8.7. Методы и средства контроля за делящимися и

радиоактивными материалами

Радиоактивность, делящиеся и радиоактивные материалы

Любое вещество состоит из молекул, которые, в свою очередь, из более мелких частиц- атомов.

Существует несколько моделей атомов. Н. Бором была предложена модель атома, позднее получившая название планетарной. Он пришел к выводу, что вокруг положительно заряженного ядра атома по орбитам движутся отрицательно заряженные частицы – электроны. Орбит несколько, они различаются расстоянием от ядра. На каждой орбите может находиться определенное число электронов. Каждой орбите соответствует определенная энергия «связи» электрона, удерживающая его на орбите. Чем дальше от ядра орбита, тем больше энергия связи (рис. 8.31).

Основные положения модели Бора сводятся следующему:

1. электрон может вращаться вокруг ядра не по всем возможным орбитам, а лишь по некоторым, определенным («дозволенным»). На этих орбитах он вращается не потребляя и не излучая энергию. На разных орбитах электрон обладает разными, но вполне определенными энергиями;

2. ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. При получении энергии из вне (т.е. при возбуждении атома) электрон может перейти на более высокую (удаленную) орбиту. При этом электрон на новой орбите будет обладать тем большей энергией, чем дальше от ядра орбита. Однако атом пытается вернуться в нормальное состояние, вернув электрон на освободившееся место;

3. поглощение или излучение энергии происходит только при перемещении электрона с одной орбиты на другую. При этом разность энергий Е_н и конечного Е_к состояний излучается или воспринимается в виде кванта энергии, который называют фотоном. Его частота колебаний определяется соотношением: hν= Е_н- Е_к, где ν- частота, h- постоянная Планка.

В дальнейшем теория Бора была развита Зоммерфельдом.

Изложенную модель часто используют для пояснения работы досмотровых рентгеновских аппаратов, приборов флуоресцентного анализа или ядерного квадрупольного резонанса, и др.

Ядро состоит из протонов и нейтронов. У них есть и другое, общее название - нуклоны.

Рис. 8. 31. Планетарная модель атома

Основные физические параметры атомных ядер – величина заряда и массовое число.

Заряд ядра определяется выражением Q = Ze⁺, где Z – число протонов в ядре, e⁺ - заряд протона. Нейтрон нейтрален.

В атомной физике принято заряд ядра выражать в единичных зарядах, которым обладает электрон (у протона заряд равен заряду электрона с противоположным знаком). Тогда Q = Z единиц. Это значение равно атомному номеру рассматриваемого элемента вещества в таблице Д.И. Менделеева.

Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А. Оно равно сумме A = N + Z, где N – количество нейтронов в ядре. Атом с характеристикой из заряда ядра и массового числа называют нуклидом и обозначают в виде символа элемента таблицы Менделеева с индексами из значений указанных характеристик. Например, нуклид плутония с зарядом в 94 единицы и массовым числом 242 будет иметь обозначение:

₂₄₂

Pu.

⁹⁴

Ядра атома при одном и том же числе протонов (атомном номере) могут иметь разное число нейтронов. Такие атомы (нуклиды) называют изотопами. Например,

_{234 235 238}

U, U, U – обозначения изотопов урана.

^{92 92 92}

Изотопы могут быть стабильными (устойчивыми) и радиоактивными (неустойчивыми). Некоторые элементы могут иметь изотопы обоих видов.

Явление радиоактивности нуклидов состоит в том, что их ядра способны самопроизвольно превращаться в ядра других элементов за счет испускания альфа- частиц (- частиц), бета- частиц (- частиц) и гамма- квантов (- квантов) или деления. Такие нуклиды называют радионуклидами. Они и составляют основу радиоактивных материалов.

Поток создаваемых частиц и квантов невидим для глаз человека, обладает высокой энергией и называется ионизирующим или радиоактивным излучением. К числу такого излучения относится и рентгеновское, которое используется в досмотровых рентгеновских установках.

Источники радиоактивного излучения могут быть естественными и искусственными. Для целей досмотра в таможенном деле используются, в частности, естественные источники на основе радионуклидов: ⁶⁰Co и ¹³⁷Сs (источники с наиболее жестким излучением), а также ¹⁵⁵Eu, ¹⁷⁰Tm, ⁵⁵Fe, ¹⁰⁹Cd, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu, ¹³³Ba.

Выделяют четыре основных вида ионизирующих излучений: - излучение, - излучение, фотонное излучение, нейтронное излучение.

При - распаде ядро нуклида _z^AX испускает тяжелую частицу, представляющую собой ядро атома гелия ₂⁴He, и превращается в дочернее ядро Y с зарядом (Z-2) и массовым числом (А-4). При этом часть энергии переходит в кинетическую энергию частиц. Поток частиц, образующийся при - распаде и называют - излучением.

При - распаде испускаются - частицы (что увеличивает или уменьшает заряд ядра на единицу), а также нейтрино или антинейтрино. Поток - частиц составляет -излучение.

В фотонном излучении выделяют рентгеновское и гамма- излучение (- излучение).

В зависимости от механизма образования бывает тормозное или характеристическое рентгеновское излучение (см. п. 8.1).

Гамма-излучением называют коротковолновое электромагнитное излучение, которое испускается при переходе ядер из возбужденного состояния в основное или с меньшей энергией. Гамма-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождает - и  -распады ядер. Гамма -лучи обладают очень малой длинной волны   10^-10м. Гамма -кванты (фотоны) обладают высокой энергией и оказывают сильное воздействие на атомы других веществ, особенно на живые клетки.

Нейтронное излучение- поток нейтронов, образовавшихся при делении тяжелых ядер или при некоторых типах ядерных реакций³. Нейтроны обладают энергией от долей до десятков миллионов электрон-вольт.

Таким образом, все радиоактивные материалы являются источниками ионизирующих излучений в виде положительно заряженных  -частиц, отрицательно заряженных электронов и электрически нейтральных частиц с высокой энергией - нейтронов и -квантов.

Вещества, содержащие радиоактивные изотопы называют радиоактивными веществами.

Под делящимися радиоактивными материалами (ДРМ) понимают такие радиоактивные вещества, которые могут поддерживать цепную реакцию деления атомных ядер и требуют соблюдения дополнительных мер ядерной безопасности, исключающих возможность возникновения критической массы при их транспортировке.

Согласно правилам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), из всех радиоактивных веществ к делящимся отнесены материалы, содержащие уран-233, уран-235, плутоний-238, плутоний-239, плутоний-241 или любые сочетания этих радионуклидов в количестве более 15 г при условии их содержания в материалах более 0,7% по массе.

Иногда используют термин «ядерные материалы». Это более общее понятие, чем ДРМ. Под ядерными понимают все радиоактивные материалы (вещества), для которых возможна реакция деления ядер.

Энергия излучения и его воздействие оценивается дозой и мощностью дозы.

Существуют разные виды доз.

Поглощенная доза – отношение энергии dE, переданной ионизирующим излучением единице объема вещества, к массе dm вещества в этом объеме: D = dE / dm.

В Международной системе единиц СИ она измеряется в греях (Гр). Один грей соответствует дозе, при которой веществу массой 1 кг передается энергия в 1 джоуль. Используется также внесистемная единица – рад, 1 Гр=100 рад.

Степень воздействия ионизирующего излучения зависит не только от получаемой дозы, но и от времени , за которое эта доза была получена.

Мощность поглощенной дозы определяется скоростью изменения дозы со временем и в системе СИ измеряется в Гр/с или рад/с (рад/ч). Иными словами, мощность этой дозы определяется как приращение дозы за интервал времени dt к интервалу времени:

D*= dD / dt =(d²E / dm)dt.

Экспозиционная доза - энергия излучения, поглощенная в единице массы сухого атмосферного воздуха.

Экспозиционную дозу измеряют в единицах электрического заряда в расчете на единицу массы воздуха. Скорость изменения экспозиционной дозы со временем называют мощностью экспозиционной дозы. Измеряют в амперах на килограмм (А/кг). Однако на практике для количественной оценки этой дозы используется внесистемная единица - рентген, а для ее мощности - рентген в единицу времени – Р/с или Р/ч. Экспозиционная доза и ее мощность рекомендуют использовать для оценки полей радиации с энергией квантов не выше 3 МэВ.

Биологическую дозу, связанную с воздействием на человека ионизирующих излучений, принято характеризовать эквивалентной эффективной дозой: H = Dk_ср, где k_ср – коэффициент, зависящий от вида излучения. Она кроме поглощенной дозы учитывает воздействие на человека различных по составу и энергиям частиц и квантов излучения. При ее измерении используется единица Зиверт (Зв). В качестве единицы биологической эквивалентной дозы используется также Бэр (100 Бэр = 1 Зиверт).

Мощность эквивалентной дозы измеряется в Зв/с или бэр/с.

Классификация задач и технических средств ТК ДРМ

Радиоактивные вещества и изделия на их основе представляют особую опасность для человека. Поэтому со стороны государства осуществляется жесткий контроль за их производством, применением и перемещением. Специальным документом установлены предельные уровни содержания радионуклидов. Особый порядок установлен для таможенного оформления и контроля таких веществ и изделий.

В соответствии со ст. 403 «Функции таможенных органов» п.6 Таможенного Кодекса РФ таможенные органы «ведут борьбу с контрабандой и иными преступлениями, административными правонарушениями в сфере таможенного дела, пресекают незаконный оборот через таможенную границу наркотических средств, оружия, культурных ценностей, радиоактивных веществ, …».

В системе таможенных органов имеется специальная служба таможенного контроля за делящимися и радиоактивными материалами (ТК ДРМ).

Служба таможенного контроля ДРМ, осуществляя надзор за заявленным и несанкционированным перемещением через таможенную границу радиоактивных материалов и товаров, их содержащих, решает следующие задачи:

• Контроль за радиационной обстановкой в местах таможенного оформления и обнаружение источников повышенного радиационного излучения;

• Измерение значений параметров, характеризующих источники и поля излучений радиоактивных материалов с целью последующего протоколирования;

• Определение радионуклидного состава источников ионизирующих излучений;

• Обеспечение безопасности персонала.

Решение этих оперативных задач осуществляется с помощью специальных приборов, которые получили общее название «технические средства ТК ДРМ».

Можно выделить несколько групп объектов таможенного контроля, требующих использования технических средств ТК ДРМ.

1. Делящиеся радиоактивные материалы, а также иные радиоактивные материалы и изделия с ними, подпадающие под действие Норм радиационной безопасности и являющиеся объектами торговли.

К этому классу относятся товары, представляющие собой непосредственно ДРМ и иные ядерные материалы (в том числе обедненный уран, торий и др.). В частности, сюда подпадают источники радиоактивного излучения, используемые в приборах, применяемых в медицине, геологии, навигации и др. За прошедшие годы промышленностью СССР и России было выпущено несколько сот типов таких источников. Эти товары особо опасны для человека и перемещаются в специальной защитной упаковке.

2. Товары, имеющие повышенный уровень радиоактивности.

Достаточно большой круг товаров, перемещаемых через границу, может иметь повышенный радиационный фон, но не превосходящий Нормы радиационной безопасности. В таможенной практике нередки случаи, когда перемещаются песок, щебень, керамическая плитка, минеральные удобрения, сантехнические изделия, металлолом и другие товары, имеющие радиационный фон, превышающий естественный в несколько раз.

Во многих изделиях промышленного производства, таких как дорожные знаки, светящиеся шкалы приборов и часов, индикаторы задымленности, радиофармацевтические препараты и т. д., применяются материалы, создающие излучение с повышенным уровнем радиации, но в пределах Норм радиационной безопасности.

3. Радиоактивные отходы.

Согласно «Санитарным правилам обращения с радиоактивными отходами» (СПОРО-85) к радиоактивным отходам относятся растворы, изделия, материалы, биологические объекты, содержащие радиоактивные вещества в количествах, превышающих значения, установленные действующими нормами и правилами, не подлежащие дальнейшему использованию на данном либо другом производстве и в экспериментальных исследованиях.

В России предельные уровни содержания радионуклидов устанавливаются «Нормами радиационной безопасности-99» (НРБ-99).

Отработавшие радионуклидные источники, а также имеющие повышенную радиоактивность товары, не удовлетворяющие требованиям Норм радиационной безопасности и по заключению Госсанэпиднадзора России не подлежащие использованию на территории РФ, относятся к радиоактивным отходам.

4. Физические лица, прошедшие лечение с использованием радиоактивных медицинских препаратов.

По Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) граничное значение по мощности дозы гамма- излучения, исходящего от человека за счет введения радиофармацевтического препарата, не должно превышать 3 мкЗв/ч на расстоянии 1 м.

Ввозимым и вывозимым товарам должен быть присвоен код ТН ВЭД. Наиболее опасные в радиационном отношении товары классифицируются по ТН ВЭД в товарных позициях 2612, 2844, 7806, 8401, 8609, 9022.

Основными видами излучений, по которым можно обнаруживать и определять вид ДРМ, являются:

• - излучение,

• нейтронное излучение,

• - излучение,

• - излучение.

- и - излучения обладают слабой проникающей способностью. Бета- излучение полностью поглощается 2-3 миллиметровым слоем металла, а альфа- излучение = даже тонким слоем обычной бумаги. Однако радионуклиды, излучающие - и - частицы, при попадании внутрь организма могут представлять большую опасность для человека.

Нейтронное и - излучения имеют высокую проникающую способность, что позволяет надежно регистрировать их даже при условии хорошей защиты. Поэтому почти все технические средства, используемые в таможенных органах для контроля за ДРМ, позволяют регистрировать эти виды излучения. Кроме того, энергетический спектр - излучения уникален для каждого радионуклида и может служить его своеобразным «паспортом». Вышеуказанные свойства - излучения позволяют использовать его в качестве информативного фактора при определении перемещаемых радионуклидов без вскрытия упаковки.

Для решения задач ТК ДРМ таможенная служба использует дозиметры, радиометры, спектрометры и комбинированные приборы. Область применения этих приборов показана в табл. 8.2.

Дозиметры чаще всего используются для регистрации - излучений и нейтронного излучения с целью измерения эквивалентной дозы и/или мощности эквивалентной дозы (МЭД) излучения.

Таблица 8.2