./ед. - Бэр (биологич. экв. рентгена). 1 бэр - энергия любого вида излучения, поглощенная в 1гр. биологич. ткани, вызывающей такой же эффект, как и при поглощен. дозы в 1 рад. Грубо 1 бэр = 1рад = 1Р. В СИ - Зиверт. 1Зв=100бэр

Эффективная эквивалентная доза - это эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность разных тканей к облучению. Кэф= 0,12 - красный костный мозг; 0,03 - костная ткань

0,03 – щит. ж-за; 0,15 - мол ж-за; 0,12 – лёгкие; 0,25-яичники или семенники; 0,30-др ткани/ 1,00 – орг-м в целм.

Мощность дозы (уровень радиации) - приращение дозы в единицу времени. Измеряется в

Р/ч, мР/ч, мкР/ч, мкЗв/ч, Бэр/ч, мкБэр/сек. и т. д.

Задачи 1.а) Определить активность радиоактивного йода –131 через месяц (A _t) после аварии АЭС, если начальная активность А₀ составила 16 МКи. Период полураспада (Т_1/2) I-131 = 8 суток. Расчёт вести по формуле A _t = • А₀ 2 ^—t/T (считать t = 32 суток).

Решение: A _t = 16 МКи • 2 ^-32/8 =16 / 2⁴ = 16/16 = 1МКи Решение б) A _t =16 / 2 ⁸ =16 / 256= 0,0625 МКи = 62,5ККи

б) Определить активность радиоактивного йода –131 при тех же условиях через 2 месяца..1МКи Решение б) A _t =……………………………..

2. Рассчитать степень поверхностной зараженности с/х угодий площадью 1000 км² через 60 лет после аварии на АЭС, в результате которой произошёл выброс 4 ККи Сs-137, период полураспада которого (Т_1/2) составляет 30 лет.

Решение: ……………………………………………….

3. Определить величину дозы (Д) за год от естественного фона мощностью (Р) 10 мкР/ч. Для расчётов принимать 1 год = 8800 часов. Ответ привести в мкР, мР, Р и мЗв. Д = Р • t. Решение: ……………………………………………….

4. Определить пригодность молока в пищу (по СанПиН предел 50 Бк/л, реально 0,14), если содержание Cs-137 в нём составляет 2,7 нКи (нанокюри).

Решение: …………………………………………………..

5.Выразить в Зв (или его долях) следующие единицы: 10мкР/ч; 20мР; 750 Р, 450 бэр, 0,5 мбэр

………………………………………………………………..

3. Опасные факторы радиационных аварий

Причинами аварий могут быть - 1. Конструктивные недостатки. 2. Ошибки персонала. 3.Терроризм.

4.Падение самолётов на АЭС. 5.Вооружённые конфликты.6.Стихийные бедствия (напр. землетрясения).

Опасные факторы при авариях на объектах атомной энергетики:

- Пожары и взрывы.

- Радиационное воздействие в момент аварии.

- Заражение воздушной среды аэрозольными радионуклидами.

- Загрязнение водоёмов РВ.

- Радиоактивное заражение обширных территорий.

Периодизация опасностей при аварии на ЧАЭС: 1. Период острой йодной опасности (йод - 131) в теч. 60 дн.

2. Период поверхностного загрязнения (коротко и среднеж. радионуклиды) - до конца 1986г.

3. Период корневого поступления (Сs-137, Sr-90) с 1987 года на 90 - 100 лет.

Зонирование после аварии (по загрязнению почвы Сs-137): - Зона отчуждения - более 40 Ки/км².

- Зона отселения - от15 до 40 Ки/км². - Зона проживания с правом на отселение (ранее с временным отселением берем. женщин и детей) 5 - 15 Ки/км². – Зона проживания с льготным социально-экономическим статусом. 1-5 Ки/км². В РФ от аварии на ЧАЭС частичное р/а заражение получили 15 областей (Брянская, Курская, Калужская и др.- от 1 до 43% территории).

В результате интенсивных испытаний ЯО в 60-гг вся поверхность стран в основном Северного полушария Земли, оказалась заражена земель Sr-90 и Cs-137 до 0,2 Кu/км², сейчас она упала до 0,1 Кu/км² и менее. Эти изотопы в незначительных количествах попадают с растительной и животной пищей в организм всех людей проживающих в этих странах.

4. Оценка дозовой нагрузки от природного радиационного фона (ПРФ)

и техногенных источников

1) Определить дозу облучения за сутки, месяц, год и среднюю продолжительность жизни от ПРФ (от внешнего облучения космической и земной составляющей, мощность дозы которой (Р) составляет в г. Ярославле примерно 10 мкР/ч)

Д = Р • t

- Доза за сутки…

- Доза за месяц…

-Доза за год ……

- Доза за 70 лет …

Примечание: Мощность дозы ПРФ считается нормальной в пределах 0,1 – 0,6 мкЗв/ч

2) Определить индивидуальную дозу облучения населения за год при условиях указанных: в таблице 1. (Внимание! 1-я таблица в курсовой работе-рассчитать по своему варианту )

Bce исходные и полу­ченные данные свести в таблицу по форме таблицы 1 применительно к своему варианту. Сравнить полученные данные с требовани­яминорм радиационной безопасности НРБ-99

Примечание:

1)Начало проживания 01.01 текущего года

2) НРБ предусматривают стандартную продолжительность облучения 8800 часов в год (732 ч. в месяц).

3) Суммарную годовую дозу определить в рентгенах, БЭРах, Зивертах и мЗв.

4) Основные радиационные величины и их единицы

Величины	Единицы СИ	Внесистемные единицы	Соотношение
Активность	Беккерель (Бк) – 1 распад в сек	Кюри (Ки) -3,7•10^10 распадов в сек	1 Ки = 3,7•10^10 Бк
Экспозицион-ная доза	Кулон на кг (Кл/кг)	Рентген (Р) (Количество энергии ионизирующего излучения, которое образует в 1 см^3 воздуха 2 миллиарда пар ионов	1 Р = 2,58•10^-4 Кл/кг
Поглощённая доза	Грей (Гр)	Рад (рад)	1 Гр = 100 рад
Эквивалентная доза	Зиверт (Зв)	Бэр (бэр) – биологический эквивалент рентгена	1 Зв = 100 бэр

Для практических расчётов принимают 1Р ≈ 1Рад ≈ 1бэр

Дольные единицы: 1Р = 1000 мР (миллирентген) = 1 000 000 мкР (микрорентген)

Таблица 1. Исходные и рассчитанные данные по естественному фону радиации и техногенным источникам облуче­ния.

Номер варианта (№в)	1¸12	13¸25
Продолжительность проживания на мест­ности с естественным радиационным фо­ном 12 мкР/ч (количество месяцев в течение года – М1)	М1=№в =…	М1=№в -13 =…..
Продолжительность проживания на мест­ности с естественным радиационным фо­ном 19 мкР/ч (количество месяцев в течение года – М2)	М2=12 - М1 = ….	М2=12 - М1= …..
Доза облучения, полученная в течение года от техногенных источников ра­диации (просмотр телевизора, светя­щиеся циферблаты, атомная энергетика, медицинские облучения и т.д.)	35мБЭР	41мБЭР
Годовая доза от естественного фона радиации	Привести расчёт	Привести расчёт
Суммарная годовая доза (естественное + техногенное облучение)
Суммарная годовая доза (Р) Суммарная годовая доза (БЭР) Суммарная годовая доза (Зв) Суммарная годовая доза (мЗв)

Федеральный закон 1996 года “О радиационной безопасности населения (РБН)” определяет: “РБН - состояние защищённости настоящего и будущего поколения людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения” и устанавливает с 2000 года среднюю годовую эффективную дозу для населения - 0,001 Зв (0,1 Бэр). Так же указано и в НРБ-99.

Регламентируемые законом пределы доз облучения не включают в себя дозы:

- создаваемые естественным радиационным фоном,

- техногенно - изменённым фоном,

- а также дозы получаемые при проведении медицинских рентгенорадиологических процедур и лечении. (При лечении раковых опухолей отдельные органы облучают дозами в несколько сот Рентген.).

Вывод по таблице №1: ………………………..

3) Определить долю годовой дозы облучения (в %), приходящуюся на каждый естественный источник облучения

Усреднённые по всему миру величины годовых эффективных доз облучения от естественных источников облучения взяты из отчёта НКДАР ООН (Научный Комитет Организации Объединённых Наций по действию атомной радиации) за 2000 год.

Рассчитатьдолю годовой дозы облучения (в %), приходящуюся на каждый естественный источник облучения и заполнить ячейки таблицы 2(…..).

Таблица 2. Составляющие у среднённых годовых доз от ПРФ и их доли (в %) при максимальных крайних значениях (Студенты считают %)

Источник облучения (№ составляющей источника)	Годовая эффективная доза (мЗв)
Сред- няя	В %	Диа-пазон	Доза и % при крайних значениях составляющих
№ 1	%	№ 2	%	№ 3	%	№ 4	%
1.Космическ. излучение - Прямоионизирующий компонент (γ и фотоны) - Нейтронный компонент - Космогенные радионуклиды (Н^3, С^14)   Сумма космиич. излуч.	0.28   0.10   0.01 0.39	16,25	0.3-1,0	1,0
2. Внешнее излучение земного происхождения - Вне помещений - Внутри помещений   Суммарное внешнее изл- учение земн. происхожд.	0.07 0.41 0.48		0.3-0.6			0,6
3. Облучение при вдыхании - Ряд урана и тория - Радон (Rn^222) - Торон (Rn^220) Суммарное облучение при вдыхании	0.006 1,15 0,10 1,26	52.5	0,2-10
4. Облучении при заглатывании - К - Ряд урана и тория Суммарное облучение при заглатывании	0,17 0,12 0,29		0,2-0,8							0,8
Итого	2,4	100%	1-10		100%		100%		100%		100%

Выводы по таблице 2.

Дата добавления: 2015-09-06