Источник нейтронов, основанный на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов

Что касается гидрологических условий  на участке предполагаемой застройки, то из данных изысканий, проведенных в 1976 году организацией «УкрВостокГИИНТИЗ», следует: в районе предполагаемого строительства грунты состоят из суглинков и глины. Грунтовые воды залегают на глубине от 6.7 м до 12.6 м. Согласно данным буровых работ показатели следующие:

скважина №13 – уровень грунтовых  вод  - 6.7 м,

скважина №33 – уровень грунтовых  вод  - 8.6 м,

скважина №31 – уровень грунтовых  вод  - 12.6 м,

скважина №59 – уровень грунтовых  вод  - 9.5 м.

Скважина №31 была пробурена непосредственно  на участке предполагаемой застройки.

 

Рис. 2.4-1 Выкопировка из генерального плана промплощадки ННЦ ХФТИ

(В кружках указаны номера, наименования зданий. Показано местоположение предполагаемой пристройки к зданию №2)

 

 

 

 

 

5. Радиационная безопасность

1. Источники ионизирующего излучения

Основными источниками ионизирующего  излучения установки являются :

• Ускоритель и канал транспортировки пучка к мишени;
• Активная зона ПКС;

Описание указанных частей установки  приведено выше в р.2.2.4.

2. Биологическая защита

Радиационная безопасность персонала  и населения обеспечивается наличием соответствующей биологической защиты.

1. Биологическая защита ускорителя и канала транспортировки

Радиационная защита позволяет  снизить уровень мощности дозы ионизирующего излучения (γ-кванты + нейтроны) в производственных помещениях с постоянным пребыванием персонала до проектного контрольного уровня мощности для персонала категории «А» за защитой - 4,7 мкЗв/ч, принятого в ННЦ ХФТИ.

Мощность дозы тормозного излучения  при энергии электронов 130 МэВ  после взаимодействия со свинцовой  мишенью

для угла 0° = 7,14 ∙ 106 Гр∙м2/(мА∙ч)

для угла 90° = 1,6б ∙ 104 Гр∙м2/(мА∙ч)

Поток нейтронов с энергией от 0 до 100 МэВ Ф = 9,37∙1013 нейтрон/с∙мА). В качестве радиационной защиты ускорителя для подкритической сборки и системы компрессии энергии к нему предполагается использовать существующую радиационную защиту линейного ускорителя электронов ЛУЭ-2000 толщиной 2 м бетона с плотностью ρ=2,3 г/см3. Ось пучка находится на отметке - 0,9 м. Глубина бункера составляет 2,4 м, ширина - 3 м. При энергии электронов 130 МэВ и потерях пучка в системе компрессии 10 кВт для системы компрессии потребуется усиление существующей радиационной защиты толщиной 2 м ещё дополнительно 0,25 м тяжелого бетона (ρ=4,8 г/смЗ) длиной ~ 20 м. Объем бетона V=60 мЗ. Водопроводы и другие энергетические коммуникации не должны препятствовать установке и разборке радиационной защиты и наоборот. Для угла 0º в направлении пучка существующей лобовой защиты (за первым поворотным магнитом СП-82 №1) толщиной 7,6 м достаточно. Кроме того, в лобовой защите имеется канал для вывода пучка в существующий мишенный зал и лабиринт для доступа обслуживающего персонала к оборудованию линейного ускорителя.

Проведены оценки параметров радиационной защиты канала транспортировки на участке  от первого отклоняющего магнита B1 до последнего B6.

При проведении расчетов принималось, что потери электронного пучка в системе его транспортировки будут составлять 0,5% - по 10 мкА в первых двух 45-градусных поворотных магнитах (B1, B2) и по 7,5 мкА на втором (B3, B4) и третьем (B5, B6) поворотах траектории. В фокусирующих линзах потери принимались равными нулю. Предполагалось, что выходные узлы и электронопровод изготовлены из нержавеющей стали марки IX18H9T (70% - железо, 18% - хром, 10% - никель, 1% - титан, 1% - марганец и кремний). Поворотные магниты изготовлены из железа, обмотки катушек - медные. Для расчетов выбраны контрольные точки A1¸A8 , показанные на Рис. 4.2-1.

 

Рис. 4.2-1 Расположение контрольных точек для оценки параметров радиационной защиты канала транспортировки электронного пучка

(А₁ - технологический коридор, А₂ - клистронный зал, А₃ – крыша необслуживаемого надбункерного помещения, А₄ - надбункерное помещение, закрытое дверью с блокировками, А₅ - точка на крыше пристройки над магнитом В3, А₆ - точка на крыше пристройки над магнитом В6, А₇ - точка в зале источника нейтронов.)

 

Основными факторами радиационной опасности, определяющими толщину  радиационной защиты системы транспортировки  электронного пучка с энергией 150 МэВ, являются: тормозное излучение и фотонейтроны. Кроме того, в воздухе под действием электронов и фотонов тормозного излучения образуются вредные химические вещества: озон, окислы азота и радионуклиды ¹³N и ¹⁵О.

Необходимая кратность ослабления мощности дозы тормозного излучения определяется выражением

К(Х, q) = ₀(q)·U·T/R²· ,  (1)

где:  Х - толщина защитного барьера (см);

  - проектный контрольный уровень мощности дозы для персонала ННЦ ХФТИ

~ 4,7мкЗв/ч

R - расстояние от источника излучения  до расчетной точки (м);

₀(q) - мощность поглощенной дозы на расстоянии 1 м от источника излучения под углом q по отношению к направлению распространения пучка электронов.

Коэффициенты U и Т, характеризующие тип защитного барьера и степень занятости персонала в помещениях данного типа, приняты равными 1.

В Табл. 4.2-1приведены мощности эквивалентной дозы тормозного излучения (Зв/ч) в точках А₁¸А₈, расположенных на расстоянии R(м) от источников излучения без защиты, требуемые кратности ослабления мощности дозы К(Х) до предельного контрольного уровня, и необходимые для этого толщины d бетонной защиты с плотностью ρ=2,3 г/см³. Источником излучения для точек А₁¸А₅ принимались участки электронопровода магнитов B1 и B2, для точек А₅¸А₆ – магнитов B3¸B4, для точек А₇¸А₈ – магнитов B5¸B6.

 

Табл. 4.2-1 Результаты расчета биологической защиты канала транспортировки пучка

Точки	А1	А2	А3	А4	А5	А6	А7
R(м)	4,5	6	7,5	3	5	5	4,5
, Зв/ч	0,573	0,372	0,206	1,29	0,176	0,176	0,217
К(Х)	1,2.105	6,9.104	4,4.104	2,7.105	3,7.104	3,7.104	4,6.104
d, м	2,7	2,65	2,6	2,8	2,6	2,6	2,6

Для выбора параметров защиты от фотонейтронов, генерируемых тормозным излучением, предварительно определялся их выход. Выход фотонейтронов вычисляется по формуле:

Q =(1,5^.10^-4 )·N·E₀ = 2,81^.10¹² н/с  (2)

(здесь N - количество электронов в пучке с энергией E₀ ).

Тогда плотность потока нейтронов  на расстоянии R(м) от мишени есть:

Ф(R) = Q/(4pR^{2 .}10⁴ ) = 2,81^.10¹²/( 12,56^. 10^{4 .}R² ) = 2,74 ^.10⁷ н/(с ^. R²)  (3)

В частности, поток нейтронов в  точке А₁ без защиты будет:

Ф(А₁) = 2,74^.10⁷/4,5² = 1,35 ^.10⁶ н/с·м²

В таблице 2 приведены длины релаксации L нейтронов в зависимости от энергии нейтронов Е_n для обычного бетона (ρ=2,3 г/м³), число длин релаксации n и коэффициенты ослабления нейтронного потока за защитой из обычного бетона толщиной d=2,6 м. Число длин релаксаций связано с требуемой кратностью ослабления соотношением n=ln(2K_n).

 

Табл. 4.2-2 Характеристики фотонейтронов в зависимости от энергии

Еn, МэВ	10	15	50	100
L, см	10	11	12,5	20
n	26	23,6	20,8	13
Кn	2 .1011	1,78 .1010	1,08 .109	4,4 .105

 

Так как в спектре мало фотонейтронов с энергией 100 МэВ, то рассчитанной защиты от γ–излучения будет вполне достаточно.

Для баритобетона (ρ=3,5 г/м³) длина релаксации составляет 8 см, а толщина бетонной защиты для γ–излучения равна 1,3 м. Следовательно, число длин релаксации будет не 26, а только 16. Поэтому может возникнуть проблема с нейтронами в интервале ~50…100 МэВ. Значения L будут уточнены в ходе дальнейшей работы.

Активация оборудования системы транспортировки  пучка будет происходить за счет образования радиоизотопов с  периодами полураспада: ⁵²Mn - 5,6 суток, ⁵⁴Mn – 312 суток, ⁵⁶Mn- – 2,58 часа, ⁵²Fe – 8,27 часа, ⁵⁷Ni – 35,6 часа, ⁵⁷Co – 270 суток, ⁵¹Cr  – 27,7 суток и ⁶⁴Сu – 12,8 часа. Равновесная активность каждого изотопа достигается за время работы ускорителя равное 3 периодам полураспада соответствующего радионуклида. При этом относительный вклад изотопов ⁵⁶Mn и ⁵⁷Ni в мощность суммарной эквивалентной дозы после выключения ускорителя будет составлять ~99%. Через 24 часа  после выключения ускорителя уровень излучения будет определяться изотопом ⁵⁷Ni.

Уровни излучения в области  взаимодействия пучка с вакуумной  камерой (электронопроводом) непосредственно  в поворотных магнитах B1 и B2, будут  составлять ~2 мЗв/ч, а на расстоянии 0,5 м от них ~0,2 мЗв/ч. Уровни излучения в последующих магнитах ожидаются ~1,5 мЗв/ч, а на расстоянии 0,5 м от них ~0,15 мЗв/ч.

Что касается вероятной активации  грунтовых вод, то, ввиду того, что  грунтовые воды находятся на глубине  больше 7 метров, а ось ускорителя - на отметке -0,9 м, с учетом глубины  бункера ускорителя ~2,5 м толщина защиты до грунтовых вод будет эквивалентна не менее трем метрам бетона с коэффициентом ослабления ~10⁶. Мощность эквивалентной дозы будет = 0.34 мкЗв/ч, энергия γ-квантов на указанной глубине составит величину не более 5 МэВ и активация грунтовых вод не ожидается.

Для уменьшения габаритов  радиационной защиты канала транспортировки  предполагается использовать тяжёлый  бетон плотностью r=4,8 г/см³. В этом случае для выбранного уровня потерь электронов толщина защиты составляет 1,3 м. Объем бетона - 465 м^З.

Внутренние размеры камеры системы  транспортировки пучка от системы  компрессии до подкритической сборки 2,0´2,5´25 мЗ. Требования к сборке и разборке аналогичны защите системы компрессии. Кратность вентиляции рабочей камеры системы компрессии Ккомп = 10 при Vкам = 700 мЗ. Кратность вентиляции рабочей камеры системы транспортировки К =15¸20 при Vкам =150 мЗ .

2. Активация оборудования

Конструкция канала транспортировки  должна удовлетворять требованиям  радиационной безопасности, согласно национальным стандартам Украины [4] и другим нормативным актам. Требования радиационной безопасности должны быть обеспечены как в эксплуатационных режимах нейтронного источника (включён пучок максимальной мощности), так и в случае проведения работ в канале, и непосредственно на расположенном  в нём оборудовании, при выключенном электронном пучке.

Территориально канал транспортировки  в основном располагается в здании подкритической сборки, а также занимает часть надбункерного помещения здания №2 (см. Рис. 4.2-1). Поэтому в эксплуатационных режимах нейтронного источника, конструкция биологической защиты канала должна обеспечивать мощности эквивалентной дозы, не превышающие установленные лимиты в местах нахождения персонала. В настоящее время в Украине для персонала это 12 мкЗв/ч при равномерном облучении в течение года (1700 часов).

Как отмечено выше, для корректного  выбора материала и размеров радиационной защиты необходимо предварительно определить распределение потерь тока пучка вдоль канала транспортировки. Это позволяет рассчитать расположения и интенсивности источников жёсткого тормозного электромагнитного излучения и, соответственно, дозовые характеристики результирующего радиационного поля. Полученные данные являются базой для расчёта радиационной защиты.

Одновременно, с учётом длительности сеанса работы установки, могут быть рассчитаны уровни активации установленного в канале оборудования (стен туннеля) в результате фотоядерных реакций, вызываемых тормозным g-излучением. На основании этих данных рассчитываются дозовые характеристики радиационного поля в туннеле канала и вблизи обслуживаемого оборудования после выключения пучка.

Одним из требований радиационной безопасности  при разработке защиты является также учёт возможных аварийных ситуаций, связанных с отказом элементов электронной оптики, разгерметизацией вакуумных электронопроводов и др.

На данном этапе разработки проекта  отсутствуют необходимые данные о потерях электронного пучка в канале транспортировки, с учётом допусков изготовления и возможных погрешностей юстировки электронно-оптических элементов. Были проведены предварительные оценки только активации материалов поворотных магнитов при заданной величине потерь тока пучка на участках электронопроводов, расположенных в магнитах.

Величина потерь выбиралась, исходя из имеющегося опыта эксплуатации подобных устройств, поэтому полученные результаты являются предварительными и служат для качественной оценки возможной радиационной ситуации в туннеле канала после выключения пучка.

При проведении расчетов было принято, что электронопровод изготовлен из нержавеющей стали марки  IX18H9T (70%–железо, 18%–хром, 10%–никель, 1%–титан, 1%–марганец и кремний). Поворотные магниты изготовлены из железа. Предполагалось, что потери пучка в системе его транспортировки от первого поворотного магнита до сборки будут составлять 0,5% номинального значения (по 10 мкА в первых двух 45° магнитах и по 7,5 мкА в следующих двух поворотных магнитах). В фокусирующих линзах потери принимались равными нулю.

Активация оборудования системы транспортировки  пучка будет происходить за счет образования радиоизотопов с  периодами полураспада: ⁵²Mn–5,6 суток, ⁵⁴Mn–312 суток, ⁵⁶Mn–2,58 часа, ⁵²Fe–8,27 часа, ⁵⁷Ni–35,6 часа, ⁵⁸Co–270 суток, ⁵¹Cr–27,7 суток.

Равновесная активность каждого изотопа  достигается за время работы ускорителя равное 3 периодам полураспада соответствующего изотопа. При этом относительный  вклад изотопов ⁵⁶Mn и ⁵⁷Ni в мощность суммарной эквивалентной дозы будет составлять более 99%. Уровни излучения в области взаимодействия пучка с вакуумной камерой (электронопровод) непосредственно вблизи первого и второго поворотных магнитов будут составлять ~2 мЗв/ч, а на расстоянии 0,5 м от них – ~0,2 мЗв/ч. Уровни излучении от электронопроводов в третьем и четвертом магнитах ожидаются ~1,5 мЗв/ч, а на расстоянии 0,5 м от них ~0,15 мЗв/ч. Грунтовые воды находятся на глубине больше 7 метров. Ось ускорителя находится на отметке -0,9. Таким образом, с учетом глубины бункера ускорителя ~2,5 м толщина защиты до грунтовых вод будет эквивалентна не менее трем метрам бетона с коэффициентом ослабления ~10⁶. Мощность эквивалентной дозы будет = 0.34 мкЗв/ч и активация грунтовых вод не ожидается.