Строительные решения радиационной защиты в зданиях ускорителей заряженных частиц Гетманов, Валентин Борисович

Введение к работе

Строительство ускорителей заряженных частиц-одно из самых молодих направлений строительной отрасли нашей страны.Специфичсские требования по созданию специальных строительных конструк-ций.обеспечивающих защиту персонала,населения и окружающей среды от вредного воздействия ионизирующих излучений работающего ускорителя определяют специфику строительства ускорителей как ядерно-технических установок.Ускорители заряженных частиц кроме использования их для научных целей в области изучения строения материи в настоящее время псе шире применяются в народном хозяйстве и медициие.Темпы ввода в строй новых ускорителей в мире достаточно высоки-более сотни п год.В последние десятилетия проявилась тенденция непрерывного наращивания мощности ускоряемых пучков частиц, кик при строительстве новых, так и при реконструкции действующих ускорителен.

Строительные проблемы создания конструкций радиационной защиты на ускорителях зиждятся на проблемах обеспечения радиационной безопасности персонала и с ростом мощности ускоряемых пучков частиц становятся сложной научно-технической задачей.В тоже время комплекс строительных вопросов по созданию радиационной защиты решенный для ускорителя большой мощности включает в себя ответы на аналогичные вопросы при строительстве ускорителей меньшей мощности,что дает возможность широкого обобщения результатов исследований полученных на ускорителях высоких энергий С большой интенсивностью пучков ускоренных частиц на любые ускорители с меньшими параметрами энергий и интенсивности пучков частиц.

Актуальность работы.Уровеиь развития физики высоких зиер-гий.по признанию лидеров мировой науки.характеризует интеллектуальный потенциал общества.Осиошшм экспериментальным инструментом в этой области науки являются ускорители заряженных частиц.До последнего времени физика высоких энергии была п числе приоритетных научных направлений п нашей стране,в соответствии с этим развивалась и ускорительная техника.Из небольших экспериментальных установок,размещавшихся ранее в отдельных помещсішяхдюзже р небольших зданиях,- ускорители заряженных частиц превратились в мощные энергетические комплексы размещающиеся теперь на сот.чях и тысячах гектаров.

При работе таких ускорителей возникает выескозиергетаческое

_Ч -

излучение не имеющее аналогов в зешшх условиях и опасное как для людей, так и для окружающей среды. Для предотвращения вредного воздействия излучений ускорителей на персонал, население и окружающую среду в зданиях ускорительных комплексов устраиваются специальные защитные охраны, которые выполняются в виде массивных строительных конструкций из различных материалов от грунта обычного до специальных бетонов к стали и, даже свинца и урана. С ростом энергетических параметров ускорителей растут как их размеры, так и объемы строительных конструкций радиационной защиты. Доля строительных конструкций и защиты достигает, а иногда и превышает уровень 50% от затрат на сооружение всего комплекса ускорителя, включая технологическое оборудование.

Отсутствие обоснованных научных положений и методологии учета нового в строительной практике фактора радиационного воздействия высокоэнергетического излучения в архстектурно-строителнюм проектировании, неопределенностыши отсутствие исходных параметров источника излучений, неопределенность или отсутствие информации по защитным свойствам строительных материалов и конструкций, использование различных несогласованных методик расчета защиты, расчленение процесса проектирования защитных конструкций от самих зданий ускорителей явились причинок того, что реальные защитные конструкции в некоторых- случаях были вьшолнены с необоснованными запасами и большим перерасходом материальных ресурсов, а другие зачастую, не обеспечивали необходдауго защиту при реконструкции к,в этих случаях, самым главным недостатком строительных решений являлась невозможность простого усиления защитных конструкций.

В связи с тенденцией строительства и реконструкции ускорителей со все возрастающими размерами, здания которых представляют собой уникальные строительные объекты, задача создапкя надежной и экономичной радиационной защиты выросла в важную народохозяйствеи ыую экономическую и социальную дроблему-проблему экономии матері альных ресурсов при обеспечении безопасных условий работы персонала, безопасности населения и обеспечения условий охраны окружающей среды. Таким образом, актуальность проблем радиационной защиты в зданиях и сооружениях ускорителей имеет не только технико-экономи-ческнй но и социальный аспект, возрастающий с ростом масштабов самих ускорителей.

Здания и сооружения ускорителей заряженных частиц, технологический процесс в которых происходит с генерацией ионнзирующнл из-

~5 -

лучений откосятся к семейству зданий к сооружений ядерных установок, однако в силу специфики ускорителя значительно, а иногда и принципиально, отличаются от зданий и сооружений других ядерных установок. Возникла практическая необходимость в решении ряда строіїтельїіьіх проблем с учетом специфики ускорителей. Сформировалась повая область исследований в научном направлє'.ши-строительст-ве ядерных установок, которую можно назвать "Радиационно-строи-телыще проблемы защиты на ускорителях заряженных частиц". Эта область исследований ограничивается кругом лишь тех строительных вопросов, которые решаются непосредственно во взаимосвязи с вопросами радиационной безопасности, радиационной физики, техники и ' технологии ускорителей.

В связи с изложенным появилась насущная необходимость проведения комплексных исследований, направленных на оптимизацию строительных решений радиационной защиты в зданиях ускорителей. Настоящая работа выполнена в период с 1967 по 1992 годы, в соответствии с целевой программой Государственного комитета по использованию атомной энергии СССР- по направлению -01 не планами научно-исследовательских работ МИСИ имени В.В.Куйбышева, Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в г. Протвино, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯЙ) в г.Дубна и других организаций, ?, автор являлся научным руководителем работ по зтой тематике от ЬШС^гЛ имеїш В.В.Куйбышева.

Целью работы является разработка научных положений и агетодо-логии учета фактора радиационного воздействия высокознергетычесхо-го излучения, а также специфики ускорительной техники н технологии на строительные решения защитных конструкций в зданиях ускорителей.

Для достижения этой цели необходимо ревзепие следующих задач:

1. Разработать основные положений и методолога» учета специфики ускорительной техники и технологии в архитектурно -строительном прос-ктиропашш иа основе комплексного аналвдл проектных реше-:шй, опыта эксплуатации ускорителей я по результатам строительно-технологических я рлдиацігошіо-фнзнческлх исследований.

2. Исследовать защитные свойства строительных материалов и конструкций с целыо получения недостающей информации по функциональной зависимости защитных спойств от состава материала и спектра излучений источника для обоснованного выбора материален радиационной защиты при проектироватш зданий и защиты ускорителей.

- G -

3. Разработать критерии оптимизации и экспертных оценок рациональности строительных решений зданий и защиты с учетом специфики ускорительной текинки и технологии.

4. Разработать и предложить для внедрения рациональные конструктивные и объемно-планировочные решения защиты и зданий ускорителей как при строительстве новых, так и при реконструкции.

5. Разработать и предложить для внедрения новые технологические составы высокоэффективных материалов для конструкций радиационной защиты минимальных габаритов в условиях дефицита свободлых площадей..

6. Разработать методику определений технико-экономического эффекта от наиболее рациональных строительных решений радиационной защиты и зданий ускорителей на высокие энергии с учетом специфики ускорительной техники и технологии.

Методическая основа работы базируется на :

опыте проектирования а эксплуатации зданий и защиты ускорителей, результатах НИР по проблемам, связанным с темой работы,

современном научном и методическом аппарате радиационной физики высоких анергий,

результатах полномасштабных и макетных экспериментов до изучению защитных свойств материалов и радиационной обстановки на действующих ускорителях,

методике приведенных затрат по выявлению аффективных строительных решений н рекомендациях МКРЗ по оптимизации радиационной защиты,

принципах системного подхода для анализа проектной ситуации

и методе сиятеза факторов онредгяяющчх рацноішальпос строительное решение.

Научная кооизад работы заключается в том, что а ней впервые:

- разработана научные основы и методология учета -resoro и
строіїтсльноії практико кесилового воздействия - излучений высоких

ЭПЗрпШ При СТрОИтеЛЬНОМ ПрОСКЇИрОКИііШ КОНСГрукЦЯІІ рПДІіГіЦНОИіЮЙ

защиты » зданаях ускорителе»,

- разработаны новые состазм защитных материалов и исследованы
их защитные характеристики а полях низхоэксргстичсского рассешшо-
го излучения, рыямены зависимости защитных свойств строительных
материалов ст их химического состава и спектра источников излуче
ния,

- а новом энергетическом диапазоне до 70 ГэВ изучены функции

и параметры формирования полей вторичного излучения в массивах из традиционных строительных материалов таких как обычный бетон с плотностью 2,35 г/смЗ., сталь, тяжелый бетон с плотностью 3,4 г/смЗ.

разработаны критерии, позволяющие проектировать защитные конструкции во взаимосвязи с о&ьемно-планнровочиыми решениями зданий и сооружении,

разработаны и внедрены рациональные конструктивные решения зданий и защиты п максимальной степени отвечающие условиям эксплуатации ускорительных комплексов,

разработан новый подход дифференцированного возведения защитных конструкций туннелей ускорителей. Выполнено экономическое обоснование эффективности дифференцированного подхода,

разработаны рациональные объемно-планировочные и коиструк-типные решения защити и зданий ускорителей, позволяющие минимизировать затраты и облучасмость персонала, повысить надежность мероприятий по охране окружающей среды.

Достоверность я обоснованность результатов исследований подтверждается использованием современных методов и методологии комплексного подхода к проблемам проектирования, опытом строительства н эксплуатации радиационной защити на ускорителях; использованием самих современных. способов регистрации излучений и методов обработки данных; использованием экспериментальных данных для совершенствования точных методов расчета защиты; сравнением экспериментальных данных с результатами, полученными другими авторами.

Практическая ценность работы состоит в использовании разработанных составов материалов в проекте защитных конструкций строящегося ускорителя; использовании полученных результатов, разработанных методов и средств в практике проектных и научно-исследовательских организации. Разработанная программа инженерного метода расчета защиты на персональных ЭВМ позволяет на ранней стадии проектирования с малыми затратами машинного времени рассмотреть большое количество вариантов состава защиты для поиска рационального строительного решения. Полученные экспериментальные данные использовались для корректировки метода точного расчета массивных защит - комплекса программ MARS. Банк рациональных стронгслькых решений позволяет на ранней стадии проектирования проработать большое ко-личестио вариантов с целью поиска рационального строительного решения не только по экономическим, !!0 так же по социальным н эхоло-

- О -

гичсским аспектам .

Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 2 и 3 Всесоюзных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядсрно-тсхничсских установок в г. Москве (МИФИ) и г. Тбилиси (ТГУ) в 1978 и 1981 году соответственно, на ЛИ, XX, X, XI, ХП иХЩ Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в период с 1982 по 1992 годы, на Международном симпозиуме по фиэи-чесхим вопросам радиационной безопасности в г. Дрездене в 1984 году, на семинарах подсекции " Работа в условиях высокого облучения" Научного Совета ЛИ СССР, на научных семинарах в Институте физики высоких энергий, на научных конференциях в МИСИ им. В.В.Куйбышева, на научных семинарах кафедры СЯУ и одобрялись в их итоговых документах и решениях.

Результаты исследований внедрены:

1. В сфере науки; в виде 79 научных трудов (в том числе 48 печатных) общим объемом 85,3 пл.

2. В учебном процессе - путем выпуска двух учебных пособий, трех методических указаний а также использованием материалов разработанных в диссертации в лекционных курсах, читаемых на кафедре Строительства ядерных установок; в дипломном и курсовом проектировании; при руководстве соискателями а также студентами по линии Студенческого научного общества, создала и внедрена в учебном процессе программа для автоматизированного расчета на персональных ЭВМ защитных конструкций на основе шшенерных методов расчета защиты.

3. В практике проектирования, строительства и эксплуатации в институтах ГСПИ, ИФВЭ и ОИЯИ при проектировании и строительсп ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ, реконструкции защнть У-70 ИФВЭ, проектировании мезошюй фабрики АН России и других обт ектов.

На защиту выносятся:

основные положения и методология комплексного учета факто-роп, включая радиационное воздействие при проектировании строительных конструкций радиационной зашиты,

результаты расчетно-экспериментальных исследований защитных свойств строительных материалов и их взаимосвязью химическим составом материала и спектром источника излучения,

рекомендации по применению новых защитных материалов и защитных строительных конструкции, снижающих матернплоемкость.умен

шающих облучаемость персонала и повышающих надежность мероприятий по охране окружающей среды,

- рациональные объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и радиационной защиты на ускорителях,

"- методика дифференцированного подхода к возведению защитных конструкций на ускорителях,

Работа выполнена на кафедре Строительства ядерных установок МИСИ им. B.D. Куйбышева к в Отделе радиационных исследований Института физики высоких энергий ( ИФВЭ ) г. Серпухов,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из следующих разделов: Введение.