автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка аварийного радиационно-защитного изолирующего костюма для пожарных

ВЕРЗИЛИН Михаил Михайлович

РАЗРАБОТКА АВАРИЙНОГО РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ИЗОЛИРУЮЩЕГО КОСТЮМА ДЛЯ ПОЖАРНЫХ

Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» Технические науки (лёгкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

□034Э21Ю

003492118

ВЕРЗИЛИН Михаил Михайлович

РАЗРАБОТКА АВАРИЙНОГО РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ИЗОЛИРУЮЩЕГО КОСТЮМА ДЛЯ ПОЖАРНЫХ

Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» Технические науки (лёгкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский ордена «Знак почёта» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России)

Научный консультант к.т.н., с.н.с. В.И. Логинов

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор А.Л. Чибисов

д.х.н., профессор В.К. Гореленков

Ведущая организация: Академия Государственной противопожарной

службы МЧС России Защита состоится 18 марта 2010 г. в 10 часов ООмин. На заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12, в зале диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан « «^¿>¿2010 г.

Исх. № Об/^О

Отзыв на автореферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВННИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: (495) 521-29-00

Учёный секретарь диссертационного совета, Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник /Ск Е.Ю. Сушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особую опасность в техногенной сфере представляют аварии на радиационно-опасных объектах. Их следствием может являться гибель людей, значительный материальный ущерб и пролонгированный характер последствий. Наиболее показательным примером такой аварии является Чернобыльская катастрофа. Не исключена опасность возникновения пожаров и взрывов на транспорте при перевозке радиоактивных веществ. Эффективность действий личного состава пожарно-спасательных подразделений при тушении пожаров и ликвидации аварий на радиационно-опасных объектах зависит от уровня обеспечения безопасных условий работы. Непосредственно после радиационной аварии для ограничения её масштабов, спасения людей и материальных ценностей, когда уровни излучений весьма неравномерны и не определены, а дозы трудно прогнозируемы, использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) является одним из обязательных условий сохранения здоровья, и жизни людей. При этом доказана возможность и необходимость создания носимой защиты от сочетанного облучения, в том числе от «мягкого» компонента гамма и рентгеновского излучений. В целом такой вид излучения по интенсивности составляет не менее 49% от всей совокупности фотонных излучений, сопровождающих распад продуктов деления.

Основным СИЗ для этих условий является автономный изолирующий костюм с пассивной тепловой защитой.

Постановка и различные аспекты решения проблемы работы человека в условиях воздействия опасных факторов пожара и ионизирующего излучения, обеспечения безопасных условий труда, в том числе, за счёт использования различных СИЗ отражены в работах Н.П. Копылова, А.К. Микеева, С.М. Городинского, Б.А. Бенецкого, Е.Е. Гогина, Г.А. Перцовского, В.И. Логинова, С.В, Резниченко, Ч. JI. Данхема, Е.П. Кронкайта, J.J. Conklin, S. JiJima, R.J. Walker и других исследователей.

Вместе с тем в ранее выполненных исследованиях не рассматривалась проблема создания СИЗ пожарного комплексно при условии сочетанного проявления радиационных поражающих факторов и воздействия опасных факторов пожара. Не решены вопросы оптимизации дифференцированной

защиты от ионизирующих излучений с учётом радиорезистентности органов и тканей человека и тепловой защиты с учетом равнотеплоустойчивости конструктивных элементов СИЗ. Не были достаточно полно сформулированы требования к составу многослойного защитного пакета, который бы обеспечивал предотвращение субтотального радиационного ожога, ограничение уровня генерации вторичного тормозного излучения, эффективное ослабление «мягкого» фотонного излучения, достижение необходимой тепловой защиты, приемлемые оперативно-тактические, эргономические и физиолого-гигиенические показатели. Требуют развития методики теоретических и экспериментальных исследований защитных материалов, многослойных пакетов, конструктивных элементов и СИЗ в целом. Не сформулированы принципы конструирования изолирующих многослойных костюмов с автономной системой жизнеобеспечения для пожарных. В связи с вышеизложенным актуальной является решение проблемы по разработке аварийного изолирующего радиационно-защитного костюма (РЗК) для обеспечения приемлемого уровня безопасности в условиях воздействия радиационных и тепловых поражающих факторов.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание носимого аварийного средства индивидуальной радиационной защиты, обладающего теплозащитными свойствами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ оперативно-тактических действий личного состава пожарно-спасательных формирований при тушении пожаров и ликвидации аварий на радиационно-опасных объектах, с учетом действующих на человека опасных факторов;

- провести теоретические и экспериментальные исследования по определению параметров парциальной гетерогенной защиты от сочетанного ионизирующего облучения с учетом радиорезистентности различных органов, тканей тела человека и тепловой защиты;

- разработать технические требования к защитным материалам, многослойным пакетам и конструктивному исполнению РЗК;

- составить методики и провести исследования свойств материалов и тканей, составляющих радиационно-защитный многослойный пакет;

- сконструировать изолирующий аварийный радиационно-защитный костюм, обеспечивающий комплексную защиту от опасных факторов, возникающих при пожарах и авариях на радиационно-опасных объектах.

Объект исследований. Экспериментально-теоретические разработки проблемы проводились применительно к различным материалам, тканям и многослойным конструкциям РЗК.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- оптимизировано распределение парциальной гетерогенной защиты от ионизирующего облучения с учетом радиорезистентности различных органов и тканей тела человека;

- на основе изучения условий работы пожарных подразделений при тушении пожаров и ликвидации тяжелых аварий на радиационно-защитных объектах впервые разработан комплекс требований к материалам, многослойным пакетам и конструкции радиационно-защитной одежды, а также методики их теоретических и экспериментальных исследований и испытаний;

- получены и проанализированы результаты исследований свойств новых материалов и многослойных защитных пакетов, используемых при изготовлении РЗК;

сформулированы принципы конструирования изолирующих многослойных защитных костюмов с автономной системой жизнеобеспечения для пожарных;

- разработано принципиально новое, защищенное патентами средство индивидуальной защиты пожарного от опасных факторов, возникающих при тушении пожаров и ликвидации тяжелых аварий на радиационно-опасных объектах.

Практическая значимость и реализация работы заключается в следующем:

- внедрено в практику работы пожарно-спасательных подразделений новое средство индивидуальной защиты в виде аварийного изолирующего радиационно-защитного костюма;

- разработаны рекомендации по использованию РЗК при тушении пожаров и ликвидации аварий на радиационно-опасных объектах;

- составлена нормативно-техническая документация на серийное

производство изделия, включая руководство по эксплуатации;

- результаты диссертации вошли в качестве технических требований к данному виду спецодежды пожарных в Федеральный Закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22.07.2008г № 123 ФЗ и в качестве технических требований и методов испытаний в национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 53264-2009 «Техника пожарная. Специальная защитная одежда пожарного. Общие технические требования. Методы испытаний», а также нормы пожарной безопасности НПБ 162-2002 «Специальная защитная одежда пожарных изолирующего типа. Общие технические требования. Методы испытаний.»

Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе Академии государственной противопожарной службы МЧС России.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению параметров парциальной гетерогенной защиты от сочетанного ионизирующего облучения с учетом радиорезистентности различных органов и тканей тела человека;

- технические требования к защитным материалам, многослойным пакетам, а также конструктивному исполнению РЗК;

- результаты исследований свойств различных материалов и тканей, составляющих радиационно-защитный и теплозащитный пакет;

- разработанный аварийный радиационно-защитный изолирующий костюм для пожарных с необходимыми защитными, эргономическими и физиолого-гигиеническими показателями и результаты его испытаний.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждена результатами экспериментальных исследований, согласованностью экспериментальных и расчетных данных, а также положительным опытом внедрения результатов работы в практику деятельности подразделений пожарной охраны, охраняющих РОБ, научных и проектных организаций.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современного экспериментального оборудования и методик

проведения опытов, внутренней непротиворечивостью полученных данных и их согласованностью с результатами других авторов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I конференции «Радиационные поражения и перспективы развития средств индивидуальной защиты от ионизирующих излучений» Киев, 1989 год, XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» Москва, 2001 год, Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России -исследования, управление, опыт» Москва, 2004 год, научно-практической конференции «Технические и организационно-правовые проблемы обеспечения пожарной безопасности» Москва, 2005 год, международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» Москва, 2008г, XXI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», Москва, 2009г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, включая патент на промышленный образец и 2 свидетельства на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,

заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на_

страницах машинописного текста, включающего 14 таблиц и 26 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность диссертации, излагаются основные результаты работы.

В первой главе («Анализ проблем, связанных с тушением пожаров и ликвидацией аварий на различных радиационно-опасных объектах») на основе нормативных документов и на конкретных практических примерах анализируются задачи и действия подразделений пожарной охраны при тушении пожаров и ликвидации аварий на радиационно-опасных объектах. Результаты анализа показывают, что тушение пожаров в условиях воздействия ионизирующего излучения характеризуется большой

продолжительностью во времени и привлечением значительного числа личного состава, специальной и пожарной техники. Подчёркивается, что работа пожарных, особенно в начальный период развития пожара, аварии проходит в условиях, когда сложно контролировать радиационную обстановку или в ситуации не планируемого повышенного облучения при неконтролируемом развитии событий. В таких случаях обеспечить надёжную «защиту временем» не всегда представляется возможным. Использование аварийных средств индивидуальной защиты в такой ситуации позволит снизить тяжесть радиационного поражения.

Проведён анализ опасных и поражающих факторов, возникновение которых возможно при пожарах и авариях на радиационно-опасных объектах: тепловые воздействия, ионизирующее излучение, выброс радиоактивных аэрозолей и газов, радиоактивное загрязнение, токсичные продукты горения, поражение электротоком, обрушение строительных конструкций.

Констатируется, что при авариях на ядерных реакторах и ядерно-энергетических установках облучение носит так называемый сочетанный характер, то есть определяется сочетанием ряда радиационных поражающих факторов. Сочетанный характер облучения может привести к особой, форме острой лучевой болезни. Гамма-излучение можно условно разделить на «жесткое» и «мягкое» в зависимости от энергии фотонов и соответственно, глубины проникновения в ткани человека. При этом вклад «мягкого» компонента может составлять более 49%.

Проанализированы технические параметры и конструктивные особенности существующих индивидуальных средств радиационной защиты, как отечественных, так и зарубежных. Сделан вывод, что все они не отвечают в полной мере требованиям, обеспечивающим безопасные условия работы в оговоренных условиях. Прежде всего, по степени защиты от опасных факторов пожара, конструктивному исполнению, а также вследствие невысокого уровня показателей назначения материалов и тканей, из которых они изготавливаются.

На основании изложенного сформулирована цель работы и определены задачи исследований.

Во второй главе («Концепция создания носимой радиационной защиты. Разработка комплекта специальной защитной одежды, тип СЗО-1») аналитически обосновывается и практически подтверждается возможность создания индивидуальной носимой защиты от ионизирующего излучения при тяжёлых радиационных авариях.

При оценке параметров защитных материалов и конструкции СИЗ от радиоактивных поражений представлено взаимодействие всей совокупности ионизирующих электромагнитных излучений с биотканью и защитой как воздействие двух компонентов- «мягкого» и «жёсткого» с соответствующими статистическими весами и эффективными энергиями

В таблице 1 приведены характеристики компонентов фотонного (гамма, рентген) излучения смеси продуктов деления.

Таблица 1

Характеристики компонентов гамма-излучения продуктами деления

Вклад «мягкого» компонента а, отн.ед. Вклад «жесткого» компонента Ь, отн.ед. Массовый коэффициент ослабления «мягкого» компонента КТМсо СВИНЦОМ Ц1 СМ2'Г' Массовый коэффициент ослабления «жесткого» компонента КТМсо СВИНЦОМ Ц2 см2т"' Еэфф «мягкого» компонента, кэВ Еэфф «жесткого» компонента, кэВ

0.37 0.63 4.70 0.090 100 800*

0.56 0.44 3.55 0.103 120 712**

0.46 0.54 3.03 0.098 136

* При усреднении со статистическим весом, определяемым дозовыми характеристиками.

** При усреднении со статистическим весом, определяемым интенсивностя-ми гамма-линий.

*** При усреднении со статистическим весом, определяемым распределением низколежащих уровней среднетяжелых ядер продуктов деления.

При таком двухкомпонентном подходе коэффициент ослабления гамма-излучения смеси продуктов деления оказывается равен

Ку = 1 /(а ехр(- ц1с/) + 6ехр(-|х2с/)), (1)

где: с] - поверхностная плотность защитного материала, а и Ъ - веса «мягкого» и «жесткого» компонентов. Соответственно, Ц] и ц2 - массовые коэффициенты их ослабления композиционным материалом защиты.

Таким образом, значительная часть дозы проникающего излучения определяется его «мягким» компонентом, который существенно влияет на формирование радиационных травм органов, расположенных под покровным слоем биоткани (до 6-8 г-см"2). Это определяется вкладом, эффективной энергией и характером взаимодействия этого компонента с биотканью. В тоже время, приведенные в таблице 1 значения массового коэффициента ослабления для «мягкого» компонента дают основания утверждать, что он может быть на порядок ослаблен носимой защитой с поверхностной плотностью свинца 0,6 г-см."2 Примером, подтверждающим как этот вывод, так и корректность описанного выше анализа, служит результат измерений, представленный на рисунке 1. На рисунке представлена зависимость коэффициента ослабления гамма-излучения Ку от поверхностной плотности свинца в композиционном радиационно-защитном материале. Измерения были выполнены 30.11.1987 в зоне радиоактивного загрязнения на Чернобыльской АЭС группой из 10 дозиметров. Мощность дозы 36 рентген-час"1. Кривые 1 и 2 на рисунке 1 определяют область расчетных значений коэффициентов ослабления гамма-излучения Ку по формуле (1), полученных на основании данных о наработке продуктов деления урана-235 за 720 дней кампании реактора. Кривые 1 и 2 ограничивают область значений Ку при нормальном падении потока излучений на защитный слой. При распределении источников излучения на горизонтальной плоскости поток на объект, находящийся на ней, интегрируется в пределах некоторого телесного угла. Заштрихованная область - результат расчета с учетом этого эффекта. Из данных на рисунке следует, что расчет согласуется с измерениями в пределах точности вычислений и эксперимента (практически все экспериментальные точки попали в (или на границу) заштрихованной области). Видно, что при поверхностных плотностях свинца до 0,5-0,6 г-см"2

происходит интенсивное поглощение «мягкого» компонента проникающего излучения. Дальнейшее увеличение поверхностной плотности свинца и, следовательно, утяжеление защиты, нецелесообразно. Увеличение содержания свинца в 8 раз (т.е. до 40 кг-м"2) повышает Ку всего в 1,3 раза. «Жёсткий» компонент не может быть существенно ослаблен носимой защитой, ограничение его воздействия может достигаться только «защитой временем».,

0 12 3 4

Поверхностная плотность, г-см-2

Рис.1 Зависимость коэффициента ослабления гамма-излучения продуктами деления от поверхностной плотности свинца в слое радиационно-защитного композиционного материала. По оси абсцисс-поверхностная плотность свинца в композиционном материале, г-см"2. По оси ординат - коэффициент ослабления гамма дозы, К7

Внешнее облучение сильно поглощаемым бета-излучением продуктов деления ослабляется на два порядка пакетами практически любых материалов с поверхностной плотностью около 1 г-см"2. Поэтому защита от сильно поглощаемого излучения не представляет проблем. Единственное дополнительное условие: в защитном материале не должно интенсивно

генерироваться тормозное рентгеновское излучение. Интенсивность такого излучения пропорциональна атомному номеру материала и квадрату энергии бета-электронов. Поэтому либо должен быть ограничен средний атомный номер композиционного материала (не более 40), либо применен пакет материалов, в котором внешние слои с малым атомным номером ослабляют электронный поток, генерирующий рентгеновское излучение. Одновременно материалы внешних слоев могут обеспечить тепловую защиту. Таким образом, в концепцию разработки СИЗ заложен принцип профилактики субтотального (до 80% поверхности тела) лучевого ожога и парциальной гетерогенной (с учетом радиорезистентности органов и тканей) защиты от проникающего излучения при условии обеспечения тепловой защиты.

Первым практическим результатом исследований стала разработка специальной защитной одежды (тип СЗО-1), предназначенной для работы в условиях сочетанного облучения смесью продуктов деления при мощностях доз по гамма- и рентгеновскому излучению до 100 бэр-ч-1, по бета-излучению - до 400 бэр-ч-1. В этих условиях она обеспечивает защиту в течение 20 мин более чем вдвое ослабляя потоки фотонного излучения с энергией до 200 кэВ и бета-излучения с энергией до 2 МэВ. СЗО-1 предохраняет от радиационного ожога, радиоактивного загрязнения кожи и инкорпорации газов и золей в организм человека. СЗО-1 прошла все виды испытаний, результаты которых позволили определить пути совершенствования изолирующего радиационно-защитного аварийного костюма, прежде всего за счёт замены текстильного радиационно-защитного композиционного материала на более технологичный и безопасный и совершенствования конструкции, а также скорректировать требования к такому виду СИЗ и методики исследований.

В третьей главе («Разработка аварийного радиационно-защитного костюма нового поколения») приводятся результаты исследований по созданию более совершенного по конструктивному исполнению и ряду показателей качества радиационно-защитного костюма (РЗК). Сформулированы требования к РЗК по защите от опасных факторов пожара и ионизирующих излучений (таблица 2).

Таблица 2

Технические требования к радиационно-защитному костюму

Наименование параметра Значение параметра

1. Время работы, мин, не более при температуре окружающей среды: от -40°С до +40°С от +40°С до +100°С от +100°С до +150°С 20 15 3

2. Устойчивость к воздействию теплового потока 5 кВт м"2, с, не менее 240

3. Устойчивость к воздействию открытого пламени, с, не менее 5

4. Коэффициент ослабления внешнего облучения Р-излучения с энергией до 2 МэВ (источник - стронций - 90), не менее 150

5. Коэффициент ослабления внешнего у-излучения с энергией 122 кэВ (источник кобальт - 57), не менее 5,5

6. Масса комплекта, кг, не более 25

7. Время надевания (с помощью ассистента), мин, не более 5

8. Время самостоятельного раздевания до момента освобождения дыхательных путей, с, не более 20

Разработана методика определения радиационно-защитных свойств специальных материалов и спецодежды в условиях воздействия повышенного радиационного облучения. Используется источник ионизирующих излучений в интервале энергии гамма-излучения от 15 кэВ до 2,0 МэВ и бета-излучения с граничной энергией спектра до 2,2 МэВ. Нефильтрованный поток излучения из источника включает в себя: гамма-излучение с энергией менее 200 кэВ (средняя энергия 70 кэВ, формируемая гамма-дозы - около 54 % от общей дозы); гамма-излучение с энергией выше 200 кэВ (средняя энергия 850 кэВ и 45% дозы), поток бета-излучения с энергией до 2,2 МэВ.

Для измерения применялся дозиметр-радиометр МКГ-01; радиометр СРП-97 или их аналоги. При проведении испытаний регистрируются: мощность двух излучений от источника Н0;

мощность дозы излучения, ослабленного материалом защиты или изделием Н;

мощность дозы фонового излучения Нф; плотность потока бета-частиц от источника Ч'р0; плотность потока бета-частиц, прошедших через материал защиты или изделие 1Рр.

При измерении мощности дозы гамма-излучения с энергией выше и ниже 200 кэВ и определении плотности потока бета-частиц выполняют требования руководства по эксплуатации дозиметра-радиометра МКГ-01. Между источником и испытываемым образцом помещают дополнительный фильтр бета-излучения из органического материала с поверхностной плотностью 0,3 г-см"2. Доза, формируемая мягкой компонентой фотонного излучения, определяется разностью результатов измерений.

Обработка результатов испытаний:

- кратность ослабления дозы бета-частиц определяют по формуле:

К=Но-Нф/Н-НФ

- кратность ослабления потока бета-частиц определяется по формуле:

К^ро/Ч'р

Теплофизические и физико-механические свойства материалов и тканей проверяются по известным стандартным методикам. При проведении исследований была скорректирована методика испытаний по показателю «истираемость» для материала изолирующего скафандра и разработаны методики проведения лабораторных камерных испытаний РЗК при различных температурах окружающей среды и методики натурных испытаний костюма в условиях специализированных полигонов.

Для защиты от ионизирующего излучения в РЗК используются пластины резиновые радиационно-защитные рулонные, изготавливаемые на основе резиновой смеси 51-1718, содержащей специальные наполнители. Для изготовления изолирующего скафандра - ткань прорезиненная Т-9, которую покрывают с обеих сторон резиновой смесью на основе сочетания бутилкаучука, этиленпропиленового (тройного) каучука и хлорсульфированного полиэтилена. Цвет покрытия- жёлтый. Коэффициент дезактивации ткани Т-9 по технической документации - не менее 2,5. В качестве теплоизоляционного и радиационно-защитного слоя (дополни-

тельная защита от бета-излучения и тормозного излучения) используется сукно шинельное с поверхностной плотностью 590-760 гм~2.

Результаты испытаний радиационно-защитных многослойных пакетов РЗК с учётом принципа парциальности и различной чувствительности органов к воздействию излучений представлены на рис.2 и рис.3.

Проведены расчёты (рис.4) тепловой защиты РЗК на основе известной теоретической модели теплообмена в системе «человек - СЗО пожарного - окружающая рабочая среда на пожаре», которая включает следующие задачи: 1. теплообмен между СЗО и окружающей средой; 2. теплообмен в многослойной конструкции СЗО в одномерной постановке; 3.теплообмен между телом человека и СЗО. Расчёты показали, что многослойный пакет РЗК обеспечивает необходимую тепловую защиту. Испытания костюма на стенде «Термоманекен» подтвердили результаты расчётов.

Пакет №1 Пакет №2

Пакет №1

)®1©1 1©1ф

0 Ткань прорезиненная

(§) Ткань плащевая смесовая

(3) Сукно шинельное

® Материал резиновый свинецсодержащий

© Ткань костюмная х/б

Наиболее защищенные места комплекта РЗК от бета-излучения

О®

®

0 Ткань прорезиненная

@ Ткань плащевая смесовая

(з) Сукно шинельное

® Материал резиновый свинецсодержащий

© Ткань костюмная х/б

Показатели защиты

Источник излучения Показатели защиты от (3-излучения

ПоНД Пакет № I Пакет № 2

8г90 150 150 801

Рис. 2 Показатели защиты и состав пакетов материалов РЗК в наиболее защищённых частях (зонах) от внешнего облучения бета-излучением с энергией 2 МэВ

Исходя из своего назначения радиационно-защитный костюм состоит из следующих конструктивных элементов: наружный изолирующий герметичный скафандр; радиационно-защитные элементы, конструктивные особенности которых зависят от их месторасположения на теле человека; теплоизоляционная подстежка; средства защиты рук, ног, головы. Все перечисленные элементы эргономически и функционально совместимы между собой. В конструкции радиационно-защитного комбинезона используется система стяжек и перекрывных элементов для исключения зазоров между конструктивными деталями. Чтобы сохранить приемлемые эргономические характеристики костюма радиационно-защитный комбинезон разбили на отдельные элементы

Состав пакета для наиболее защищенных мест

I_* 1-

Ткань

костюмная х/б

Материал резиновый сви нецсод ержаший

Сукно шинельное

Ткань плащевая смесовая

Ткань прорезиненная

2. Зона грудной клетки

3. Зона таза

4. Зона гонад

Показатели защиты

Источник излучения Показатели защиты от у-излучения

По нд Зона щитовидной железы Зона грудной клетки Зона таза Зона гонад

Со57 5,5 5,8 5,8 5,9 5,9

Рис. 3 Показатели защиты и состав пакета материалов РЗК в наиболее защищенных частях (зонах) от внешнего облучения гамма-излучением с энергией 122кэВ

Наиболее защищённые места комплекта РЗК от гамма-излучения

1. Зона щитовидной железы

Рис. 4 Расчётное время достижения предельно допустимой температуры

(50°С) в подкостюмном пространстве РЗК при различных значениях плотности падающего теплового потока

РЗК изготавливается одного размера - роста. Внутренняя оснастка костюма обеспечивает регулировку по размерам и ростам в диапазонах, соответствующих антропометрическим измерениям человека. РЗК используется с дыхательным аппаратом со сжатым воздухом. При этом внутри изолирующего скафандра поддерживается постоянное избыточное давление.

В четвёртой главе («Результаты испытаний аварийного радиационно-защитного изолирующего костюма») приводятся результаты лабораторных, камерных (в том числе на стенде «Термоманекен»), полигонных и натурных

испытаний РЗК. При испытаниях проверялись оперативно-тактические, теплозащитные, эргономические и физиолого-гигиенические показатели костюма. По результатам испытаний составлена эксплуатационная и ремонтная документация на костюм.

Испытания на герметичность РЗК в динамических условиях проводились в камере для исследования защитных свойств изолирующих СИЗ. В герметичную камеру объёмом 6000 литров с температурой +22°С, относительной влажностью 30% подавался газообразный аммиак (диффузант) до достижения концентрации в камере 110 мгт'1, что соответствует диапазону концентраций 8,6-860 мгт'1 для первого уровня защиты комплексов СИЗ по ГОСТ Р 22.9.05-95. Испытатель, экипированный в РЗК находился в камере нормативное время, соответствующее температуре окружающей газовоздушной среды- не менее 20 мин и выполнял физические упражнения, соответствующие нагрузке средней тяжести. Для определения герметичности РЗК по проникновению диффузанта, на тело испытателя надевался хлопчатобумажный комбинезон, обработанный индикаторным составом, изменяющим окраску в присутствии аммиака. По изменению окраски с желтого цвета до малинового качественно определялось наличие аммиака в подкостюмном пространстве. За всё время испытаний наличия аммиака в подкостюмном пространстве обнаружено не было.

Эргономические и физиолого-гигиенические параметры РЗК при различных температурах (от минус 40°С до 150°С) проводились в климатической камере. Испытатель выполнял упражнения с дозированной физической нагрузкой (переноска грузов, подъем на помост (степ-тест) в фиксированное время. За время проведения испытаний осуществлялся медицинский контроль за самочувствием испытателей. Результаты испытаний показали, что физиолого-гигиенические параметры организма испытателей не выходили за допустимые пределы. Например, частота пульса к концу испытаний не превышала 150-170 уд-мин-1, ректальная температура не превышала 38°С.

Результаты испытаний РЗК на стенде «Термоманекен» при плотности падающего теплового потока 5 кВт-м"2 приведены в таблице 3. За всё время испытаний температура подкостюмного пространства не превысила предельной величины - 50°С.

Таблица 3

Значения температуры подкостюмного пространства РЗК в 11 точках,

принятых для определения средневзвешенной температуры тела человека

Время, с Температура подкостюмного пространства (показания датчиков), °С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И

30 41,4 30,1 27,7 27,5 26,6 27,0 27,2 30,6 25,8 - 36,5

60 41,8 29,9 27,5 27,8 26,7 27,6 27,2 31,0 25,6 - 37,8

90 43,1 30,1 27,9 27,8 26,8 28,3 27,1 31,5 26,9 - 37,2

120 43,4 29,8 27,7 28,0 26,7 29,9 27,5 32,8 25,7 - 37,6

150 43,2 29,9 27,6 28,3 26,8 31,7 27,3 33,5 25,5 - 37,0

180 44,2 29,8 27,8 30,1 26,7 34,4 27,8 35,4 25,3 - 36,9

210 44,8 28,7 27,9 31,0 27,0 36,2 29,2 39,0 25,4 - 37,5

240 49,0 29,9 27,8 34,2 27,8 38,6 31,7 45,3 26,1 26,5 37,2

270 49,3 30,0 28,1 39,3 33,2 39,1 34,8 57,0 26,4 27,5 36,7

300 50,0 29,9 28,8 49,5 35,2 40,8 41,5 49,8 26,3 28,5 37,0

330 49,5 29,0 28,6 48,8 34,6 40,0 40,2 47,3 25,7 27,5 36,9

360 48,0 28,8 24,7 46,0 32,0 39,2 39,0 44,5 24,8 26,0 34,2

390 44,5 24,6 24,6 44,5 30,3 37,6 38,0 43,8 24,0 25,4 34,0

Натурные испытания проводились на специализированном полигоне пожарного отряда по охране Нововоронежской АЭС, а также в машинном зале 1-го энергоблока. Проводились учения в соответствии с планами тушения пожара и ликвидации ЧС. По результатам учений принято решение передать комплекты РЗК на эксплуатационные испытания. Эксплуатационные испытания подтвердили показатели надёжности, заложенные при разработке РЗК.

Результаты испытаний позволили разработать рекомендации по применению РЗК в различных условиях. В частности, в них отражены вопросы техники безопасности, тактические приёмы применения РЗК при работе звена ГДЗС, особенности использования костюма при отрицательных температурах, некоторые вопросы нормирования труда при повышенных тепловых воздействиях, использование РЗК с другими средствами индивидуальной защиты. Рекомендации тесно увязаны с основными нормативными документами ГПС МЧС России. Рекомендации явились основой для разработки эксплуатационной и ремонтной документации.

В настоящее время аварийный радиационно-защитный изолирующий костюм принят приказом МЧС России на снабжение пожарно-спасательных формирований.

ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ проблем, связанных с тушением пожаров и ликвидацией аварий на радиационно-опасных объектах и задач, решаемых в этой связи подразделениями пожарной охраны. Рассмотрены воздействующие на человека опасные факторы, возникающие в этих условиях. Сделан вывод, что специфика тушения таких пожаров характеризуется необходимостью привлечения большого количества сил и средств, длительностью работ и невозможностью в определённых условиях при воздействии ионизирующих излучений обеспечить безопасность только «защитой временем».

2. Наиболее существенный вклад в сочетанное облучение человека при авариях на радиационно-опасных объектах вносит внешнее облучение проникающими фотонными компонентами радиационных полей - гамма и рентгеновским излучением, вызывающим поражение кроветворных органов (костно-мозговую травму). Это излучение можно условно разделить на «жёсткое» и «мягкое» в зависимости от энергии фотонов и соответственно проникновения в биоткань. При этом в целом по интенсивности «мягкий» компонент всей совокупности фотонных излучений, сопровождающих распад продуктов деления, составляет не менее 49%. Сделан вывод, что поскольку значительная часть дозы проникающего излучения определяется «мягким» компонентом, который существенно влияет на формирование радиационных травм, то принципиально возможно создать носимую защиту в виде изолирующего костюма, использование которого, кроме «защиты временем» может понизить тяжесть поражения от непрогнозируемого облучения.

Проанализировано взаимоотягощающее влияние термического поражения, обусловленного тепловыми факторами пожара и лучевого (от бета-излучения) ожога и костно-мозговой травмы.

3. Приведён расчёт коэффициента ослабления гамма-излучения смеси продуктов деления с учётом поверхностной плотности защитного

материала, вклада «мягкого» и «жёсткого» компонентов гамма-излучения и массовых коэффициентов их ослабления материалом защиты. С учётом результатов измерений, выполненных в зоне радиоактивного загрязнения на Чернобыльской АЭС в 1987г. определено, что при поверхностных плотностях свинца в защитном материале 0,5-0,6 гсм-2 происходит интенсивное поглощение «мягкого» компонента проникающего излучения, что позволяет ослабить воздействие внешнего проникающего облучения в 1,5-2 раза, снижая степень поражения на единицу. Дальнейшее увеличение поверхностной плотности свинца и утяжеление носимой защиты не целесообразно. Ограничение воздействия «жёсткого» компонента может достигаться только «защитой временем». Кроме того, в защитных материалах при поглощении бета-излучения не должно интенсивно генерироваться тормозное рентгеновское излучение.

4. Для практической реализации изложенного, сформулирован принцип парциальной радиационной индивидуальной защиты, которая должна:

- предотвращать местную лучевую травму от внешнего бета- и «мягкого» фотонного излучений;

исключать загрязнение поверхности тела радиоактивными нуклидами;

- защищать дыхательные пути и пищеварительный тракт от радиоактивных газов и золей;

- поглощать часть потока проникающих («мягкого» гамма- и рентгеновского) излучений, понижая формируемую ими дозу (в 2 -6 раз в интервале энергий фотонов 200 - 100 кэВ);

- предотвращать взаимоотягощающее влияние костно-мозгового поражения и местной лучевой травмы, понижая тем самым тяжесть острого или пролонгированного радиационного поражения.

При этом распределение парциальной гетерогенной защиты по телу должно учитывать радиорезистентность различных органов и тканей.

На основании этого определены требования, которым должны удовлетворять материалы и конструкция радиационно-защитной одежды.

5. Разработан, внедрён в производство и эксплуатацию комплект радиационно-защитной одежды (тип СЗО-1), защищающий от сочетанного

облучения смеси продуктов деления и от повышенных тепловых воздействий. На основе анализа результатов его комплексных испытаний создан более совершенный по конструкции радиационно-защитный костюм (РЗК), в котором вместо одного композиционного текстильного материала, используется многослойный пакет разнородных материалов с различными заранее заданными свойствами, что позволило более дифференцированно подойти к проблеме защиты и улучшить оперативно-тактические, теплозащитные, эргономические и физиолого-гигиенические характеристики изделия.

Конструкция РЗК помимо основной радиационной защиты обеспечивает: 1. достаточную степень тепловой защиты, 2. использование автономной системы жизнеобеспечения, 3. совместимость с другими СИЗ пожарных, в том числе со всеми типами дыхательных аппаратов со сжатым воздухом, 4. поддержание постоянного избыточного давления в подкостюмном пространстве, 5. перекрытие защитных слоев в конструктивных элементах при всех положениях тела человека, 6. заменяемость при необходимости комплектующих изделий.

6. Разработаны новые и адаптированы под проводимые исследования различные методики испытаний. Проведён комплекс теоретических и экспериментальных исследований РЗК по всем показателям, определяющим качество изделия. Получены следующие показатели защиты от ионизирующих излучений пакета материалов в наиболее защищённых областях тела:

коэффициент ослабления внешнего облучения р- излучением с энергией до 2 МэВ (источник S„90), не менее 150;

коэффициент ослабления внешнего облучения у- излучением энергией 122 кэВ (источник С057), не менее 5,5.

На основе известной теоретической модели теплообмена в системе «человек- специальная защитная одежда- окружающая рабочая среда на пожаре» проведены численные исследования поведения многослойного пакета РЗК при различных тепловых воздействиях. На испытательном стенде «Термоманекен» проведены полномасштабные огневые испытания костюма, подтвердившие адекватность результатов теоретических расчётов.

Испытания с участием испытателей добровольцев из числа практических работников пожарной охраны показали приемлемые оперативно-тактические, эргономические и физиолого-гигиенические показатели РЗК.

7. Составлены нормативные документы на производство радиационно-защитного костюма, его применения при тушении пожаров и ликвидации аварий на радиационно-опасных объектах, а также обучающие методики по его использованию в различных условиях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бенецкий Б.А., Верзилин М.М., Филатов В.Н. «О возможности реализации аварийной противорадиационной индивидуальной защиты» Материалы I конференции «Радиационные поражения и перспективы развития средств индивидуальной защиты от ионизирующих излучений» Киев, 1989 г.

2. Верзилин М.М., Воробьев А.О., Амельчугов С.П. «Применение математических методов для разработки нормативных документов» Материалы XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» М.: 2001 г., 4.1, с. 285-286

3. Верзилин М.М. «Состояние и перспективы развития индустрии пожарно-технической продукции» Средства спасения и противопожарной защиты М.: 2003г. с.60-63

4. Бенецкий Б.А., Верзилин М.М., Логинов В.И. «Радиационно-защитная одежда пожарных» в журнале «Пожарная безопасность» № 6 за 2003 г. с 65-69.

5. Филатов В.Н., Перцовский Г.А., Верзилин М.М. и др. Свидетельство № 4893 на полезную модель «Тепло- и радиационнозащитная одежда», зарегистрирована в Гос. реестре полезных моделей 16 сентября 1997г.

6. Филатов В.Н., Перцовский Г.А., Верзилин М.М. и др. Свидетельство № 4233 на полезную модель «Одежда защитная», зарегистрирована в Гос. реестре полезных моделей 16 июня 1997г.

7. Филатов В.Н., Перцовский Г.А., Верзилин М.М., и др. «Одежда защитная» Патент № 42617 на промышленный образец. Приоритет 2 июня 1995г.

8. Верзилин М.М. «Разработка и обоснование технических требований к защитным материалам, многослойным пакетам и конструктивному исполнению радиационно-защитного аварийного изолирующего костюма». Журнал «Пожарная безопасность» № 1-2005г., 101-105с.

9. Верзилин М.М., Логинов В.И. «Технические требования к радиационно-защитному аварийному изолирующему костюму для пожарных». Тезисы докладов на международном симпозиуме «Комплексная безопасность России- исследования, управление, опыт» М.: ВНИИПО, 2004г., 23-24с.

10. Верзилин М.М., Логинов В.И. «Разработка аварийного радиационно-защитного костюма». Материалы конференции «Технические и организационно-правовые проблемы обеспечения пожарной безопасности» М.: ВНИИПО, 2005г.

11. Верзилин М.М. «Пожаротушение и спасение в современных условиях». Материалы XXI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» М.: ВНИИПО, 2009г.

Подписано в печать 20.01.2010 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная усл. печ.л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,43. Т-100 экз. Заказ № В

Типография ВНИИПО МЧС России 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12.