Стартовая >> Архив >> Генерация >> Основы радиационной безопасности атомных электростанций

Материалы защиты АЭС - Основы радиационной безопасности атомных электростанций

Оглавление
Основы радиационной безопасности атомных электростанций
Основные дозовые пределы
Облучение персонала
Санитарные правила работы с радиоактивными веществами
Санитарные правила проектирования и эксплуатации АЭС
Требования к дозиметрическому контролю, производственным помещениям, вентиляции и удалению отходов
Типы атомных электростанций
Реактор как источник излучений
Технологический контур АЭС как источник излучения
Другие технологические контуры АЭС как источники излучения
Защита от излучений
Закономерности распространения нейтронов
Защита от нейтронов
Материалы защиты АЭС
Материалы из элементов со средним значением атомной массы А
Подход к расчету и проектированию защиты на АЭС
Защита канальных реакторов
Защита корпусных реакторов
АЭС с реактором в ПНЖБ-корпусе
Защита от y-излучения оборудования и технологических сред
Радиационная обстановка и дозовые затраты персонала на АЭС
Радиационная обстановка
Облучаемость персонала
Пути уменьшения дозовых затрат
АЭС и внешняя среда
Образование и обработка отходов на АЭС
Распространение радиоактивных выбросов АЭС во внешней среде
Радиоактивные выбросы и сбросы действующих АЭС
Радиационная обстановка в районах размещения действующих АЭС
Предотвращение поступления радиоактивных веществ в окружающую среду при авариях на АЭС
Контроль радиационной безопасности АЭС
Технологический радиационный контроль радиационной безопасности
Дозиметрический радиационный контроль
Контроль активности жидких и газоаэрозольных отходов
Радиационный контроль в окружающей АЭС среде

5.6.1. Требования, предъявляемые к материалам защиты.

Первым и основным требованием к материалу, предназначаемому для защиты от источников излучения на АЭС, является требование иметь высокие защитные свойства как по отношению к нейтронам, так и к γ-излучению. Для этого материал должен иметь определенный химический состав: содержать ядра легких и тяжелых элементов, в отдельных случаях содержать бор. Не всегда удается найти такой материал, поэтому часто приходится применять отдельно легкие материалы, обычно содержащие водород, и тяжелые.
Независимо от того, в каком виде используется тот или иной материал, к нему предъявляется ряд требований, позволяющих осуществить и длительное время эксплуатировать защиту:

конструкционная прочность материала, особенно прочность на сжатие, позволяющая сделать конструкцию защиты самонесущей, а иногда и конструкцией, несущей дополнительную нагрузку;
высокая радиационная и термическая стойкость материала, т. е. неизменность свойств материала под действием радиации и тепла или такое изменение свойств, которое можно считать допустимым;
химическая инертность материала, особенно по отношению к теплоносителю и конструкционным материалам реакторной установки;
жаростойкость и огнестойкость, т. е. материал должен допускать кратковременный перегрев защиты, а температура его эксплуатации (рабочая температура) должна быть достаточно высокой, материал не должен легко воспламеняться и гореть;
способность не выделять газов, особенно ядовитых, взрывоопасных или с резким запахом, под действием нагрева и при облучении;
высокая теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения, минимальная усадка (как при монтаже, так и при эксплуатации), вибро- и ударостойкость, водо- и газонепроницаемость — все эти свойства позволяют создать наиболее простую конструкцию защиты и эксплуатировать ее в благоприятных для материала условиях;
технологичность, т. е. простота монтажа и демонтажа защиты, возможность механической обработки материала; невысокая стоимость и доступность.
Многие из этих требований противоречивы, и в природе нет материалов, одновременно удовлетворяющих всем требованиям, хотя можно найти материалы или их комбинации, которые в значительной степени удовлетворяют этим требованиям. В настоящее время найдено, разработано и исследовано достаточное количество защитных материалов, так что они не ограничивают конструктора или проектировщика АЭС в выборе того или иного конструктивного или компоновочного решения.

Показатели защитных свойств материала.

Основным показателем защитных свойств материала по отношению к γ-излучению служит линейный коэффициент ослабления плотности потока (мощности дозы) γ-излучения. Чем выше плотность материала, тем больше fA, тем более высокими защитными свойствами обладает материал. Трудно найти такой материал, плотность которого известна, а защитные свойства (в сравнении с другими материалами) неочевидны. В таких случаях необходимо вычислить ц, пользуясь, например, соотношениями (1.3.13) или (1.3.14).
Защитные свойства материала по отношению к нейтронам необходимо характеризовать двумя показателями, так как материал, обладающий высокими защитными свойствами для какой-либо одной энергетической группы нейтронов, может иметь низкие защитные свойства для другой группы. Такими показателями являются длина релаксации плотности потока быстрых (Еп ^ 2 МэВ) нейтронов и дозовый фактор накопления нейтронов, т. е. Hб и В%оа-%о определяют экспериментально или вычисляют по формулам (5.2.26)» (5.2.26а);
ВГ можно также определить экспериментально или рассчитать по формулам (5.2.27), (5.2.29).
Трех названных характеристик достаточно, чтобы оценить место материала в ряду других по его защитным свойствам и выбрать тот или иной материал для использования в защите*.

*Поскольку вопрос о защитных свойствах материала по отношению к V-излучению решается просто, дальше при описании материалов приводятся в основном их характеристики защитных свойств по отношению к нейтронам.

Классификация материалов защиты.

По ядерному составу и,   следовательно, по общности процессов взаимодействия излучений с материалом, а также его основному назначению материалы защиты подразделяют на три группы: 1) легкие; 2) состоящие в основном из элементов со средним значением атомного номера; 3) тяжелые. В первых двух группах выделяют две подгруппы материалов: содержащие и не содержащие водород.
Основное назначение материалов первой группы — ослабление плотности потока нейтронов, главным образом, промежуточных энергий. Нейтроны замедляются в таких материалах в результате упругих рассеяний на ядрах водорода (первая подгруппа) и на ядрах других легких элементов (вторая подгруппа).
Материалы третьей группы предназначены для защиты от γ-излучения и быстрых нейтронов. Последние замедляются в результате неупругих рассеяний.
Материалы второй группы предназначены для защиты от обоих видов излучения; нейтроны замедляются как в результате упругих (особенно, если материал содержит водород), так и неупругих рассеяний. Защитные свойства этих материалов улучшаются в результате введения в них тяжелого компонента (железа, бария и др ).

Легкие материалы.

Вода — наиболее часто используемый в защите водородсодержащий материал. Имеет высокую ядерную плотность водорода (при р — 1 г/см3 nн — 6,66-1022 яд./см3), доступна и недорога. Применяют дистиллированную или деминерализованную воду. Под действием излучения диссоциирует с образованием водорода, перекиси водорода и ионов ОН. Реакции диссоциации обратимы. Вода как материал защиты имеет неоспоримое преимущество: заполняет все отведенное ей пространство без образования пустот и зазоров. Конструктивно защита из воды выполняется в виде баков из стали или других материалов; если объем воды велик, то баки делают секционными, чтобы уход воды из защиты при потере баком герметичности не приводил к резкому ослаблению защиты.
Защитные свойства воды исследованы достаточно подробно*. Известно, что Я-б зависит от толщины слоя вода и меняется от 8 до 10,5 см. В области установившегося равновесия Яв = 10 см, В*03 = 2 ± 0,3 (точнее — 1,85).

* Здесь и далее приводятся сведения о защитных свойствах материалов по отношению к излучению реактора.                 

Полиэтилен — термопластичный полимер, при р — 0,93 г/см3 и химической формуле СпН2п ядерная плотность водорода п — 7,92 X
X 1022 яд./см3. Можно применять в защите в виде блоков или плит при температуре до 60° С (самонесущие конструкции) и до 80° С — в ограничивающих кожухах. Полиэтилен горит, при сгорании образует воду и С02. Имеет большой линейный и объемный коэффициент расширения при нагревании. Легко поддается механической обработке.
Обладает более высокими защитными свойствами по отношению к быстрым нейтронам, чем вода: Яб — 8 см в области установившегося равновесия и меняется от 6,2 до 8,2 см при толщине защиты 1 м, ВГ = 1,9 ± 0,2. Защитные свойства по отношению к γ-излучению примерно такие же, как и у воды.
В защите на АЭС полиэтилен применяют редко из-за невысокой рабочей температуры и сравнительно высокой стоимости.
Из других легких водородсодержащих материалов можно отметить ряд пластмасс (полипропилен, полистирол, метилметакрилат и др.) и гидриды металлов (LiH, СаН, TiH„, ZrHn и др.). Пластмассы не имеют особых преимуществ перед полиэтиленом, а гидриды металлов, особенно гибрид титана, хотя и обладают высокими защитными свойствами, достаточно дороги.
Графит — часто применяемый материал (на АЭС с канальными реакторами выполняет роль отражателя и первых слоев защиты), обладающий достаточно высокими защитными свойствами. Используют в защите в виде блоков, которые легко обрабатываются и не слишком дороги. Плотность блоков 1,67 г/см3. Графит в защите можно эксплуатировать при t = 400е С (на воздухе) и при t = 1000° С — в инертной среде.
Длина релаксации плотности потока быстрых нейтронов в графите при d — 125 см составляет 13,2 см. формула в графите растет с толщиной из-за быстрого накопления тепловых нейтронов (при толщине около 40 см мощность дозы на 90% определяется тепловыми нейтронами), поэтому понятие формула применительно к графиту не показательно. Добавление в графит бора (2—3%) изменяет картину: вклад тепловых нейтронов в мощность дозы становится пренебрежимым, в защите устанавливается равновесное состояние, формула — 4,8.
Карбид бора. В защите применяют в виде засыпки с удельной объемной массой 1,1—1,5 г/см3, иногда несколько выше. Рабочая температура на воздухе — до 400° С, в инертной атмосфере — до 1500° С. При р = 1,3 г/см3 Hб = 15,7 см, при эквивалентной с графитом плотности его защитные свойства по отношению к нейтронам выше: кб = = 10,2 см; формула = 4,5.

Тяжелые материалы.

Железо применяют в защите в виде стали и чугуна (прокат, поковки, дробь). Выбор марки стали или чугуна определяется условиями эксплуатации защиты (температура, контакт с водой и пр.). Плотность листов, поковок 7,8—7,6 г/с8, плотность дроби после уплотнения 4,5—4,7 г/см3. Для листов и поковок Hб = 7,1 см ; Bg03 растет с толщиной защиты [см. (5.2.3)] и различно для углеродистых сталей и сталей с легирующими добавками. В последних за счет хрома, никеля и других происходит частичное перекрытие интерференционного минимума в сечении взаимодействия нейтронов с железом при Еп = 25 кэВ и это приводит к некоторому уменьшению накопления замедляющихся нейтронов: параметр Ь в формуле (5.2.23) для стали марки СтЗ равен 0,102 см-1, для стали Х18Н10Т — 0,092 см"1.

Рис. 5.19. Зависимость длины релаксации плотности потока быстрых нейтронов (1К мощности дозы нейтронов (2), -γ-излучения (5) и дозового фактора накопления нейтронов (4) от объемной доли воды в железоводной защите
Свинец — применяют в защите в виде листов, отливок или дроби. Листовой и рольный свинец имеет плотность 11,3 г/см3, отливки — 10—10,5 г/см3, а дробь в уплотненной засыпке — до 6,5 г/см*. Свинец — мягкий металл и поэтому в защите применяется очехлованным сталью. Одним из способов изготовления очехлованных конструкций является заливка коробов расплавленным свинцом. Защитные свойства свинца исследованы достаточно подробно: Hс — 10 см, коэффициент роста дозового фактора накопления нейтронов Ь = 0,072 см-1. Из доступных материалов свинец обладает наиболее высокими защитными свойствами по отношению к γ-излучению.
Титан, вольфрам, молибден и другие металлы редко используют в защите, главным образом, из-за высокой стоимости. Титан и молибден, кроме того, как материалы защиты не имеют преимущества перед железом (для титана = 9,5 см при р = 4,5 г/см3); вольфрам при плотности 19,3 г/см3 Имеет Hб ==3,6 см, обладает отличными защитными свойствами по отношению к y-излучению, но дорог и малодоступен.

5.6.6. Металло-водородные защиты.

Защита, в одинаковой мере эффективная по отношению к нейтронам и y-излучению, должна содержать в своем составе тяжелые и легкие материалы. Это достигают путем размещения, например, в воде листов (пластин) стали или свинца. Защиту из стали и воды называют железо-водной (ЖВЗ). Такую защиту обычно применяют в реакторах ВВЭР, располагают между активной зоной реактора и его корпусом; основное ее назначение — снизить плотность потока нейтронов и γ-излучения на корпус реактора.
Защитные свойства металло-водородной композиции зависят от относительной концентрации ее компонентов по объему (рис. 5.19). Можно найти такие объемные концентрации тяжелого ст и легкого сл компонентов, например железа и воды, при которых — Hб — это физически оптимальная по составу защита. сТ в оптимальной по составу ЖВЗ составляет 65—80%, при этом средняя плотность защиты 5,5 г/см3, %у = Hб = 7,5 см, формула = 2,2.

Свинцово-водная защита

(СВЗ) оптимального состава содержит 20% свинца по объему, имеет
среднюю плотность 2,5 г/см3,                  = 10 см, £н03 =
Значение показателей защитных свойств ЖВЗ и СВЗ, как и других металло-водородных защит, можно рассчитать по формулам (1.3.13)—
|i, (5.2.26а) — XG и (5.2.29) — Bf3.

Рис. 5.20. Зависимость длины релаксации плотности потока быстрых нейтронов от концентрации воды в бетоне (сплошная линия проведена по экспериментальным точкам, полученным разными авторами)
Там, где невозможно применить ЖВЗ или СВЗ, например, из-за высокой температуры и невозможности организовать теплоотвод, применяют защиту из графита и железа (чугуна). Именно такая защита установлена в верхнем перекрытии реактора АМБ на Белоярской АЭС. Ее защитные свойства также зависят от объемных долей железа и графита, при оптимальном составе компонентов (объемная концентрация железа 40—50%) Xv — Хб = — 10,2 см. Несколько более высокими защитными свойствами обладает защита из стали и карбида бора.



 
« Основные технические характеристики турбогенераторов мощностью 50 МВт и более   Особенности металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф »
электрические сети