СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G21F1/00 

Изобретение относится к области радиационной защиты живых организмов от повреждающего действия ионизирующих излучений. Радиоактивные вещества и источники ионизирующего излучения используются, практически, во всех отраслях промышленности, в здравоохранении, при проведении самых разнообразных научных исследований [Радиоактивные вещества / В.А. Баженов, Л.А. Булданов, И.Я. Василенко. - Л.: Изд-во «Химия», 1990. - 464 с].

К принципам защиты, наряду с защитой временем, расстоянием, относится экранирование, которое является наиболее эффективным способом защиты от ионизирующего излучения. Мощность потока излучения снижается пропорционально кратности ослабления излучения материалом, расположенным на пути потока квантов между источником и регистрирующей аппаратурой. Обычно применяют свинец, просвинцованное стекло, железо, бетон, баритобетон, железобетон и воду [Ильин Л.А., Кириллов В.Ф., Коренков И.П. Радиационная гигиена. - М.: Изд-во «Медицина», 1999. - 384 с; Промышленная экология: Учеб. пособие / под ред. В.В. Денисова. - М.: ИКЦ «Март Т», 2007. - 720 с];

Ионизирующее излучение состоит из потока частиц и квантов электромагнитных излучений, которые проходя через вещество, приводят к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом, которое его ослабляет, несмотря на некоторое различие первичных механизмов взаимодействия однотипно и сводится к «выбиванию» электронов электронных оболочек атомов (молекул) вещества. Результат этого взаимодействия описывают через фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар [Промышленная экология: Учеб. пособие / под ред. В.В. Денисова. - М.: ИКЦ «Март Т», 2007. - 720 с];

До 90-99% фотонов при фотоэффекте рассеиваются в веществе, возбуждая электронные оболочки и химическую активность молекул [Промышленная экология: Учеб. пособие / под ред. В.В. Денисова. - М.: ИКЦ «Март Т», 2007. - 720 с;]

Комптон-эффект заключается в разрушении фотонами двух-трех электронных оболочек атома на один фотон. Электроны, перехватившие энергию фотона, продолжают движение, сталкиваясь в среде с 10³-10⁴ молекулами, которые ионизируются.

Эффект образования пар характерен для фотонов, не взаимодействующих с электронной оболочкой, а проникающих в ядро, возбуждение которого может привести к вторичному излучению [Промышленная экология: Учеб. пособие / под ред. В.В. Денисова. - М.: ИКЦ «Март Т», 2007. - 720 с; Шуму В, Чакер Ф. Радиоактивные методы. - М: Изд-во «Мир», 1985. - 312 с;].

Известен способ защиты от повреждающего действия ионизирующего излучения (Патент РФ №2330695, A61N 5/067, Б.И. №22 10.08.08), заключающийся во введении в организм перед возможным облучением протектора, приводящем к повышению выживаемости животных по сравнению с контрольными облученными в той же дозе, но без протектора. В качестве радиопротектора используется излучение неонового лазера с длиной волны 633 нм, которым воздействуют на биологический объект перед или одновременно с воздействием ионизирующего излучения. Проведенные эксперименты показали, что лазерное излучение оказывает радиозащитное действие.

Однако этот способ обладает существенными недостатками:

1. Применяется сложная аппаратура, применение которой возможно только в стационаре;

2. Защитный эффект проявляется только на небольшой поверхности живого организма;

3. Облучение поверхности в эксперименте также производится точечно;

4. Способ нельзя перенести в производственные условия.

Известен способ изготовления бетона для защиты от ионизирующего излучения (Патент РФ №2234477, B65G 13/02, №23 23.08.04), применяемого при возведении сооружений, предназначенных для защиты от радиоактивного воздействия ядерных установок атомных электростанций, предприятий по выработке изотопов и других специальных сооружений, в которых используются источники радиоактивного излучения, имеющего повышенный предел прочности и уменьшенную среднюю плотность бетона. Этот бетон для защиты от ионизирующего излучения включает, мас. %: серу - 28,7-33,2; сажу - 3,4-5,2; песок из каменного угля с диаметром частиц соответственно 0,315-0,63 мм - 19,3-22,8; щебень из каменного угля с диаметром частиц 5-10 мм - 38,1-48,2; керосин - 0,4-0,7.

Этот способ имеет следующие недостатки:

1. Сера и сажа являются дорогостоящими материалами и их функция с точки зрения защиты от ионизирующего излучения не ясна;

2. В указанном составе бетона отсутствует связующий материал, поэтому непонятно как обеспечиваются прочностные свойства;

3. Не указывается, как влияет уменьшенная плотность полученного материала на его способность задерживать ионизирующее излучения.

4. Наиболее близким к заявленному является способ, изложенный в [Промышленная экология: Учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. - М.: ИКЦ «Март Т»; Ростов на Дону: Издательский центр «Март Т», 2007. - 720 с. с. 476-477], где указывается, что лучшими экранами для защиты от рентгеновского и гамма-излучения являются материалы с большим коэффициентом поглощения радиации - свинец, просвинцованное стекло, железо, бетон, баритобетон, железобетон и вода.

Но способ имеет недостатки:

1. Все материалы, из которых предлагается изготавливать экраны для защиты от ионизирующих излучений, являются исчерпаемыми природными ресурсами;

2. Все эти материалы, кроме воды, для превращения в защитные экраны требуют использования стационарных технологических установок;

3. Тяжелые металлы, которые наиболее активно ослабляют ионизирующее излучения, имеются не во всех рекомендуемых материалах для экранов.

Задачей настоящего изобретения является расширение ассортимента материалов для изготовления экранов, защищающих от ионизирующего излучения, удешевления их стоимости за счет вовлечения для изготовления экранов вторичные ресурсы.

Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе радиационной защиты от ионизирующего излучения высушенный до сыпучего состояния осадок - шлам (гальваношлам) после очистки промывных сточных вод гальванических производств, содержащий тяжелые металлы, и металлургическая пыль, содержащая тяжелые металлы, отдельно или совместно в любых пропорциях смешиваются с цементом марки М-400 и водой с последующей отливкой в формах защитных экранов необходимой толщины, конфигурации и габаритов.

Способ включает:

1. Обезвоживание гальваношлама на вакуум- или пресс-фильтрах. Сушку его до сыпучего состояния в сушилке с кипящим слоем инертного материала, охлаждение и смешение с цементом марки М-400 (при соотношении сухой гальваношлам : цемент - 80:20) и водой до получения сметанообразной консистенции с последующим отверждением в формах для отливки защитных экранов определенной толщины, габаритов и конфигурации;

2. Смешение металлургической пыли, уловленной сухим способом, просеянной через сито 1 мм, с цементом марки М-400 (при соотношении металлургическая пыль : цемент - 80:20) и водой до получения сметанообразной консистенции с последующим отверждением в формах для отливки защитных экранов определенной толщины, габаритов и конфигурации;

3. Смешение сухого порошкообразного гальваношлама в любых пропорциях с металлургической пылью, цементом марки М-400 при соотношении смеси сухого гальваношлама и металлургической пыли с цементом как 80:20 и водой до получения сметанообразной консистенции с последующим отверждением в формах для отливки защитных экранов определенной толщины, габаритов и конфигурации.

При этом источником сухого гальваношлама является из ФККО - федерального классификационного каталога отходов:

1. Смесь осадков обезвреживания кислотно-щелочных, хромсодержащих и цианосодержащих стоков гальванических производств, карбонатом натрия, код 3.63.485.91.39.3;

2. Осадок совместной обработки смешанных (кислых и щелочных) и обработанных сульфидом натрия хромсодержащих стоков, обезвоженный, код 3.63.485.63.39.3;

3. Осадок нейтрализации гидроксидом натрия смешанных (кислотно-щелочных и цианосодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием меди, код 3.63.485.65.39.4;

4. Осадок нейтрализации гидроксидом натрия смешанных (кислых и щелочных) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием цинка, код 3.63.485.71.39.3;

5. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислотно-щелочных и хромсодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием цинка, код 3.63.485.72.39.3;

6. Осадок нейтрализации карбонатом натрия смешанных (кислотно-щелочных) стоков гальванических производств с преимущественным содержанием цинка, код 3.63.485.73.39.4;

7. Осадок совместной обработки смешанных (кислотно-щелочных) и обработанных сульфитом натрия хромсодержащих стоков обезвоженный с преимущественным содержанием цинка, код 3.63.485.74.39.3;

8. Осадок нейтрализации гидроксидом натрия смешанных (кислотно-щелочных, хромсодержащих, цианосодержащих) стоков гальванопроизводств обезвоженный с преимущественным содержанием хрома, код 3.63.485.75.39.3;

9. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислотно-щелочных, хромсодержащих и цианосодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием цинка, код 3.63.485.76.39.3;

10. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислых и щелочных) стоков гальванических производств с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.81.39.3;

11. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислых и хромсодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.82.39.3;

12. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислых и хромсодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.82.39.3;

13. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислых и щелочных) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.83.20.3;

14. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислотно-щелочных и хромсодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.84.39.4;

15. Осадок нейтрализации известковым молоком смешанных (кислотно-щелочных и хромсодержащих) стоков гальванических производств обводненный, код 3.63.485.85.99.4;

16. Отходы нейтрализации известковым молоком смешанных (кислых и щелочных) стоков гальванических производств обводненные, код 3.63.485.86.32.4;

17. Осадок нейтрализации гидроксидом натрия смешанных (кислотно-щелочных и хромсодержащих) стоков гальванических производств обезвоженный с преимущественным содержанием железа, код 3.63.485.87.39.3;

18. Смесь осадков нейтрализации известковым молоком кислотно-щелочных и хромсодержащих стоков гальванических производств, код 3.63.485.96.39.3;

19. Осадки нейтрализации кислых и хромсодержащих стоков гальванических производств гидроксидом натрия в смеси, код 3.63.485.97.39.3;

20. Осадки нейтрализации кислотно-щелочных, хромсодержащих и циансодержащих стоков гальванических производств гидроксидом натрия в смеси, код 3.63.485.98.39.3;

21. Осадки нейтрализации кислотно-щелочных, хромсодержащих и циансодержащих стоков гальванических производств гидроксидом натрия в смеси (малоопасные), код 3.63.485.99.39.4.

При этом источником металлургической пыли является из ФККО - федерального классификационного каталога отходов:

1. Пыль газоочистки хромсодержащая дробления и сортировки ферросплавов при производстве легированных сталей, код 3.51.203.31.42.3;

2. Пыль газоочистки неорганизованных выбросов конвертерного отделения, код 3.51.222.11.42.4;

3. Пыль газоочистки конвертерного производства, код 3.51.222.12.12.42.4;

4. Пыль газоочистки выбросов электросталеплавильной печи, код 3.51.222.21.42.4;

5. Пыль аспирации электросталеплавильного производства, код 3.51.222.22.42.4;

6. Пыль газоочистки внепечной обработки стали, код 3.51.222.31.42.4;

7. Пыль газоочистки при производстве ферромолибдена, код 3.51.321.21.42.4;

8. Пыль газоочистки при выплавке полупродукта и клинкера, содержащая соединения хрома шестивалентного, код 3.51.381.14.42.2;

9. Пыль газоочистки при выплавке хрома металлического, содержащая соединения хрома шестивалентного, код 3.51.381.16.42.2;

10. Пыль газоочистки при приготовлении шихтовых материалов в производстве стали и ферросплавов, код 3.51.711.31.42.4;

11. Пыль газоочистки при горячем цинковании стальных труб, содержащая хлорид цинка, код 3.52.901.01.42.3;

12. Пыль газоочистки свинцовосодержащая от плавки шихты в отражательных печах при производстве сплава серебряно-золотого, код 3.55.119.11.42.2;

13. Пыль газоочистки плавки свинецсодержащих отходов при производстве свинца из вторичного сырья, код 3.55.319.51.42.3;

14. Пыль цинксодержащая очистки отходящих газов при вальцевании цинксодержащего сырья в производстве цинка, код 3.55.341.11.42.3;

15. Пыль очистки отходящих газов печей Ванюкова при производстве черновой меди, код 3.55.420.02.42.3;

16. Пыль очистки конвертерных газов производства черновой меди с преимущественным содержанием меди, код 3.55.420.03.42.3;

17. Пыль очистки конвертерных газов производства черновой меди с преимущественным содержанием цинка и свинца, код 3.55.420.04.42.3;

18. Пыль газоочистки плавки вторичного медьсодержащего сырья при производстве меди, код 3.55.420.11.42.3;

19. Пыль газоочистки плавки вторичного медьсодержащего сырья при производстве медных сплавов (с преимущественным содержанием цинка и меди), код 3.55.492.51.42.3;

20. Пыль газоочистки при подготовке шихтовых материалов в производстве никелевого штейна, код 3.55.503.51.42.3;

21. Пыль газоочистки при выплавке никелевого штейна в шахтных печах, код 3.55.521.11.42.4;

22. Пыль очистки газов плавильных печей при мытье никеля, код 3.57.591.11.42.4;

23. Пыль (порошок) от шлифования свинца с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.02.42.2;

24. Пыль (порошок) от шлифования меди с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.03.42.3;

25. Пыль (порошок) от шлифования медных сплавов с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.04.42.4;

26. Пыль (порошок) от шлифования бронзы с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.05.42.4;

27. Пыль (порошок) от шлифования латуни с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.06.42.4;

28. Пыль (порошок) от шлифования цинка с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.07.42.3;

29. Пыль (порошок) от шлифования никеля с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.08.42.3;

30. Пыль (порошок) от шлифования хрома с содержанием металла 50% и более, код 3.61.223.12.42.3;

31. Пыль (порошок) от шлифования жаропрочных сплавов железа с никелем, код 3.61.225.21.42.3;

32. Пыль галтовочной установки при обработке поверхности черных металлов сухой галтовкой, код 3.61.226.11.42.4;

33. Пыль галтовочной установки при обработке поверхности цветных металлов сухой галтовкой с содержанием металлов менее 50%, код 3.61.226.51.42.4;

34. Пыль газоочистки черных металлов незагрязненная, код 3.61.231.01.42.4;

35. Пыль газоочистки чугунная незагрязненная, код 3.61.231.02.42.4;

36. Пыль газоочистки стальная незагрязненная, код 3.61.231.03.42.4;

37. Пыль газоочистки при дробеструйной обработке черных металлов, код 3.61.231.44.42.4;

38. Пыль газоочистки меди и медных сплавов незагрязненная, код 3.61.232.01.42.4;

39. Пыль газоочистки свинца незагрязненная, код 3.61.232.04.42.2;

40. Пыль газоочистки никеля незагрязненная, код 3.61.232.05.42.3;

41. Пыль газоочистки хрома незагрязненная, код 3.61.232.07.42.3.

Для проведения испытаний по защите от ионизирующего излучения были приготовлены образцы из высушенного гальваношлама, состав которого представлен в таблице 1 и металлургической пыли, состав которой представлен в таблице 2. Образцы представляли собой отвержденную в форме смесь 80% гальваношлама или металлургической пыли с 20% цемента марки М-400, приготовленную с добавлением воды до сметанообразной консистенции. Габариты образца получились в виде прямоугольного параллелепипеда - 140*70*30 мм. В качестве образца сравнения был свинцовый параллелепипед тех же габаритов.

В качестве источника гамма-излучения использовались: изотоп ²²Na и ¹³⁷Cs. В качестве источника рентгеновского излучения использовались рентгеновская трубка, подключенная к источнику высокого напряжения 20 кВ.

В качестве регистратора фотонов использовался прибор марки МКС-АТ 1117 М №12215, изготовитель Республика Беларусь. Образцы из гальваношлама и металлургической пыли, изготовление и габариты которых описаны выше, устанавливались вплотную между источниками и регистратором. Естественный фон, зафиксированный регистратором на расстоянии 30 мм составлял 50 нЗв. Результаты защитного действия образцов-экранов из гальваношлама и металлургической пыли в сравнении с образцом-экраном из свинца представлены в таблице 3.

Из таблицы 3 видно, что величина эквивалентной дозы после образцов-экранов, изготовленных на основе гальваношлама и металлургической пыли, при воздействии на них всех видов ионизирующего излучения близка к уровню этого показателя для образцов-экранов, изготовленных из свинца.

Таким образом, предлагаемое техническое решение содержит признаки, не присущие прототипу и известным в патентной и технической литературе способам радиационной защиты от ионизирующего излучения, то есть заявляемое изобретение обладает новизной и соответствует критерию «изобретательский уровень».

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в первую очередь в отраслях, где обращаются радиоактивные материалы и источники ионизирующего излучения, а также в черной металлургии, где образуется наибольшее количество металлургической пыли, и в машиностроительной промышленности, неотъемлемой частью предприятий которой являются гальванические цехи, где в результате очистки промывных сточных вод образуются осадки - гальваношламы, содержащие гидроксиды тяжелых металлов. Полученный технологический результат заключается в появлении новой возможности расширения ассортимента дешевого сырья для изготовления экранов, защищающих от ионизирующего излучения, а также направлений утилизации металлургической пыли и гальваношламов, содержащих тяжелые металлы. Он технически легко реализуется в условиях действующего производства у владельца металлургической пыли, гальваношлама или у потребителей экранов для защиты от ионизирующего излучения, и, следовательно, обуславливает обеспечение достижения поставленной цели - расширение ассортимента материалов для изготовления экранов, защищающих от ионизирующего излучения, удешевления их стоимости за счет вовлечения для изготовления экранов вторичных ресурсов. Все это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

^* в растворимой в HCl части;

^** до 100% - ферриты, нерастворяющиеся в HCl.

Изобретение относится к области радиационной защиты живых организмов и неорганических веществ от повреждающего действия ионизирующих излучений во всех отраслях промышленности, здравоохранении, при проведении разнообразных научных исследований. Способ радиационной защиты от ионизирующего излучения включает ослабление экранирующим веществом потока фотонов рентгеновского и гамма-излучения за счет фотоэффекта рассеивания в веществе, возбуждения электронных оболочек и химической активности молекул, комптоновского эффекта разрушения электронных оболочек атома и эффекта образования пар, возбуждающего ядро атома. В качестве экранирующего вещества используются металлургическая пыль и высушенные осадки-шламы после очистки промывных сточных вод гальванических цехов, содержащие соответственно оксиды и гидроксиды тяжелых металлов, смешанные с цементом и водой до сметанообразной консистенции по отдельности или в смеси друг с другом в любых пропорциях с последующим отверждением. Изобретение позволяет получить возможность расширения ассортимента дешевого сырья для изготовления экранов, защищающих от ионизирующего излучения, а также направлений утилизации металлургической пыли и гальваношламов, содержащих тяжелые металлы. 3 табл.

Способ радиационной защиты от ионизирующего излучения, включающий ослабление экранирующим веществом потока фотонов рентгеновского и гамма-излучения за счет фотоэффекта рассеивания в веществе, возбуждения электронных оболочек и химической активности молекул, комптоновского эффекта разрушения электронных оболочек атома и эффекта образования пар, возбуждающего ядро атома, отличающийся тем, что в качестве экранирующего вещества используются металлургическая пыль и высушенные осадки-шламы после очистки промывных сточных вод гальванических цехов, содержащие соответственно оксиды и гидроксиды тяжелых металлов, смешанные с цементом и водой до сметанообразной консистенции по отдельности или в смеси друг с другом в любых пропорциях с последующим отверждением.