автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Строительные решения радиационной защиты в зданиях ускорителей заряженных частиц

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

- 5 ДЬК

На правах рукописи УДК 621.039.538

ГЕТМАНОВ Валентин Борисович

СТРОИТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИПЫ В ЗДАНИЯХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в Московском Государственном Строительном Университете на кафедре «Строительство ядерных установок».

Официальные оппоненты: Профессор, доктор технических наук Цивилев М. П.

Профессор, доктор технических наук Вьюков А. Н.

Профессор, доктор физико-математических наук Климанов В. А.

Ведущая организация — Государственный институт по проектированию научно-исследовательских институтов Российской Академии Наук (ГИПРОН^И Российской АН).

Защита состоится « 1994 года в « 1С,

часов на заседании диссертационного Совета Д 053.11.01. при Московском Государственном Строительном Университете по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, дом 8, аудитория .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Строительного Университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, Ученый Совет.

Автореферат разослан « /. . » ^ЩМШ г.

/.»/мяш^т4 1

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

А. К. Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Строительство ускорителей заряженных частиц-одно из самых молодых направлений строительной отрасли нашей страны.Специфические требования по созданию специальных строительных конструкций,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 медицине.Темпы ввода в строй новых ускорителей в мире достаточно высоки-более сотни в 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 зюкдятся 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.Уровем» развития физики высоких энергий,по признанию лидеров мировой науки,характеризует интеллектуальный потенциал общества.Осношшм экспериментальным инструментом н этой области науки являются ускорители заряженных чаетнц.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 помещениях,позже в небольших зданиях,- ускорители заряженных частиц превратились в мощные энергетические комплексы размещающиеся теперь на сотнях и тысячах гектаров.

При работе таких ускорителей возникает сысскозиергешческое

излучение не имеющее аналогов в земных условиях к 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 к, 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-сгроптельтом проектировании, неопределенностышЕ 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 причиной того, что реальные защитные конструкции в некоторых- случаях быт выполнена с необоснованными запасами и большим перерасходом материальных ресурсов, а другие зачастую, не обеспечивали необходимую 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, здашм которых представляют собой уникальные строительные объекты, задача создапкя надежной и экономичной радиационной защиты выросла в важную народохозяйсгвен цую экономическую и социальную проблему-проблему экслшмкп матер: 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-экономический 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-

-

лучений откосятся к семейств/ зданий к сооружений ядерных установок, однако в саду специфики ускорителя значительно, а иногда и принципиально, отличаются от зданий и сооружений других ядерных установок. Возникла практическая необходимость в решении ряда стровдельных проблем с учетом специфики ускорителей. Сформировалась повая область исследований в научном направлении-строительстве ядерных установок, которую можно назвать "Радиациоило-строи-телыще проблемы защиты на ускорителях заряженных частиц". Эта область исследований ограничивается кругом лишь тех строительных вопросов, которые решаются непосредственно во взаимосвязи с вопросами радиатютюН безопасности, радиационной физики, техники и ' технолога« 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 и с планами научно-исследовательских работ МИСИ имени В.В.Куйбышева, Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в г. Протвино, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯЙ) й г.Дубна и других организаций, автор являлся научным руководителем работ по зтой тематике от 1ШС11 имени В.В.Куйбышева.

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

Для достижения этой цели необходимо решепие следующих задач:

1. Разработать основные положений и методологи» учета специфики ускорительной техники и технологии в архитектурно-строительном проектнроташш иа основе комплексного вяалнзл проектных реше-:шй, опыта эксплуатации ускорителей я по результатам строительно-технологических я рлдиацношю-фнзнческлх исследований.

2. Исследовать защитные свойства строительных материалов и конструкций с целыо получения ыедостаюв^ей информации по функциональной зависимости защитных свойств от состава материала и спектра излучений источника для обоснованного выбора материалсо радиационной защиты при проектировании зданий и защиты ускорителей.

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

4. Разработать и предложить для внедрения рациональные конструктивные н 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 свободных площадей..

6. Разработать методик у определения технико-экономического эффекта от наиболее рациональных строительных решений радиационной защиты и зданий ускорителе!! на высокие энергии с учетом специфики ускорительной техники н технологом.

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 энергий,

- результатах полномасштабных и макетных экспериментов до изучению защитных свойств материалов к радиационной обстановки на действую пцос ускорителях,

- методике приведенных аатрат но выявлению эффективных строительных решений ц рекомендациях МКРЗ по оптимизация радиационной защиты,

- принципах системного подхода дня анализа проектной ситуации

н методе синтеза факторов определяющих рацпонлальпос строительное решение.

Научная вовдзяа работы заключается в том, что а .чей впервые:

- рззргботони иауедше осаог.ы и методология учета полого в строительной практике нескаового воздействия - излучений высоких энергий при строительном проектировании конструкций рпдпацношюй защиты а зданаях ускорителе»,

- разработаны новые состазм защитных материалов и исследованы их защитные характеристики » полях пизхоэксргетнчсскогс расседашо-го излучения, рыямены зависимости защитных свойств строительных материалов от их химического состава и спектра источников излучения,

- а новом энергетическом диапазоне до 70 ГэВ изучены функции

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

- разработаны критерии, позволяющие проектировать защитные конструкции во взаимосвязи с объемно-планировочными решениями зданий и сооружений,

- 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 конструктивные решения защити и зданий ускорителей, позволяющие минимизировать затраты и облучаемость 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 и 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 ц 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 массииных защит - комплекса программ MARS. Банк рациональных строительных решений позволяет на ранней стадии проектирования проработать большое количество вариантов с целью поиска рационального строительного решения не только по экономическим, но так же по социальным и эхоло-

гичсским аспектам .

Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 2 и 3 Всесоюзных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок в г. Москве (МИФИ) и г. Тбилиси (ТГУ) в 1978 и 1981 году соответственно, на ЛИ, IX, X, XI, ХП иХШ Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в период с 1982 по 1992 годы, на Международном симпозиуме по физическим вопросам радиационной безопасности в г. Дрездене в 1984 году, на семинарах подсекции " Работа в условиях высокого облучения" Научного Совета ЛП СССР, на научных семи пар? х в Институте физики высоких энергий, на научных конференциях в МИСИ км. 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 инженерных 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 защип, У-70 ИФВЭ, проектировании мезошюй фабрики ЛИ России и других 061 ектов.

ИI защиту выносятся:

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

- результаты расчетно-экспериментадьных исследований защитных свойств строительных материалов и их взаимосвязь с химическим составом материала и спектром источника излучения,

- рекомендации по применению новых защитных материалов и защитных строительных конструкций, снижающих материалоемкость,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 н в Отделе радиационных исследований Института физики высоких энергий ( ИФВЭ ) г. Серпухов,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из следующих разделов:

Введение.

Глава 1 .Радиационно-строительные аспекты создания и эксплуатации зданий и защиты ускорителей.

Глава 2.Методология и функциональные основы оптимизации защитных конструкций на ускорителях.

Глава 3.Методы расчета радиационной защиты и программа PACS-90.

Глава "».Материалы радиационной защиты.

Глава 5.Экспериментальные исследования защитных свойств строительных материалов и конструкций.

Глава б.Строительные конструкции радиационной защиты и зданий ускорителей.

Общие результаты и выводы.

Заключение.

Список использованной литературы 137 наименований.

Приложения.

Объем диссертации составляет,?^ страниц основного текста с

рисунками и графиками, таблицами и«?4 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Основными недостатками строительной отрасли в нашей стране являются: - высокая трудоемкость работ,большая материалоемкость, низкая эффективность использования капитальных вложений взиду больших сроков строительства и, неэффективного использования существующих объемов и площадей на действующих промышленных объек-тах.По данным различных источников от 20 до 40% строительных объемов на действующих промышленных объектах не используются вовсе.

Все эти недостатки свойственны и объектам ускорительных комплексов. Положение усугубляется еще и тем, что строительные объекты ускорителей, как правило, не типовые сооружения и нерациональные строительные решения не являются очевидными и могут тиражироваться при проектировании зданий и защиты ускорителея новых поколешш.

В процессе ускорения не удается полностью исключить потери частиц. Вышедшие из процесса ускорения частицы, взаимодействуя с технологическим оборудованием, магнитной оптикой п строительными конструкциями рождают мощные потоки так называемых вторичных ■ частиц, которые представляют опасность не только для организма человека, но, в отдельных случаях, и для окружающей среды. Потоки вторичных частиц и определяют необходимость сооружения больших объемов строительных конструкций радиационной защиты на ускорителях.

Коренная проблема при поисках экономичных и технологичных строительных решений радиационной защиты заключается в отсутствии, как правило, априорной информации о дифференциальных распределениях плотности потерь пучка, являющихся исходной информацией для расчета радиационной защиты. Эти обстоятельства и определили необходимость нового подхода к. проектированию л возведению строительных коаструкций радиационной защиты в условиях большой неопределенности исходных дашшх об источнике излучений.

На современных мощных ускорителях возникают и новые как радиационные, так и экологические проблемы. Так образование интенсивного мюонного излучения, требующего толщины защиты из груша до нескольких километров, з ряде случаев является определяющим фактором не только компоновки конструкций радиационной защиты, но к объсмно-просгранственных решений по размещению зданий и сооружений ускорительного комплекса на местности.

Излучения высокой энергии и интенсивности, выходящие за пределы зданий ускорителей и поглощаемые и естественных ¡¡ли искусственных грунтовых массивах, вызывают активацию грунта и грунтовых вод вблизи подземных сооружений ускорителей и, в случае миграции грунтовых вод возникает опасность превышения предельно допустимых концентраций радиоактивных изотопов о местах забора грунтовых вод для использования населением.

Специфика раднацнонпо-строительных проблем на усхорителях зараженных частиц определяется как спецификой источника излучеи.ш, так и условиями работы в обслуживания ускорителей, таких как:

I-периодичность работы ускорителя в течение года, 2-болыпая протяженность источника излучений, 3-неопределенность объема и круга задач экспериментальных исследований, 4-опасность активизации грунтовых вод, 5-наличие мощных мюонных факелов, б-необходимость планового, периодического доступа персонала к оборудованию ускорителя. 7-На ускорителях фактор радиационной опасности возникает только при включении электрического питания и практически исключается сразу после отключения электропитания. Эти отличия представляются принципиальными для отнесения ускорителей к классу электрофизических ядерных установок, в разработанной нами классификации Ядерных установок.

Трудно и, поводимому, «е целесообразно пытаться разработать алгоритм оптимизации радиационной защиты на ускорителях, учитывающий все возможные аспекты и факторы. В этих условиях нам показалось правильным из общей проблемы - оптимизации радиационной защиты выделить вопросы направленные на разработку рациональных строительных решений зданий и радиационной защиты ускорителей. Под рациональным строительным решением условимся понимать решение, максимально удовлетворяющее технологическим требованиям с учетом возможной реконструкции ускорителя при минимальных затратах на сооружение и эксплуатацию зданий и защиты.

В такой постановке комплексные исследования применительно к высокоэнергетическим ускорителям ( с энергией пучка более 10 ГэВ ) не проводились, имеются лишь отдельные работы Л.Н.Зайцева, В.В. Малькова, О.А.Улитина, А.Я.Яковлева, А.С.Зиненко и др. посвященные частным вопросам эффективности строительных решений радиационной защити в зданиях ускорителей с энергией пучка до 700 МэВ. Новый энергетический уровень ускорителя ИФВЭ на энергию 70 ГэВ, почти на порядок превышающий энергию отечественного ускорителя н более чем в два раза лучше зарубежного, определил и новое поле исследовательской деятельности по изучению защитных свойств материалов и конструкций н новом энергетичесхом диапазоне.

Большое и псе увеличивающееся количество ускорителей заряженных частиц, увеличивающиеся объемы строительных конструкций радиационной защиты на них, привели к тому, что акцент проблемы сместился нз области " как сделать защиту?" в область " как сделать наиболее экономичную и технологичную защиту?".

Радиационная защита - это комплекс мер, с помощью которых путем конструктивных, включая материаловедческие, и организационных

решений необходимо обеспечить заданные (, в пределах регламентированных Нормами радиационной безопасности - НРБ-76/87 и Основными санитарными правилами - ОСП-72/87) и экономически обоснованные уровни радиационного воздействия на персонал, население и окружающую среду.

При проектировании защиты на ускорителях мы имеем дело с тремя принципиальными видами защитных конструкций: 1-Защитные экраны, окружающие оборудование ускорителя в туннелях и трактах транспортировки пучков ( верхняя или боковая защита ).2 -Защитные массивы (поглотители, ловушки пучков). З-Транспортио-коммувихациошше туннели и шахты. С точки зрения специфики строительных решений зданий и радиационной защиты на ускорителях мокко выделить две характерные области:

1. Регулярная часть ускорителя - ускорительные тракты, тракты транспортировки, накопители частиц и др., размещаемые в туннелях.

2. Экспериментальные зоны с экспериментальным оборудованием и пучками вторичных частиц, размещаемые, как правило, о просторных зданиях экспериментальных залов.

Даже одинаковые по назначению защитные конструкции в этих двух областях могут иметь принципиально различные строительные решения как по используемым материалам, так в по конструктивному решению. Полное, исчерпывающее, опншше задатвой конструкция может быть дано по четырем признакам для каждого из двух возможных шз-качедкй защитного эхреиа- (биологической ила техналогачесхой защита).

1. Но расположению отноеишаш асгочнжа;

2. По функциям, возлагаемым та защиту,

3. По геометрическому решению;

4. По конструктивному решению.

Единая классификация, приведенная в работ®, дозволяет более еолно реализовать фунхции защиты, вайто эхопомачате строятелиюе решение, установить рациональную компоисзочную взаимосвязь защитных конструкций со зданием ускорителв а также моаат служить основой для разработки программ системы автоматталравшшого вроахтаро» вания конструкций радиационной защиты.

Туннель ускорителя является одним из специфических обьектоа ускорителей на высокие энергии. Основным отличием этого сооружен»» от туннелей другого назначена, например метростраеасхах, холагг торных, дрснахкых и друшх, является наличие радиационной защиты.

принципиальным образом алкающей как на конструктивное решения туннеля, так и на способы производства работ при его сооружении.

Экспериментальные зоны ускорителей на сверхвысокие энергии представляют собой взаимосвязанную систему специальных зданий и инженерных сооружений, включающих большие объемы стационарной и сборно-разборной защиты. Одной из специфических особенностей экспериментальных зон ускорителей валяется необходимость сооружения больших экспериментальных залов для формирования пучков вторичных частиц и размещения экспериментальных установок.

Оптимизация радиационной защиты на ядерных установках в общем случае реализуется с использованием рекомендаций Международной комиссии по радиационной защите на основе анализа соотношения "затраты - выгода". Суть метода достаточно проста: - данное средство защиты выбирается при условии, если чистая выгода или польза от него превосходит пользу от других сопоставляемых вариантов. Чистая польза определяется соотношением:

В»У-(Р*Х*У) . ( 1 )

где В - чистая польза от данного вида деятельности; V"- полная польза;Р - расходы на производство,исключая расходы на радиационную защиту;)£'«>}- расходы на достижение выбранного уровня радиационной безопасности,включая радиационную защиту гР{(ы)- ущерб, связанный с этим уровнем радиационной безопасности, £0 - толщина защиты. Таким образом результаты наших исследований вносят иовые знания о определение составляющей -X в формуле ( 1 ).

Критериями эффективности строительных решений радиационной защиты, в зависимости от задач оптимизации могут служить: 1 - Минимизации толщины (габаритов) зашиты - путем применения наиболее эффективных защитных материалов, 2 - Минимизация затрат на строительные конструкции радиационной защиты; - путем применения наиболее дешевых строительных материалов.

Очевидно, что как в первом, так и во втором случае необходимо хорошее знание защитных свойств применяемых в конструкция» радиационной защиты материалов.

Для исключения составляющей при оптимизации строительных решений радиационной защиты критерием сопоставимости вариантов принимается их одинаковая защитная эффективность

Стремление к наиболее экономичному рашзшяо ка стадам вогого строительства без учета специфики ускорителей приводят к большим издержкам в эксплуатационной период. Известно, что все действующие

ускорители в эксплуатационный период претерпели модернизацию, часто многократную, с выполнением дорогостоящих работ по реконструкции защиты. Очевидно, что на вновь проектируемом ускорителе нецелесообразно выполнять защиту с запасом на все возможные случаи. Однако строительные решения должны предусматривать возможность беспрепятственного увеличения защиты при реконструкции.

Многочисленные расчеты по анализу эффективности строительных решений радиационной защиты на различных ускорителях показали, что рациональным является дифференцированный подход к созданию защитных конструкций туннелей ускорителей. Дифференцированный подход заключается в том, что к моменту ввода ускорителя в эксплуатацию защита должна обеспечивать необходимые радиационные условия на период физического пуска и обкатки до 60-70% проектных параметров пучка. После изучения реальных потерь на ускорителе и радиационной обстановки в помещениях и на территории, защитные конструкции доводятся до размеров реально необходимых при проектных параметрах яучка.Очевидно, что такой подход применим только к таким конструкциям, к которым в эксплуатационный период есть свободный доступ.

Экономическая эффективность строительных решений зданий и радиационной защиты при проектировании нового ускорителя может рассчитываться по формуле: п Д.

Э = Д0 - [Я, ] (2>

где: Э - экономический эффект,

Л0- приведенные затраты на 100%- ный вариант (с

учетом всех возможных запасов ), П.,- приведенные затраты на начало эксплуатации, Лзатраты, планируемые на год эксплуатации,

с(, - коэффициент приведения (для строительной отрасли - 0,08).

Кроме количественных критериев рациональности конструкций радиационной защиты таких как стоимость, габариты, вес могут применяться в качественные критерии эффективности строительных решении радиационной защиты, которые могут быть сформулированы в виде постулатов, аксиом.Такимп критериями можно считать следующие утверждения:

-конструкции защиты должны размещаться возможно более близко к источнику излучений;

-демонтаж конструкций сборно-разборной защиты на любом этапе

эксплуатации не должен быть трудоемким;

- конструкции защиты должны обеспечивать возможность простого увеличения хратносги ослабления путем замены материала на более эффективный или увеличением толщины защиты из того же материала;

-конструкции верхней защиты туннелей на начальном этапе следует выполнять.в расчете на 60-70% проектных параметров пучков с последующим доведением до необходимых размеров.

Строительные материалы конструкций радиационной защиты на ускорителях наряду с выполнением традиционных функций, обеспечивающих прочностные характеристики конструкций или функции ограждающих конструкций должны наиболее эффективным образом ослаблять мощные потоки ионизирующих излучений. Как отмечалось выше при работе ускорителя формируются поля самых разнообразных видов излучений от первичных протонов и мезонов и, даже потоки нейтрино в энергетическом диапазоне от тераэлехтронвольтной области до нескольких электроивольт и тепловых нейтронов в наружных слоях защиты и в полях излучений за пределами защиты.

Известно, что эффективность взаимодействия излучений с веществом зависит как от вида и энергии излучения так и от химического состава самого строительного материала. Для эффективного ослабления высокоэнергетических излучений - потоков адронов (жесткий спектр) на ускорителях используются материалы содержащие атомы тяжелых элементов таких как^ РЙ и др, что и определило задачу разработки технологических составов тяжелых, особотяжелых и сверхтяжелых бетонов с использованием этих элементов и экспериментальное определение защитных параметров эти к материалов от излучений с энергией до 70 ГзВ.

В полях рассеянного излучения со средней энергией частиц < 1 МэВ (мягкий спектр) н в наружных слоях защитных массивов наиболее эффективными являются защитные материалы с повышенным содержанием легких элементов таких как водород, а в полях с преимущественно . тепловыми нейтронами многократно улучшает защитные характеристики материала даже небольшое содержание такого элемента, как бор. Это обстоятельство определило актуальность разработки технологических составов бетонов и других материалов с повышенным содержанием водорода и бора и экспериментального определения защитных параметров этих материалов в характерных полях излучений на ускорителе ИФВЭ с энергией до 70 ГзВ.

Для конкретных целей расчетно-теоретического и экспсримен-

тального изучения защитных характеристик строительных материалов от излучений ускорителей на высокие энергии с учетом вышеизложенного, нами разработаны технологические составы и изготовлены опытные и опытно-промышленные партии блоков и плит из бетонов с повышенной плотностью для использования в условиях " жесткого" спектра а также блоков и плит иа бетона и резины с повышенным содержанием водорода и бора для использования в защите от излучений "мягкого" спектра. ( см. табл. 1 )

Таблица 1.

Технологические составы некоторых специальных защитных материалов.

0 -бет.смеси

Наименование и состав материала у кг./мЗ

р- бетона или реззона кг/мЗ

1. Бетон на шлаке ферробора(РеВ).РеВ-1540. Ц-580.В-250 2370/2236

2. Бетон на шлаке ферробора с резиновой крош-кой,РеВ-Ш0,рез.крошка-85,Ц">580,В-270 2059/1901

3. Бетон на окалине, окалина-2750, Ц-520, В-230. 3500/3374

4. Бетон иа стальном скрапе со стальной дробью,скрап-3850,дробь-Г930,Ц-2901В-230 6300/6128

5. Бетон на окалине и свинцовой дроби, окалина-500,дробь св.-б600,Ц-435,В-165. 7770/7622

6. Реззон чистый.резиновая крошка-1200. 1200

7. Реззон с окалиной прокатной,рез.крошка-1100, окалина-600. 1700

8. Реззон со шлахом ферробора,рез.крошка-970, РеВ-530. ' 1500

9. Реззон с окалиной прокатной и шлаком ферро-бора,рез.крошка-1080,окалина~198,РеВ-392. 1670

РеВ - шлак ферробора, Ц - цемент, В - вода. Для изготовления сверхтяжелого бетона с плотностью 7,6 г/смЗ в качестве заполнителей использовалась свинцовая дробь и окалина прокатная. Главным критерием при разработке технологи

ческого состава тахого бетона являлось обеспечение максимальной плотности при достаточно высоких прочностных показателях бетонных образцов. Получены бетонные образцы с плотностью 7,7+0,7 г/смЗ с прочностью на сжатие 15,8± 1,0 МПа.

Для экспериментального и расчетно-теоретического определения защитных свойств бетонов с плотностью 3,4 т-3,6 г/смЗ изготовленных с использованием окалины прокатной нами разработана технология приготовления и транспортировки бетонной смеси на окалине прокатной, изготовлены опытные и опытно-промышленные партии блоков и плит, произведена апробация изготовления таких бетонов на технической базе существующих бетонных заводов.

Специально для наших экспериментов на кафедре ПГС Липецкого политехнического института были изготовлены блоки из борированного бетона в котором в качестве боросодержащей добавки использовался шлак ферробора являющийся отходом металлургического производства.

Известно, что одним из способов повышения водородосодержания в бетоне является введение в бетонную смесь гранулированного полиэтилена. По аналогии с введением в состав бетона полиэтилена нами рассмотрены варианты увеличения водородосодержания в бетоне путем »ведения в состав бетонной смеси резиновой крошки в виде -отходов резиновой и шинной промышленности, химический состав которой близок к составу полиэтилена. Методом последовательного приближения был подобран технологический состав бетона с использованием в качестве заполнителей щлака ферробора и резиновой крошки удовлетворяющий требованиям как по водородосодержанию 20 кг/мЗ водорода, так и по прочностным характеристикам К ~ 20 МПа.

Как альтернативу полиэтилену в защитных конструкциях ускорителей мы рассматриваем плиты из регенерированной резины, так как деловая резина является не менее дорогим и дефицитным материалом, чем полиэтилен. Технология изготовления изделий из измельченной резины позволяет без принципиальных усложнений вводить в состав материалов некоторое количество сыпучих инертных наполнителей. На основании изложенного нами разработаны технологические составы новых защитных материалов на базе регенерированной резины, которые мы назвали - "Рсззон" - резиновая защита от нейтронов.

За основу был принят технологический процесс по изготовлению резиновых дорожных плит "рездор" на Чеховском регенератном заводе (ЧРЗ). В результате разработаны технологические составы следующих материалов: -"Реззом" чистый, без добавок; 2- "Реззон" с добавками

охалины прокатной; 3- "Реззон" с добавками шлака ферробора; 4-"Реззон" с добавками шлака ферробора и окалины прокатной. На промышленной базе Чеховского регенератного завода изготовлены опытно-экспериментальные партии плит размером 700x700x25 куб.мм по 1,5 куб м из двух материалов: - чистого "реззона" и борированного "реззона".

Защитные свойства материалов и эффективность строительных конструкций радиационной защиты могут определяться как расчетным, так и экспериментальным путем. Очевидно, что для получения удовлетворительных результатов в поисках оптимального строительного решения радиационной защиты необходимо иметь инструмент для оперативной разработки и корректного сопоставления сравниваемых вариантов. Ключевой задачей в этом процессе является определение толщин и стоимости защитных конструкций, особенно на стадии нового проектирования, когда отсутствуют конкретные данные по' защитным свойствам различных материалов в новом энергетическом диапазоне. Принципиальным, сдерживающим фактором применения нетрадиционных, эффективных защитных материалов в защите даже действующего ускорителя является необходимость расчетной или экспериментальной оценки защитных свойств этих материалов в конкретных условиях сопоставляемых вариантов.

В работе изучены как возможности различных современных методов и способов расчетов защиты, так и возможности их реального использования для конкретных целей - оптимизации защитных конструкций.

Наиболее приемлемыми для целей оптимизации защитных конструкций являются полуэмпирические методы расчета защиты. В большой степени универсальной, позволяющей варьировать компоновкой защиты и ее материалами, в широком диапазоне энергии первичного пучка ускорителя является модель Б.С.Сычева, разработанная на базе метода лучевого анализа Мойера. Эта модель была принята нами за основу при разработке машинной программы расчета на персональных компьютерах защитных конструкций ускорителей.Наша программа РАСЭ (Р.гоЮп АС.се1ега1ог З.Ые1сНп£> позволяет для ускорителей протонов с энергией пучка до 1000 ГэВ рассчитывать сложные композиции гетерогенных защитных конструкций при наличии локальных защит прямоугольной, трапецевидной и треугольной конфигурации из различных материалов. Время расчета одного варианта с учетом времени ввода исходной информации составляет 15 - 20 минут, причем к пользовате-

лям не предъявляются требования высокой квалификации ни в области программирования, ни в области физики высоких энергий. Эта программа ориентирована на использование ее при конструкторских разработках строительных решений зданий и защиты ускорителей на высокие энергии.

Основные задачи экспериментальных исследований по изучению защитных свойств материалов и конструкций на самом большом отечественном протонном синхротроне ИФВЭ в настоящей работе заключаются в следующем:

1. Получить информацию о защитных свойствах традиционных и специальных материалов и конструкций при энергии первичного пучка протонов до 70 ГэВ для прямой оценки эффективности защитиых экранов и радиационной обстановки на ускорителях высоких энергий.

2.Полученную информацию использовать для разработки аппрокси-мационных моделей расчета защиты реальных, наиболее характерных строительных конструкций на ускорителях высоких энергий.

3. Полученные экспериментальным путем функции и параметры использовать для тестирования и корректировки сложных программ расчетов защиты па ЭВМ.

Экспериментальные исследования проводилось на защитных массивах, являющихся как частью реальной защиты ускорителя У - 70, так и специально сооруженных для копхретных целей исследований. Как отмечалось выше наибольший "удельный вес" п объеме и стоимости строительной части объектов ускорителей составляют такие элементы как верхняя ( боковая ) защита туннелей и трактов транспортировки пучков, поглотители ( ловушки ) пучков и транспортно-коммуникаци-ониые туннели и шахты. В соответствии с этим экспериментальные установки или моделировали или являлись частью именно этих элементов.

Экспериментальные измерения полей излучений в защитных массивах проводились в зависимости от целей измерений и вида регистрируемых излучений, различными детектирующими системами и, в частности, использовались: Наборы активационных детекторов с разными энергетическими порогами, фотоэмульсионные детекторы, териолюми-нисцентные детекторы, ионизационные ( в том числе тканеэквиаалепт-ные ) камеры. Спектральный состав полей нейтронов измерялся при помощи спектрометра Боннера с набором шаровых замедлителей разных диаметров из полиэтилена. Восстановление спектров нейтронов с одновременной оценкой погрешности дифференциальных и интегральных

характеристик этих спектров проводилось по специально разработанной программе.

Характер ослабления флюенса адронов в боковой защите от протяженного анизотропного источника изучен при энергии пучка прото-новЕр" 52 и 70 ГэВ. Эти энергии охватывают весь рабочий энергетический диапазон ускорителя. При больших энергиях пучка изменение защитных характеристик материалов происходит монотонно, следовательно полученные при этих энергиях данные позволяют надежно экстраполировать параметры ослабления потоков нейтронов от единиц ГэВ через 52/70 ГэВ к сотням ГэВ. Для исследований сооружен экспериментальный бетонный массив длиной около 20 метров являющийся частью штатного защитного перекрытия толщиной 220 см кольцевого зала ускорителя ИФВЭ с 12-ю сквозными каналами над осмо пуч-ка.Источником служила тонкая внутренняя мишень с эффективностью^." 30% и участок вакуумной камеры после мишени, рис.1. Определено, что ослабление по толщине защиты в каждом из 12-ти каналов имеет экспоненциальный характер, что позволяет характеризовать это изменение параметром^, имеющий смысл длины ослабления.Эспернмеа-тально установлено, что в зависимости от расстояния до мишени "Д 2 изменяется в пределах 89; 102 г/см2. Анализ большого объема экспериментальных данных показал, что экспоненциальная функция 6ХгпРи ^2<=98± 5 г/см2 достаточно хорошо аппроксимирует характер ослабления потока адронов по толщине бетонного перекрытия в реальной геометрии при энергиях пучка протонов в диапазоне 50-4-70 ГэВ.

Результаты измерения распределения потоков замедленных групп нейтронов, рис. 2, позволили установить величины факторов накопления различных групп нейтронов в бетонном перекрытии ускорителя, в

частности: В^¿»Ь+МПЛ)--^.

53К9»в) ВА(0,025-4-4,дэвь 0,82.

Наряду с исследованием защитных характеристик бетонного перекрытия изучены характеристики протяженного анизотропного источника в районе эсперимеятальной установки.Прн различных режимах работы ускорителя включавших как изменение энергии первичного пучка, так и режим ввода различных внутренних мишеней.По откликам актиаа-ционных детекторов, размещавшихся непосредственно на вакуумной камере ускорителя, определялся характер азимутального распределения флюенса адронов, обусловлеиного потерями первичного пучка, что интерпретировалось, как функция источника. Все указанные измерения и обработка данных проводились в ОРИ ИФВЭ по современным методика

Рис. I. Схема размещения экспериментальных каналов в защитном перекрытии У - 70; Л „ Х.~ ярмо электромагнита ускорителя. 2 - Защитное бетонное перекрытие кольцевого зола. 3 - Отверстия Vэкспериментальные каналы) для детекторов излучения. 4 - Мишень. 5 - Вакуумная камера. 1г+ 12'- номера экспериментальных каналов. Размеры даны в миллиметрах

Ряс. '¿. Ослабление потоков нейтронов различии энергетических груш по толщшю^перекрытия.

© - Е > 6 МэВ по реакции

о - Е > 6 МэВ по реакции

и - Е > 20МэВ по реакции

СМ С

а, - Е - 4,ЗзВ по реакции9^ (гг,у)

Сплошная линия - аопроксшарувдая функция при 28 г.ем .

) 0,4 1.2 2,0 толщина бетона, м

Как отмечалось выше в наибольшей степени универсальную информацию о распределении полей излучений в защитных средах можно получить при изучении развития межъядериого каскада при гашении пучков частиц в поглотителях из разных материалов. Здесь одновременно определяются параметры, зависящие как от поперечного, так и продольного флюенса. С этой целью на выведенных пучках У-70 сооружены две экспериментальные сборки:

1 - На канале нейтральных частиц высокой энергии - поглотитель пучка размером 2x2x4 куб.м из обычного бетона с плотностью 2,35 г/смЗ в котором изучалось распределение потоков адронов. Впервые при энергии пучка 70 ГэВ получены характерные параметры каскадных кривых в плоскости падающего пучка, а также распределения потоков адронов в перпендикулярных пучку плоскостях на больших глубинах поглотителя - до 950 г/смЗ, см. рис.3 и 4.

2 - На выведенном протонном первичном пучке - поглотитель со сменным объемом 1,5x3,0x6,0 мЗ из трех наиболее характерных материалов (обычный бетои^р =2,35 г/смЗ.тяжелый бетонр «=3,4 г/смЗ и сгалыше плитыр =7,4 г/смЗ). В этой сборке изучены распределения флюенса адронов, потоков замедленных нейтронов а также дозовые и спектральные характеристики других видов излучений в условиях глубокого проникновения - до толщин 3000 г/см2, см.рис.5. Впервые в отечествевнон и зарубежной практике получены характеристики потоковых и дозовых распределений в таком широком энергетическом диапазоне на таких больших, толщинах для трех материалов в условиях реперного эксперимента. Полученные экспериментальные данные о защитных свойствах строительных материалов как в геометрии боковой защиты так и в поглотителях пучка (геометрия лобовой защиты) позволили разработать ряд технических решеши"! по защитным конструкциям действующего ускорителя У-70, по поиску наиболее эффективных композиций защиты, а также включить в техническое задание на проектирование Ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ предложения по использованию наиболее эффективных материален и конструкций п защите ; УНК. (Кроме того полученные данные представляют самостоятельный интерес для тестирования различных машинных программ по расчетам защити. . '. .

При проектировании коммуникационно-транспортных проходов п сплошной биологической защите ядсрно-технцческих установок требуется при заданном коэффициенте ослабления плотности потоков нейтронов и необходимом объеме размещаемых коммуникаций выбрать рацио-

Рас. 3. Распределение плотности потока аяровоз в плоскостях, перпендикулярных оси пучка, на глубине поглотителя - 2L 1-4? г/см2 : ; 2 - 118 г/см2; 3-188 г/см2; 4 - 353 г/см2; 5 - 518 r/ciï2; 6 - 658 г/см2.

_I—1—■—'—I—'—'—'—

О 200 400 600 800 Ю00 ТОЛЩИНА БЕТОНА, г/См2

Рис. 4. Распределеняэ плотности потока адронов в плоскости пучка на расстояния от оси пучка: I - 0 см; 2 - 10 са; 3 20 сы; 4 - 30см; 5 - 60 с«.

Z=39cm

г=119слл Z=196cm

xiCf2 2=33 СМ хЮ"'

2=12$ СМ г=19всм

2=397СМ Z=S22CM

О 50 100 19Э 200 R,cm Расстояние от оси пучка

О 50 100 150 20Ó R.CM Расстояние от оси пучка

-1 10

-2 Ю

.-4

VxtO

f ж

cu •í -6 и 10

_

U7 - 50 0 50 100 150 2Q0K,CM Расстояние от оси пучка 1

Рис.

флюенс адронов о энергией более 20 МаВ в плоскостях перпендикулярных оси пучка на различных глубинах поглотителя (2 ) из:Q - обычного бетона с плотностью - 2,35 г«см3; Ь - тяжелого бетона с плотностью - 3,4 г.см^; С - стали: Номера кривих для поглотителя из стали соответствует 2 : I - 42 ад; 2 - 116 ад.; 3 - 178 см; 4 - 238 см; 5 - 305 см; 6 - 415 ал.

нальные геометрические размеры ( число и длину секций, поперечное сечение ), материал и фактуру стен а также учесть и многие другие строительные элементы, влияющие на экономичность конструктивного решения и качество эксплуатационных свойств этих транспортно-ком-муникационных туннелей. Например влияние на формирование полей излучений по длине лабиринтов таких строительных элементов, как перегородки и диафрагмы, а также тупики в местах поворота лабиринта. Важно также изучить взаимосвязь защитных свойств этих строительных элементов со спектральным составом полей излучений, который значительно трансформируется по длине лабиринта. На практике, даже при оптимальных геометрических параметрах в ряде случаев ( модернизация ускорителей, реконструкция защиты и др. ) приходится искать дополнительные технические решения, позволяющие снижать дозу радиации на выходе из лабиринта без изменения его геометрических размеров. Существовавшие методы расчета не позволяли в полной мере решить поставленные задачи без экспериментальной проверки получаемых результатов. Возникла задача выполнить релерный эксперимент, поскольку только в условиях такого реперного эксперимента его результаты могут представлять интерес для корректировки методов расчета и соответствующих вычислительных программ.

Для этой цели был запроектирован и сооружен трехсекционный лабиринт из бетонных блоков, моделирующий, по своим характеристикам реальные транспортно-коммуникационные туннели на действующих ускорителях, см.рис.б. Прохождение излучений в нем исследовали при помощи спектрального метода регистрации, который позволил качественно и количественно проанализировать закономерности формирования энергетического распределения нейтронного излучения вдоль лабиринта { средняя энергия нейтронов, удельная эквивалентная доза, компонентный состав нейтронного излучения и т.п. ).

Дополнительной, но очень важной для практики целью работы было экспериментальное изучение влияния различных перечисленных выше конструктивных элементов па уменьшение флюенса адронов на выходе лабиринтов. Большая научная и практическая значимость этой части работы обусловлена тем, что несмотря на все совершенство существующих ныне вычислительных программ невозможно корректно рассчитать прохождение излучений о лабиринте при наличии поперечных диафрагм, неполных перегородок, тупиков к т.д. так как геометрия вычислений становится слишком сложной и не нее поддается счету. Без преувеличения можно заключить, что именно эксперимент в данном стучав мог

ИСТОЧНИК J*

нейтронов FW^^ 2S2r" Й0 ¿"I ' i 51

!С|

1 WW

fx

if

g j-^i-o-roio-Qf-,1

Ряс. 6. Геометрическая схема экспериментального лабиринта

CL, Ь .С - размеры в см. соответственно 160, 133, 180. I + II ~ точки детектирования.

250

60 40

МЭ

Рис. V. Геометрические схемы устайовхи:

-а, 5" - облицовки стен в месте поворота лабиринта,

- В - перегородок,

- Г - диафрагм

- д — технологических коммуникаций.

1,5- труби стальше; 3 - кабели; 4 - конструкции стоек и кронштейнов.

служить источником столь важной в практическом плане информации, что и было реализовано нами.

Для изучения были выбраны следующие типовые конструктивные элементы, из которых методом суперпозиции можно смоделировать любые практически значимые комбинации:

- поперечные неполные перегородки,

- поперечные диафрагмы,

, - облицовка стен в местах поворота. Дополнительно было изучено влияние на защитные характеристики лабиринта наличие в нем технологических коммуникаций - труб, кабелей, шинопроводов и др. (см. рис.7 ). Поля излучений со спектрами, характерными для реальных туииелей на ускорителе моделировались излучением радионуклидного источника (калифорний), как открытого, так и экранирован-

ного фильтром в виде полиэтиленовой сферы диаметром 30,5 см.

Результаты эксперимента позволили количественно оценить влияние различных конструктивных элементов на защитные свойства лабиринтов к использовать полученные данные при оптимизации строительных решений транспортно-коммуникационных туннелей и шахт на Ускорительно-накопительном комплексе ИФВЭ.

Для изучения защитных свойств' различных строительных материалов в условиях лабиринтов на ускорителях, была сооружена еще одна экспериментальная установка с тем же радионуклидным источником 252С|?1 на которой в условиях барьерной геометрии определены защитив характеристики наиболее эффективных строительных материалов для защитных конструкций в полях низкоэнергетических излучений.

Некоторые результаты исследований приведены в табл. 2.

Результаты, приведенные в таблице показывают, что:

1- Для конкретного спектра реззон сопоставим по защитным свойствам с полиэтиленом, а по ослаблению флюенса нейтронов в 2 раза эффективнее обычного бетона.

2- Отсутствие в данном спектре тепловых нейтронов не дает преимущества борированным бетону и реззону.

3- Применение бетонов с повышенной плотностью даже в таком сгсектре даст преимущество по сравнению с обычным строительным бетоном.

Дополнительные измерения защитных характеристик борировлнных бетона и реззона от потока тепловых нейтронов не позволили получить статистически обеспеченных результатов,так как на первых сантиметрах защитно» сборки плотность потока тепловых нейтронов

ослаблялась на несколько порядков, что характеризует очень высокую защитную эффективность борированных бетонов а реззонов в полях тепловых нейтрйноп.

Таблица 2.

Параметры ослабления флюенса и полной эквивалентной дозы нейтронов в различных строительных материалах.

Название Флюенс нейтронов Полная эквива-

NN материала , ( Е>0,5 эВ ) лентная доза.

плотность

п/а (г/смЗ) дЧ/ИКсм) } (г/см2) д 1/10(ш) А (г/см2)

1. Полиэтаяен-0,92 11,8 4,5 11,0 4,3

2. Реззон-1,2 15,2 7,8 15.0 6.9

3. Реззои бори- 19,0 10,8 18,7 10,8

рованный-1,35

4. Бетой на ока- 23,6 33,0 18,7 27,0

лине - 3,37

5. Бетон обыч- 28,0 27,6 19,5 19,5

ный - 2,3

6. Бетон бориро- - ■ 21.0 - 24.0

ванный - 2,5

1/10 - толщина защиты ослабляющая излучение в 10 раз.

Очевидно, что невозможно и технически, и с точки зрения экономической целесообразности экспериментально получить всю информацию необходимую для процесса оптимизации защитных конструкций. Вся необходимая дополнительная информация по защитным свойствам материалов, пе полученная экспериментальным путем, рассчитывалась по программам РОЗ-б и РОЗ-4СО. При помощи этих программ получены зависимости толщины защиты от плотности материала для условии боковой защиты; получены защитные характеристики широкого круга материалов в диапазоне плотности - от 0,92 до 7,8 г/смЗ для двух, наиболее характерных спектров; оптимизированы технологические составы таких специальных защитных материалов,как борированный бетон и бо-рированный реззон.

Таким образом можно утверждать, что комплекс полученных п работе результатов, таких как; - зависимости относительной толщины

боковой защиты от плотности материала; - защитные харахтерзгетнхя различных конструктивных элементов;- защитные характеристики широкого круга как традиционных та* » специально разработанных материалов; - вычислительная программа по расчету защиты - РЛС$-90 представляет собой необходимый я достаточный инструмент для проек-тно-коиструхторской деятельности, направленной па оптимизацию строительных решений радиационной защиты в зданиях ускорителей заряженных частиц.

Задача определения рационального строительного решения радиационной защиты включает в себя два аспекта: - выбор материала защиты и выбор рационального конструктивного решения; для двух стадий, - нового проектирования а реконструкции; для трех основных строительных объектов ускорителей, - туннелей и каналов транспортировки частиц» поглотителей пучка и мвшениых станций, а также тртгепортно-коммунмхацяонгак туннелей я шахт.

Использование подученных в работе экспериментальных данных по защитный характеристикам материалов, расчетных данных по защитным свойствам материалов н хонструаднй, аипрохсямацлоияых методов расчета боховой защиты, а тахже программы РАСЗ-90 позволило решить ряд практических задач применительно х строительным решениям радиационной завзяты ускорителей ва высокие энергия а частности:

Анализ пртаедезиых затрат и соотношений затрэты-польза показав, что даяе иа стадии воаош яроехтвровапаа ая сдай материал не может быть рехомездокж в хвчесгаг ядгагалюго. Расчеты показали также, что счлтаЕНшйся ивябояег экономичным запдетяым материалом (за аехлгэчелнем грунта ) ебычныЗ афшт&гшшй бета не выдерживает хонкурелцп» в ершшеяии с кскелым бетоягш с ллотлостыо-34 г/смЗ ютгоэяезгажа с пепальзеввпием в качестве мелкого .-»палшпеля ока-липы прокятаоЗ.Этот материал кохет быть рекомендован для изготовления всех самонгсущпх строгтпумшк конструкций выполняющих функции |вд$кэдззшдай защэтм. Для ззекояьзоошви з полях рассеянного лз-.лучгпня, по результатам игнзих радпаюзознга-фетвчеехпх п техни-Уо-эхо!!ома>«схих зкхлеяогзялЯ. а качестве альтернативного полиэтилену мохт рекомендовать "3>еззон".Этот лнстозоЗ атасткчный материал с 1мот55йстг.го"2,3 г/см3 я большим ~ до 9? хг/мЗ содержанием вадорода успешно мвзгет использоваться п ?.ачеств& облицовок, экря-поз 5» перегороди*.

Дяа втамъзомвми» в полах излучений с ярго&хшюшей мягкой, тепловой хрчпоиотой н«Ггфониого излучение, разработаны техноло-

гические составы реззона и бетона с добавками такого боросодержа-щего заполнителе, как шлак ферробора. Для спектра характерного излучениям на поверхности стальной защиты оптимальным составом бори-рованного реззона является состав содержащий 2,56 кг/мЗ бора, 94,34 кг/мЗ водорода и имеющий соотношение содержания бора и водорода - В/11 равное 0,027. Увеличение содержания бора путем введения в базовый состав реззон^ более 62 кг/мЗ шлака ферробора для данного спектра нецелесообразно, так как не приводит к улучшению защитных свойств материала. В оптимальном составе борированного бетона для данного спектра содержится 16,1 кг/мЗ бора. Дальнейшее увеличение содержания бора путем введения в бетон более 385 кг/мЗ шлака ферробора для данного спектра также нецелесообразно и может быть оправдано лишь в полях излучений с преобладанием тепловых нейтронов.

Увеличение содержания водорода в бетоне на 74-10 кг/мЗ можно получить путем введения на 1 мЗ бетонной смеси 864-110 кг резиновой крошки. Испытания показали, что такое количество "мягкого" заполнителя не препятствует получению бетонов с достаточной прочностью..

Для изготовления компактных защитных конструкций сложной конфигурации от жесткого высокоэнергетического излучения целесообразно применение сверхтяжелого бетона с заполнителем из свинцовой дроби. Конструкции защиты из такого бетона с плотностью ~ 8 г/ смЗ технологичнее в изготовлении и предпочтительнее своих стальных аналогов в эксплуатации;

Практически на всех действующих ускорителях ощущается жесткий дефицит свободных площадей в экспериментальных залах, где защита выполнена из обычного строительного бетона с плотностью 2,35 г/смЗ. Технико-экономические исследованиянаправленные на оптимизацию строительных решений сборно-разборных защит позволили определить, что: - основной объем защиты должен выполняться из бетона с плотностью 3,5 г/смЗ;- слоистые защиты (сталь + бетон ) рациональны лишь для толстых защитных экранов с кратностью ослабления -более 10® принтом о&ьемы защитных конструкций можно существенно сократить используя композицию (сталь+реззон);- наиболее компактные защитные конструкции при кратности ослабления до 10*" получаются из особотяжелого бетона с плотностью 6,2 г/смЗ; - три типоразмера блоков с толщинами 0,5 , 0,75 и I метр позволяют выполнить защитную конструкцию с точностью! 13 см по отношению к расчетной

толщине, что особенно »ажио при сооружении защиты из тяжелых,дорогостоящих материалов.

При проектировании туннелей ускорителей для открытого способа производства работ встает вопрос выбора глубины заложения основания туннеля во взаимосвязи с толщиной грунтовой защитной обвалов-ки. В работе получены зависимости оптимальной глубины погружения туннеля я грунт от толщины радиационной защиты. Анализ по критерию затрата-польза, проведенный по методике приведенных затрат с учетом мирового опыта эксплуатации различных типов ускорителей позволил рекомендовать рациональный запас несущей способности конструкций туннеля ускорителя соответствующий дополнительной нагрузке - 5 т/м2 па перекрытие туннеля и дифференцированный метод возведеюм защиты туннелей из грунта. Такой подход заключается в последовательном, поэтапном доведении грунтовой защиты ускорителя до необходимых толщин по мере вывода ускорителя на проектную мощность и позволяет не только уменьшать материалоемкость и стоимость защити: но и значительно приближать сроки физического пуска < начала эксплуатации ) ускорителя. Исследования эффективных способов повышения защитных характеристик туннелей при реконструкции усхорите-лей показали, что наилучшим является способ локализации потерь пучка на отдельных участках с устройством на этих участках компактных защитных конструкций. Этому способу нет разумной альтернативы в случае исчерпания несущей способности конструкций туннеля.

Как отмечалось выше (см,стр.В) возникает опасность активации грунтовых под, борьба с которой может вестись различными способам» и, в том числе, снижением радиационной нагрузки на водоносные слон груэта вблизи туннеля ускорителя путем устройства специальных защитных конструкций. В работе рассмотрены различные конструктивные решения такой защиты как для туннелей сооружаемых открытым способом, так и способом подземной проходки. Рассчитанные зависимости затрат на сооружение такой защиты для различных конструктивных решений от замкнутых защитных массивов из эффективных материалов до ирригационных мероприятий'по осушатю грунтов, при различных крат-костях ослабления позволяют найти единственно правильное решение в конкретной гидрогеологической обстановке в районе строительства.

С использованием результатов экспериментальных измерений применительно к транспортио-коммуникационным туннелям и шахтам получены следующие рекомендации:

1 - Увеличение длины секций до величин больше, чем где

5 - площадь поперечного сечения лабиринта) не целесообразно, улучшение защитной эффективности лабиринта рациональнее путем увеличения числа секций.

2 - Наиболее эффективным является сооружение сплошных перегородок из реззона в последней секции лабиринта.

3 - В случае невозможности устройства сплошной перегородки равноэффективным способом является устройство во второй или последующих секциях двух неполных перегородок (диафрагм) перекрывающие лишь часть сечения лабиринта <до50%).

4 - Облицовка стен водородосодержащими и боросодержащими материалами в местах поворотов лабиринтов, в отдельных случаях позволяет снизить затраты на 13+-15 %.

5 - Устройство тупиков в местах поворота лабиринтов повышает защитную эффективность бетонного лабиринта, но не дает экономического эффекта по сравнению с равноэффективным лабиринтом без тупиков.

Полученные экспериментальные данные позволяют решать методом • суперпозиции оптимизационные задачи при выборе строительного решения лабиринта при всем многообразии требований к ним как в условиях стационарных, так и сборио-разборных защит, дают возможность корректного сопоставления конструктивных решений лабиринтов с рав-ноэффективными мобильными защитами.

В работе рассмотрены вопросы технической возможности и экономической целесообразности использования дополнительных мероприятий, позволяющих возложйть на сборно-разборную защиту в экспериментальной зоне функции ограждающей конструкции. Показано, что путем несложных мероприятий по герметизации зазоров между блоками защиты и дополнительного оборудования козлового крана тентовым покрытием, в ряде случаев, можно отказаться от сооружения капитальных экспериментальных залов, сократить капитальные затраты, сроки строительства, эксплуатационные затраты, что на отдельных ускорителях может оказаться единственным способом продления сроков их физической службы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ опыта проектирования и эксплуатации зданий и защиты ускорителей показал, что архитектурно-строительные решения при проектировании этих объектов часто носят волевой, директивный характер. Нерациональность таких строительных решений усугубляется

еще и тем, что многие технические решения действующих ускорителей используются как аналоги при проектировании объектов ускорителей следующих поколений и с ростом масштабов проектируемых конструкций растут и издержки нерационального проектирования. Таким образом при современных масштабах действующих и, особенно, проектируемых ускорителей полученные в работе результаты направленные на оптимизацию строительных решений радиационной защиты ускорителей приобретают народохозяйственное значение.

2. Изучение аспектов оптимизации строительных решений радиационной защиты на ускорителях показало, что круг вопросов подлежащих изучению при решении этой проблемы формирует новую область исследований в научном направлении - Строительстве ядерных установок определяемую спецификой ускорителей, как электрофизических ядерных установок, это - "Радиационно-строятельные проблемы на ускорителях заряженных частиц". В результате изучения комплекса факторов, определяющих рациональное строительное решение радиационной защиты на ускорителях удалось определить истоки нерациональности строительных решений зданий и радиационной защиты на ускорителях, пути совершенствования проектных решений, и предложить:

- классификацию ядерных установок,

- классификацию строительных конструкций радиационной защиты па ускорителях,

- осноиные принципы и положения методики определения рациональных строительных- решений радиационной защиты,включая качественные и количественные критерии, функциональное разделение защитных конструкций и, напротив, совмещение различных функций,

- методологию исследования защитной эффективности строительных материалов и конструкций, а также их функциональную эффективность для различных условий радиационной защиты.

3. Экспериментально и расчетным путем определены основные характеристики защитных свойств материалов и конструкций в наиболее характерных на ускорителях нолях излучении п диапазоне энергий источников излучений от 0,025 э!$ до 70 ГэВ. Показано как эмпирические н аналитические зависимости полученные а работе непосредственно используются при разработке рациональных строительных решений радиационной защиты.

4. Разработан, обоснован и предложен для практического применения дифференцированный подход к созданию радиационной зашиты туннелей ускорителей, позволяющий при большой априорной исочредс-

ленности исходной информации об источнике излучения выполнять защиту необходимой толщины. Такой подход позволяет не только уменьшить капитальные затраты на строительство ускорителя, но и сократить сроки строительства и продлить сроки физической службы ускорителя.

5. Применительно к комплексу зданий экспериментальных зон ускорителей разработаны рациональные строительные решения во взаимосвязи объемно-планировочного и конструктивного решения радиационной защиты с учетом защитных свойств материалов. Полученные в работе зависимости позволяют выбрать материал и конструктивное решение не только по критерию экономической эффективности и компактности, но и с учетом эксплуатационных требований, включающих стремление к снижению облучаемости персонала. Изучение возможности совмещения функций сборно-разборной защиты с функцией ограждаюхцнх конструкций позволило разработать предложений по созданию экспериментальных зон без традиционных экспериментальных залов. Такие технические решения, в отдельных случаях, предоставляют единственную возможность расширении экспериментальной базы ускорителя при реконструкции и значительно уменьшают затраты и сроки строительства новых ускорителей.

6. Разработана и опробирована на сравнении с экспериментальными данными программа расчета радиационной защиты на персональных ЭВМ для решения оптимизационных задач при проектировании и реконструкции зданий и защиты ускорителей. Программа РАСЗ-90 позволяет оперативно и корректно производить сравнительные расчеты сложных конструктивных вариантов радиационной защиты в произвольной геометрии для широкого круга используемых материалов.

7. Результаты комплексных архитектурно-строительных, строительно-технологических, радиациошю-физических и экономических исследований выполненных в работе позволяют сделать вывод, что получены необходимые и достаточные данные для того, чтобы проблему оптимизации строительных решений радиационной защиты в зданиях ускорителей считать решаемой.

8. В виде нормативного документа разработаны "Основы практического руководства по проектированию строительных конструкций радиационной защиты в зданиях ускорителей".

Результаты исследований внедрялись в виде: - конструкций дополнительных защитных экранов при создании новых экспериментальных установок на ускорителе ИФВЭ У-70,

- включения рациональных строительных решений в техзадание на проектирование Усксрнтелыто-тхопителыюго комплекса ИФВЭ,

- опытно-промышлетчых партий блоков защиты из эффективных материалов разработанных и изученных в данной работе,

- промышленной партии блоков реальной защиты Мезонной фабрики Нн-ститута ядерных исследований АН России,

- опытной партии нового защитного материала - борировшпшй реззон, изготовленной на промышленных установках Чеховского регенератного завода.

Результаты внедрения подтверждены актами, приведенными в приложении к диссертации.

Основные результаты исследований опубликованы п следующих работах:

1. Гетманов В.Б. Защита от излучений ускорителей высоких энергий. В сб.Вопросы атомной пауки и техники. Серия: Проектирование и строительство. Вып. 2 (2), М.: ЩШИятомппформ, 1978, с.21-27.

2. Гетманов В.Б. Определение экономической эффективности конструктивного решения защиты ускорителей с учетом необходимости реконструкции. В сб. Тезисы докладов Всесоюзной паучвоб конференции по защите от ионизирующих излучений ядерио-техпических установок. М.: МИФИ, 1974.

3. Гетманов В.В. Пути оптимизации сгроплдопыг решений экспериментальных залов ускорителей. В сб. Вепресм лтомной паук» и техники. Серия: Проектирование а строите.:»-.сгг>о. 0ып. 2 <2), М.: ЦНИ-Иатомьтформ, 5975, с. 33-91.

4. Гетманов В.Б. Дпффереицирошгогыб ясгад иросктвроаапкя и возведения защиты туннелей ускорителей. 8 сб.55опросы атотгоЯ вддгзи« и техники. Серия: Просктирррякпс >> сгргчггеяыггво. Ими. ! (5). М.: ЩШИятомаифорч, 1978. с. 15-2!.

5. Гетманов В.!>. ¡'пдиапиоянв-стртггельпые ясяе«тя »ттямиза»«»« эящты УНК. 15 к,!. Третья Всесоюзная лаучнач гджферепдия яв яящите от ионизирующих излучений ядерно-тсхничсскгте уетясэок. 27-Т;у октября 198! г. Тбилиси, '¡ТУ, 1985, т.б, с.61-69.

6. Гетмаиоп В.!». Пути соиертенстаопшшя проектных решений экспериментальных зон ускорителей пл высок не энергии. В кн. Девятое Всесоюзное еппещлние по ускорителям заряхенпмх 'истиц, Дубна, ОИЯИ, 1985, т. 2, с. 68-71.

7. Гетманов В.Б, Раднационпо-строитатьные аспекты зашиты

ускорителей. В сб. Вопросы атомной пауки и техники. Серил: Проектирование я строительство. Вып. 2, М.: ЦНЙИатомшформ, 1988, с. 27-32. ' •

8. Гетманов В.Б. Некоторые вопросы систематизации дашшх по защите ядерных установок. В сб, Вопросы атомной науки я техники. Серия: Проектирование и строительство. Вып. 2, М.: ЦНИНатоминформ, 1988, с. 98-103. •

9. Гетманов В.Б. Критерии оптимизации защитных конструкций. В сб. Вопросы атомной науки и техники. Серия; Проектирование и строительство. Вып. 3, М.: ЦНИИатоминформ, 1990, с. 30-34.

Ю.Бритвич Г.И., Гетманов В.В., Лебедев В.Н., Мальков В.В, Распределение проникающего излучения в защитном перекрытии зала ускорителя на 70 ГэВ. Препринт Института физики высоких энергий, ОРЗ 72-81, Серпухов, 1972.

И.Гетманов В.Б., Сычев Б.С., Ушаков С.И. К вопросу защиты грунтовых вод от активации на ускорителях. Сборник трудов МИСИ им. В.В.Куйбышева, М.: МИСИ, N 146, 1977, с. 78-91.

12.Гетманов В.Б., Крючков В.П., Лебедев В.Н. Эффективность сталебетонных композиций в боковой защите ускорителей протонов на высокие энергии. Восьмое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 1982, т.П, с. 179-181.

13.Вольшчиков А.И., Гетманов В.Б., Крупный Г.И. и др. Измерение полей вторичного излучения в стальном блоке при поглощении пучка протоков с импульсом 69 ГзВ/с.Препршгг ИФВЭ, 83-86 ОРИ, Серпухов, 1983.

14.Методика определения экономической эффективности строительных решений ядерных установок. Учебное пособие по дипломному проектированию для студентов факультета ТЭС МИСИ им.В.Е .Куйбышева М.: МИСИ, 1982, Авт. Гетманов В.Б., Колтун О.В., Лавданский П.А., Митип М.Ф. 107 с.

15.Белогорлов Е.А., Брнтвич Г.И., Гетманов В.Б. и др. Исследование нейтронного излучения в трехсекционном бетонном лабиринте от источника халифорний - 252. В кп. ХУ1 Международный симпозиум по физическим вопросам радиационной безопасности, Дрезден, 6-9 марта 1984 r.Kernenergie 27(1984) с. 3S6-389.

Всего по теме диссертации опубликовано 79 научных трудом,в том числе 48 печатных, общим объемом 85,3 печатных листа.