Створення електрофізичних радіаційних установок та дослідження змін властивостей матеріалів при промислових радіаційних технологіях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут ядерних досліджень

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій (технічні науки)

Створення електрофізичних радіаційних установок та дослідження змін властивостей матеріалів при промислових радіаційних технологіях

Сахно Віктор Іванович

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Купряшкін Володимир Тихонович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідуючий відділом ядерної спектроскопії;

доктор фізико-математичних наук, професор

Маслюк Володимир Трофимович, Інститут електронної фізики НАН України, завідуючий відділом фотоядерних процесів;

доктор технічних наук, професор кафедри

Шендерюк Володимир Ілліч, Калінінградський технічний інститут рибного господарства Російської Федерації, (Калінінград, Росія), завідуючий кафедри технології рибних продуктів.

Захист відбудеться «_19__» листопада2009 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 Інституту ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, просп. Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ІЯД НАН України за адресою: 03680, м. Київ, просп. Науки, 47.

Автореферат розісланий «_19_» жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 В.В.Улещенко

1. Загальна характеристика роботи

радіаційний електрофізичний промисловий опромінювання

Актуальність теми дослідження. Дисертація присвячена розробці промислових радіаційних установок та технологій їх застосування. Радіація є добре вивченим та випробуваним інструментом модифікації матеріалів і може стати корисною для різних галузей промисловості. В дисертації обґрунтовуються шляхи залучення досвіду та техніки прикладної ядерної фізики до розвитку таких високих наукоємних технологій.

В національних програмах наголошується, що визначальною характеристикою загальної безпеки країни є виробництво і безпека споживання харчових продуктів. За масштабами виробництва харчова галузь зараз найбільша в економіці України. Вона визначає соціальний клімат держави і продовжує пошуки шляхів інтенсифікації. З огляду на економічну доцільність та можливість позитивно впливати на асортимент і рівень безпеки споживання головною темою досліджень вибрано залучення радіації в харчову індустрію. Звернення до цієї непростої проблеми стимулюється також і загальносвітовим загостренням економічної кризи. Офіційне визнання необхідності термінової інтенсифікації економіки дає підставу об'єктивно оцінити можливості і перспективи використання фізичних та хімічних явищ, що відбуваються в речовині під впливом іонізуючих випромінювань, як технологічного напрямку для задоволення потреб суспільства. Для виробництва привабливими є економічні, енергетичні та екологічні показники радіаційних технологій, недосяжні для інших методів. Наприклад, радіаційні технології дозволять повністю виключити хімічні консерванти з продуктів харчування населення України. Опромінювання є ефективним методом карантинного захисту України з огляду на зростаючу останнім часом мікробіологічну загрозу людям в усьому світі. Сучасна медицина принципово не може розвиватися без залучення радіації.

Радіаційні технології вимагають високого науково-технічного рівня країни для випуску технічних засобів їх реалізації. В Україні радіаційна техніка не виробляється. В країнах СНД виробляються в основному джерела іонізуючих випромінювань, а надто висока ціна на такі технічні засоби з країн далекого зарубіжжя обмежує їх залучення у вітчизняну економіку. Зарадити цьому можуть тільки створення в Україні власних наукових засад та індустрії радіаційних технічних засобів виробництва. При розгортанні в ІЯД НАНУ робіт цього напрямку було поставлено завдання розробити сучасні методи проектування і створення промислових радіаційних установок та технологій, продемонструвати їх користь для суспільства, та визначити шляхи впровадження.

В дисертації обґрунтовуються доцільність і перспективи розширення обсягів практичного використання радіаційних технологій - визначено оптимальні напрямки їх застосування у виробництві, проблеми впровадження, переваги і недоліки, шляхи практичного здійснення. Розроблено алгоритми проектування, створено потужну промислову радіаційну установку та розроблено технології.

На захист виносяться:

- обґрунтування місця радіаційних технологій в сучасному виробництві;

- визначення і обґрунтування оптимальних напрямків впровадження радіаційних технологій в економіку України;

- розробки та створення технічних засобів радіаційних технологій;

- удосконалені алгоритми проектування радіаційної техніки;

- нові методи формування потужних радіаційних полів на промислових технологічних установках;

- системні заходи удосконалення електрофізичної техніки для використання в промислових технологічних лініях;

- удосконалені методи конструювання і оптимізації біологічного захисту промислової радіаційної техніки;

- нові методи створення ефективних радіаційних технологій і техніки шляхом комплексного використання різноманітних електрофізичних принципів;

- розробки науково-технічних засад та нових радіаційних технологій для промислового виробництва України.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Викладені в дисертації матеріали відображають результати науково-технічних і технологічних розробок в обсязі 9 держбюджетних тем, науково-технічних програм, інноваційних і науково-технологічних національних та міжнародних проектів, виконаних за участю автора. Зокрема: науково-дослідна тема «Отримання і дослідження інтенсивних пучків негативних іонів і нейтралів» (№ДР 01.9.10.033646, 1990-1994 рр., співвиконавець), науково-дослідна тема «Дослідження змін властивостей матеріалів при радіаційних технологіях» (№ДР 0101U000424, 1996-1998 рр., керівник теми), Національна програма України «Дослідження та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 року» (№ДР 0195U002014 та 0197U019307, 1994-2000 рр., керівник проекту), науково-технічна тема «Cтворення спеціалізованої радіаційної установки великої потужності з широкими експериментальними можливостями» (№ДР 0101U000557, 1999-2003 рр., керівник теми), інноваційний проект “Впровадження технологій радіаційної пастеризації та консервації продуктів харчування” (№ДР 0104U009421, 2004 р., керівник проекту), інноваційний проект “Розробка новітніх променевих екологічно безпечних технологій при виробництві харчових продуктів” (№ДР 0105U009202, 2005 р., керівник проекту), інноваційний проект «Створення нових технологій електронно-променевої обробки для стерилізації нових видів медичних засобів і матеріалів Українських виробників» (п.32 Переліку науково-технічних і інноваційних проектів НАН України, затвердженого Постановою Бюро Президії НАН України №131 від 20.04.2006, 2006 р., керівник теми від ІЯД), міжнародних науково-технічних проектів «Розробка нетрадиційних методів пастеризації рибних продуктів» (з ФГУП «АтлантНИРО», м. Калінінград, Росія, 1990-1996 рр., керівник проекту від України), «Розробка методів аероіонної обробки рибних харчових продуктів» (з ФГУП «ТИНРО-центр», м. Владивосток, Росія, 1990-1998 рр., керівник проекту від України).

Мета і завдання досліджень

Метою досліджень є розробка і створення промислових радіаційних установок та технологій.

Об'єктами дослідження є комплексні фізико-технічні проблеми, що супроводжують створення промислових радіаційних установок і технологій та їх впровадження у виробництво.

Предметом дослідження є технологічні ефекти, якими характеризуються радіаційні процеси, шляхи і методи створення нових промислових радіаційних установок.

Методи досліджень. Для досягнення мети використовуються теоретичні і експериментальні методи досліджень. Теоретично досліджені ефекти взаємодії іонізуючих випромінювань з різними матеріалами і встановлено перелік процесів, які є визначальними для радіаційних технологій, досвід застосування радіаційних технологій у виробництві.

Основні положення проектування, наукові висновки та технічні пропозиції перевірено на експериментальних радіаційних установках та шляхом створення і тривалої експлуатації в ІЯД експериментального (пілотного) зразка потужної технологічної радіаційної установки.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше створено промислову радіаційну установку для опромінення промислових виробів великих габаритів стаціонарними полями електронів з широким енергетичним спектром.

2. Вперше експериментально досліджено процеси формування і поширення зворотно-розсіяних - випромінювань від електрофізичних джерел. Виявлені неоднорідності їх розподілу.

3. Експериментально досліджено методи формування широких пучків прискорених мегавольтних електронів за допомогою систем з тонких розсіюючих мішеней і відбиваючих екранів.

4. Вперше експериментально одержано дані про ефекти зворотного розсіяння - випромінювання широкого спектру при взаємодії з елементами систем протирадіаційного захисту промислових радіаційних установок.

5. Експериментально досліджено залежності потоків гальмівного -випромінювання електрофізичних радіаційних установок від геометрії та матеріалу відбиваючої поверхні.

6. Вперше експериментально досліджено особливості процесів формування розсіяного - випромінювання на територіях, прилеглих до електрофізичних радіаційних установок та удосконалені методики їх компенсації.

7. Вперше експериментально доведена ефективність керування технологічними електрофізичними радіаційними установками виключно аналоговими автоматичними регуляторами.

8. Теоретично і експериментально досліджено фізико-технічні проблеми розвитку променевих технологій у світі, визначено і обґрунтовано оптимальні шляхи впровадження їх у промисловість України.

Практичне значення одержаних результатів

1. Створено потужну радіаційну установку, що ґрунтується на наукових розробках автора. Установка введена в експлуатацію в ІЯД НАН України для наукових і прикладних робіт з ядерної та радіаційної фізики, радіаційної хімії та радіаційного матеріалознавства, радіаційної біології, медицини, радіаційних технологій. Започатковано новий для ІЯД науково-технічний напрямок - радіаційні технології.

2. Обґрунтовано оптимальні структури сучасної промислової радіаційної техніки. Розроблено комплекс технічних засобів для їх комплектування.

3. Створено перший в Україні (пілотний) зразок промислової технологічної лінії радіаційної пікохвильової пастеризації харчових продуктів потужністю до 7000 тон на рік. На лінії розгорнуто дослідження, розробки і практичні випробування нових технологій радіаційної обробки продуктів харчування (рибні, м'ясні, молочні, кондитерські вироби, тощо).

4. Розроблено і запатентовано оригінальні методи опромінювання при виробництві харчових продуктів.

5. Розроблено, сертифіковано і передано до Державного реєстру України нову оригінальну радіаційну технологію малосолоних рибних пресервів, стійких у зберіганні без холодильної техніки. Пресерви не містять ніяких консервантів, відповідають сучасним вимогам безпеки споживання і є ефективним заходом запобігання хворобам, що поширюються через харчі.

6. Досліджено і обґрунтовано оригінальний двоступеневий електрофізичний метод радіаційної стерилізації інфікованих стоків інфекційних відділень лікарень, тубдиспансерів, харчових та фармацевтичних підприємств.

7. Розроблено проект малогабаритної промислової установки, яка реалізує двоступеневий метод і відрізняється високою економічністю (менше 2 кВт/годЧм3) та використанням прискорювачів низької енергії. Проект отримав диплом і відзнаку Київської міської Державної адміністрації.

8. Розроблено комплекс технічних заходів адаптації типових електрофізичних джерел радіації до потреб промислових технологічних установок, що більше ніж в 30 разів підвищують стабільність радіаційного поля та технологічні можливості установок для медицини та харчових технологій. Таким способом було успішно адаптовано лінійний прискорювач типу «Електроніка» для першої в Україні радіаційної установки опромінювання харчових продуктів.

9. Розроблено і експериментально перевірено оригінальну систему формування стаціонарних рівномірних радіаційних полів для опромінення виробів великих габаритів.

10. Розроблена і реалізована система технологічної дозиметрії промислових процесів з похибкою менше 5%.

11. Удосконалено методи конструювання засобів біологічного протирадіаційного захисту з широким застосуванням компактних місцевих розсіюючих екранів для оптимізації їхніх техніко-економічних показників.

12. Розроблено і реалізовано оригінальну конструкцію біологічного протирадіаційного захисту потужної радіаційної установки ІЯД.

13. Вивчено методи залучення радіаційних установок і технологій для переробки моресировини з метою утилізації відходів та повернення їх в господарчий обіг. Експериментально доведена можливість випуску додаткової дефіцитної продукції харчового, медичного, ветеринарного і технічного призначення.

14. Розроблено і оформлено у відповідності з чинним законодавством України нормативну технічну документацію (НТД) на технологічні процеси та технічні засоби для їх реалізації, доступну зацікавленим виробникам для організації радіаційних технологічних процесів на діючому чи на новому підприємстві.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертації розробки виконувались в ІЯД по ініціативі автора та під його керівництвом, при безпосередній участі в усіх дослідженнях та розробках.

Апробація результатів дисертації. Всі результати, представлені в дисертації, доповідались та обговорювались на наступних конференціях та семінарах:

11 Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц, г.Дубна (1989 р); 12 Всесоюзном совещание по ускорителям заряженных частиц, г. Москва (1990 р); 9 совещании по дозиметрии потоков ионизирующих излучений, г. Обнинск (1992 р).; 9 семинаре по проблемам физики реакторов, г. Москва (1995 р); Международном симпозиуме по марикультуре, г. Краснодар (1995 р); Міжнародному семінарі «ІЕФ-96», м. Ужгород (1996 р); International Conference on Ion Sources Taormina, Italy, (1997 р); XV международном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц, Алушта, Крым, (1997 р ); Щорічній науковій конференції інституту ядерних досліджень, м. Київ (1998 р); XI Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым, (1998 р); Международной конференции «Повышение качества рыбной продукции - стратегия развития рыбопереработки в ХХI веке”, г. Калининград, Россия (2001 р); XVIII конференции по ускорителям заряженных частиц «PUPAC -2002», г. Обнинск, Россия (2002 р); XVI Міжнародній конференції по фізиці радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавстві, Алушта, Крим, (2004 р); Международной конференции «Повышение качества рыбной продукции - стратегия развития рыбопереработки в ХХI веке”, г. Калининград, Россия (2005 р); 11-ом международном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, С.-Петербург, (2005 р); I International conference "Current Problem in Nuclei Physics and Atomic Energy", Kyiv, (2006 р); VІ Международной научно-практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» г. Светлогорск, Россия, (2006 р); Міжнародній конференції «Продление срока эксплуатации энергоблоков АЭС. Оценка технического состояния и управление старением оборудования и кабельных изделий», м.Київ (2007 р); Сибирском международном форуме биотехнологий. г. Красноярск. (2007 р); STCU Promotion Mission Event. Helsinkui, Finland (2007 р); II Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy . Кyiv, ( 2008р)

Структура дисертації. Матеріал дисертації складається з Вступу, 5-ти розділів, Висновків, списку використаних джерел і додатків. Все викладено на 340 сторінках тексту, разом з 157 рисунками, 20 таблицями та списку з 218 використаних літературних джерел.

2. Основний зміст дисертації

У Вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульована мета і завдання їх проведення, усі положення щодо новизни, наукової і практичної цінності роботи. Наведена структура дисертації. Стисло показано зміст роботи та основні результати, дані про їх апробацію та інформацію про особистий внесок автора.

В 1 розділі розглянуто світовий досвід, масштаби застосування і динаміку розвитку радіаційних технологій та промислових радіаційних установок. Обґрунтовується перспектива впровадження радіаційних технологій і досягнень прикладної ядерної фізики у сучасне виробництво.

Досліджуються фізико-хімічні основи радіаційних технологій, їх мета, суть і узагальнена схема. Узагальнюється перелік найбільш значимих фізико-хімічних процесів, які доцільно залучати до розробки радіаційних технологій. В розділі зібрана інформація про каскадні перетворення продуктів іонізації сировини, процеси модифікації матеріалів при радіаційній обробці, та інші фактори, які можна використовувати для попередньої оцінки результатів і планування виробництва.

Аналізуються проблеми розробки радіаційних установок для промислового застосування. Визначено, що оптимальним шляхом зниження собівартості є забезпечення можливостей універсального застосування нових установок.

Обґрунтовується доцільність розробки радіаційних установок і технологій, як комплексної задачі проектування на основі системного підходу до реалізації радіаційного промислового процесу. Пропонується керуватися універсальними методами синтезу систем з заданими характеристиками виходів, які зв'язують параметри радіаційної установки, як функціонального об'єкту, з властивостями вихідного продукту.

Доведено, що доцільно здійснити декомпозицію проекту, технологічні елементи винести за контури установки, а структуру будувати з автономних вузлів, об'єднаних за спільністю функцій, як це наведено

Таке проектування є паралельною процедурою розробки спеціальних і уніфікованих технічних засобів для комплектування установки (генератора іонізуючих випромінювань та систем технічних засобів для технологічного процесу). Запропонована методика проектування конкретизує вимоги до уніфікованих вузлів і дозволяє виключити стохастичність (дрейфи) параметрів шляхом їх стабілізації автономними системами автоматичного регулювання (САР).

В п.1.2. досліджуються області застосування радіаційних технологій в світі і визначаються пріоритетні напрямки їхнього впровадження. В п.п.1.2.1 доведено, що найбільшу ефективність від застосування радіації слід очікувати в галузі виробництва харчових продуктів і в медицині, де енергетична криза світової економіки примусила суспільство переглянути доцільність подальшого застосування традиційних технологій як енергетично самих невигідних. Досвід підтверджує високу ефективність радіаційних технологій. Існують усі необхідні соціально-правові підстави для їх широкого впровадження при умові комплектування відповідною технікою. Визначено, що радіаційні установки повинні відповідати жорстким галузевим санітарно-гігієнічним, технологічним та технічним вимогам.

Наведено перелік міжнародних стандартів і норм опромінювання харчових продуктів, згідно яких радіаційна обробка не впливає на їх показники. Відзначено, що радіаційні технології продуктів харчування набагато досконаліше досліджені, ніж будь-які з традиційних процесів (хімічна обробка, теплова, заморожування). В різних країнах визначено широкий перелік продуктів, дозволених для опромінювання. Застосування радіації признане важливим технологічним напрямком сучасного виробництва, а додаткові витрати на процес складають приблизно 0,9 - 3,2% вартості продукту. Радіаційна обробка харчових продуктів найбільш актуальна в тропічних країнах, де об'єктивно важко підтримати необхідну гігієну. Для України така проблема важлива для територій, розташованих в теплому кліматі Таврії та в Причорноморських областях.

В п.п.1.2.2 досліджуються ефективність радіаційних технологій виробництва, зберігання і переробки сільгоспсировини. Аналізується світовий досвід радіаційної обробки з метою запобігання проростанню овочів і фруктів, для дезинсекції зернових та для ефективного знезараження стоків і відходів тваринницьких комплексів. Обґрунтовується актуальність таких технологій для України і можливість розглядати їх як перспективних для розробки радіаційних установок та технологій.

В розділі 2 містяться матеріали дослідження радіаційних технологій, виконаних за участю автора в галузі виробництва харчів та в сільському господарстві України. В п.2.1 описано Державні науково-технічні програми досліджень та використання національних ресурсів із залученням радіаційних технологій. Визначено цілі досліджень та їх актуальність. Одна з них - компенсаторні заходи захисту населення заражених зон України та Білорусії від наслідків аварії на ЧАЕС - вимагала забезпечення населення спеціальним лікувально-профілактичним харчуванням продуктами з великим вмістом біогенних складових. Їх природнім джерелом є лише моресировина, але цей цінний компонент руйнується при типових технологіях переробки, а 40-60% сировини надходить у відходи. Дослідження показали, що від таких недоліків вільні лише радіаційні технології. Було доведено, що залучення радіації є одним з пріоритетних напрямків розвитку новітніх технологій переробки моресировини в Україні та створення спеціальних лікувально-профілактичних продуктів.

Необхідність залучення радіації у промисловість переробки моресировини була також обґрунтована і по факторах ризику від експлуатації існуючих підприємств. Були визначені і досліджені об'єкти забруднення територій, обсяги небезпечних відходів, перелік шкідливих речовин і сполук, патогенних мікроорганізмів, недоліки традиційних заходів знезараження. Аналіз різних шляхів їх утилізації показав, що шкідливі складові відходів входять до переліку речовин, які ефективно знешкоджуються радіацією і, завдяки великому перерізу радіаційно-хімічних реакцій, можуть бути модифіковані в сировину для подальшої переробки.

В п.2.2 викладено результати експериментальних досліджень фізико-технічних проблем радіаційних технологій морепродуктів на радіаційних установках малої потужності. Доведена перевага радіаційних методів над усіма іншими по мінімальному впливу на біохімічний склад оброблених біомас. Аналізуються параметри існуючих в Україні прискорювачів з метою створення для рибопереробних комбінатів технологічної установки потужністю переробки до 1500 т відходів щорічно.

Розроблено оптимальні структури і здійснено повномасштабне макетування радіаційних технологічних ліній знезараження морської сировини. На цих лініях були випробувані нові оригінальні технологічні регламенти комплексної маловідходної технології переробки гідробіонтів.

В п.2.3 викладено результати досліджень і розробки оригінальних технологій радіаційної пастеризації електронами 4 МеВ харчової продукції рибопереробних підприємств України. При виборі радіаційної обробки, як промислового способу консервування, автори виходили з того, що внесення в продукти додатково нових хімічних речовин для пригнічення активності патогенної мікрофлори хоча і забезпечує адекватний ефект, але становить небезпеку для споживача. В дослідженнях встановлено оптимальний режим опромінення, який забезпечує необхідні характеристики продукції. Досліджено динаміку радіаційно-хімічних змін сировини при тривалому зберіганні в умовах позитивних температур і виявлено ефекти стабілізації якості продуктів.

Було встановлено, що патогенна компонента мікрофлори знешкоджується при дозах в 2 рази менших за встановлені технологічні. Це дозволяє майже в 10 разів подовжити термін зберігання пресервів, аж до 60-80 діб при температурі +5-70С, з 3-х кратним запасом по строках і умовах зберігання

Було досліджено шляхи оптимізації опромінення електронами 3-4 МеВ. Показано, що необхідно враховувати низку зауважень і застережень щодо оптимальної енергії пучка, його монохроматичності, перерізу, рівномірності розподілу в площині опромінювання пресервів, потужності експозиційної дози та інших складових цього процесу.

В п.2.4 наведено результати досліджень, отриманих автором при здійсненні науково-технічного проекту радіаційного знешкодження комбікормів. Цей проект виконувався на замовлення ДАК «Хліб України» з метою вирішення актуальних проблем національного сільського господарства (покращення якості та зниження втрат кормів) нетрадиційними методами з використанням досягнень радіаційних технологій і прикладної ядерної фізики. Отримані результати передбачалось покласти в основу розробки спеціальних технологічних ліній радіаційної стерилізації на кінцевому етапі виробництва. В обсязі проекту досліджено усі складові технології радіаційного знезараження кормів. Встановлені економічні показники радіаційних процесів на різних прискорювачах, вплив геометрії опромінення, календарного регламенту підприємства. Паралельно досліджувались типові методики промислової стерилізації комбікормів. Вони підтвердили, що тільки радіаційні технології забезпечують ефективне знезараження. Розроблено і досліджено три варіанти радіаційних установок з прискорювачем електронів 1,5-2 МеВ в лінії основного виробництва.

Випробування показали високу ефективність знезараження мегавольтними електронами навіть стійких мікроорганізмів і в ідеальних “прожиткових” умовах. Встановлено діапазон мінімальних доз надійної стерилізації, які практично не змінюють фізико-хімічний склад комбікормів. Очікуване підвищення собівартості знезаражених кормів не перевищує 0,5-1,5%. Дослідно-промислове випробування кормів, вироблених за радіаційними технологіями, показали їх високу ефективність і були рекомендовані для широкого споживання.

Результати виконаних досліджень свідчать, що радіація є ефективним інструментом для новітніх економічно вигідних технологій. Доведено, що переробка сільськогосподарської та морської сировини, виробництво харчових продуктів та медицина, є найбільш перспективними напрямками впровадження радіаційних технологій.

В розділі 3 досліджуються проблеми проектування радіаційних установок. В п.3.1 розглядаються питання оптимального вибору джерел іонізуючих випромінювань, динаміка розвитку технічної бази радіаційних технологій, аналізуються галузі застосування. Обґрунтовано застосування електрофізичних джерел іонізуючих випромінювань (ЕФДІВ). Розглядаються ЕФДІВ, які є в Україні. Аналізуються ринок електрофізичних джерел випромінювання, критерії вибору і досвід промислового використання прискорювачів в Україні.

В п.3.2 досліджуються проблеми біологічного протирадіаційного захисту радіаційних установок. Такі дослідження мали на меті вирішення принципових питань впровадження у промисловість потужної радіаційної техніки з енергіями випромінювання більше 4-6 МеВ. Встановлено, що фактичні витрати на спорудження корпусу з радіаційним захистом при створенні технологічних ліній можуть перевищити витрати на придбання техніки для джерела випромінювання. Це обумовлює низьку зацікавленість підприємств до впровадження радіаційних технологій. Тому пошуки шляхів зниження собівартості капіталовкладень у спорудження корпусу установки є актуальною темою для проектування нової радіаційної техніки для промисловості.

Проаналізовано діючі правила проектування, реалізовано різноманітні конструкції протирадіаційного захисту, рекомендації виробників прискорювачів та досвід експлуатації. Виявилось необхідним провести додаткові дослідження фізичних процесів виникнення і поширення небажаного побічного випромінювання від ЕФДІВ, що супроводжує радіаційний технологічний процес та спричиняє генерування гальмівних і розсіяних електромагнітних випромінювань всередині приміщення прискорювача та за його межами. Дослідження дозволили встановити і проаналізувати причини похибок в розрахунках засобів захисту традиційними методами. Визначено перелік ефектів, суттєвих для оптимізації товщини стін, облаштування технологічних проходів та розташування генеруючого обладнання. Теоретичні і експериментальні дослідження перспективних напрямків проектування протирадіаційного захисту показали, що метою оптимізації його конструкції є рівномірний розподіл потоків радіації в приміщеннях для ефективного використання захисних матеріалів.

Експериментально досліджено фактичний розподіл - випромінювань від лінійного прискорювача електронів «технологічного діапазону» (4 МеВ) та їх взаємодія з поширеними конструкційними матеріалами. Генератором - випромінювання була гальмівна мішень - конвертор енергії пучка прискорених електронів. Досліджувались особливості формування потоків зворотно розсіяного гальмівного - випромінювання широкого енергетичного спектру від різних матеріалів. Отримані кутові залежності відбитого - випромінювання надали можливість оптимізувати вибір типу

конструкційних матеріалів для протирадіаційного захисту нової техніки з метою максимального зниження розсіяної радіації. З урахуванням отриманих результатів була розроблена схема захисту приміщення установки, де при раціональному співвідношенні ефективність-витрати інтенсивність локальних потоків фотонів високої енергії знижено приблизно в 10-30 разів за рахунок екрануючої дії обладнання, конструкцій стін перемінної товщини та системи розсіюючих екранів поблизу генеруючого обладнання.

Ця схема стала основою проектування протирадіаційного захисту промислової технологічної радіаційної установки з прискорювачем електронів 4 МеВ і потужністю пучка 5-6 кВт.

В п.3.3 досліджуються шляхи підвищення експлуатаційних показників електрофізичних радіаційних установок.

Для радіаційних технологій це важлива проблема рентабельності виробництва і його конкурентної спроможності. Вона визначається особливостями ЕФДІВ на технологічні енергії. Так, лінійні резонансні прискорювачі мало привабливі для організації виробничого процесу через надто малий коефіцієнт корисної дії. При споживанні від мережі живлення 100-120 кВт потужності в пучок передається всього 5-10 кВт. Спожита потужність перетворюється в теплову енергію і призводить до прискореного старіння обладнання та падіння надійності роботи установки. Розсіяння електроенергії на елементах ЕФДІВ є визначальними показниками її стану і оптимальності настройки. З цих міркувань запропонована організація контролю за температурою силових вузлів радіаційної техніки, за ефективним відводом тепла та їх термостабілізацією. Для прискорювачів «Електроніка» найбільш важливими є: стабілізація температурного режиму магнетрона, діафрагмованого хвилепроводу та тиратронного імпульсного генератора.

Теплові режими силових елементів прискорювача забезпечуються відводом виділеного тепла за допомогою різних теплоносіїв (вода, повітря, масло тощо). В проекті нових радіаційних установок важливе місце повинні займати розробки відповідних систем охолодження (краще - з функціями терморегулювання). З цією метою для нової радіаційної техніки розроблена і випробувана удосконалена система водяного терморегулювання за схемою радіальної подачі теплоносія на об'єкт від загального гідроакумулятора з теплообмінником-терморегулятором та рекуператором тепла в приміщеннях установки

Досліджено системи управління засобами терморегулювання радіаційної техніки, обґрунтовані принципи підбору стійких до радіації датчиків, засобів подачі і регулювання теплоносіїв, виконуючих пристроїв та засобів технічної автоматики. Обґрунтовані шляхи створення необхідної електронної апаратури.

В п.3.4 досліджуються шляхи забезпечення фізико-технічних показників радіаційної техніки. Встановлено перелік особливих вимог до радіаційних установок промислового призначення. Вони повинні формувати специфічні конфігурації радіаційних полів широкого спектру енергій, забезпечувати метрологію процесів, задовольняти технологічним, технічним, екологічним та економічним вимогам. З цією метою запропоновано включати до складу радіаційних установок спеціальні підпучкові пристрої для здійснення технологій та комплектувати установки відповідною документацією на виробництво.

З попередніх технологічних досліджень встановлено, що гарантією високої якості продукції є рівномірне опромінювання стаціонарними потоками електронів з широким енергетичним спектром. Але традиційне сканування пучком по поверхні таких можливостей не надає. Тут необхідно трансформувати вузькі пучки діаметром 2-3 см в широкі потоки електронів, достатні для розміщення і рівномірного опромінення промислової продукції значних габаритів. Теоретичні дослідження показали принципову можливість здійснити це шляхом розсіяння електронів на тонких мішенях. Очікувались незначні втрати енергії основного випромінювання без суттєвого впливу на економіку промислових процесів. З метою встановлення конструктивних особливостей таких засобів проведено експериментальні дослідження їх повномасштабних моделей. Експериментально перевірені залежності кутових і енергетичних показників радіаційних полів від структури і конструкції елементів розсіювання на пучку електронів 4 МеВ. Дослідження підтвердили їхню відповідність попереднім розрахункам. За цими результатами розроблена і досліджена оригінальна система формування пучків перерізом до 10000 см2.

В п.3.5 досліджуються проблеми технологічної дозиметрії. Формулюється перелік параметрів, які є показниками радіаційного технологічного процесу. Для комплектування промислових радіаційних установок розроблені і експериментально випробувані методи контролю енергетичного спектру пучка, енергії електронів, струму пучка, щільності його потоку в зоні опромінення, інтенсивності супутніх випромінювань, різні варіанти датчиків.

В п.3.6 досліджено проблеми автоматизації експлуатації радіаційних установок, як важливий фактор задоволення економічних вимог виробництва. Розглянуто можливість застосування різних апаратно-програмних систем автоматизації. Показано, що системи автоматизованого управління краще будувати за комбінованими структурами з кількох стандартів. Але умовою застосування будь-яких стандартів є відповідне удосконалення технічних засобів радіаційної установки. За відсутності фінансових обмежень, для реалізації управління в реальному часі рекомендується застосовувати аналогові автоматичні контури регулювання і стабілізації безпосередньо в складі технічного обладнання.

В розділі 4 відображено результати втілення положень дисертації у розробку потужної радіаційної установку ІЯД НАН України, що базується на прискорювачі електронів з енергією 4 МеВ, імпульсною потужністю пучка більше 6 МВт. Для прискорювача розроблено і реалізовано систему заходів підвищення його характеристик і адаптації до потреб виробництва.

Структура установки наведена. Вона утворена численними технічними засобами і системами, які необхідні для забезпечення її технологічного застосування як потужної сучасної промислової установки, розрахованої на технологічне опромінювання більше 7000 тон продукції на рік.

В п.4.1 коротко окреслено планову програму використання установки в фундаментальних дослідженнях та прикладних роботах. Наведено загальний склад технічних засобів ЕФДІВ, які сприяють виконанню програми, особливості забезпечення технічної та радіаційної безпеки експлуатації.

В п.4.2 описано базові вузли та елементи, розроблені для даної установки. Вимоги універсальності застосування установки реалізовано, в першу чергу, в конструкції реакційної камери, яка спроектована для опромінення різноманітної продукції великих розмірів. Об'єм цієї реакційної камери (більше 30 м3) є характерною особливістю промислової установки великої потужності регіонального призначення.

Ще однією особливістю установки є комплекс аналогових систем автоматичного регулювання вхідних параметрів, створених для стабілізації режиму і надійної роботи прискорювача. Важливість їх розробки в обсязі проекту нової радіаційної установки обумовлена структурними вимогами виключення стохастичності характеристик установки і зниження дрейфів її вхідних параметрів. Одночасно вони утворюють детерміновану структуру проекту і забезпечують наперед задані показники її вихідних параметрів. Дослідження показали доцільність використання аналогових систем автоматичного регулювання зі зворотними зв'язками по відхиленню регульованих величин, як найбільш стійких до дії різноманітних перешкод, в тому числі і через взаємозв'язки між вхідними параметрами.

Експлуатація установки показала високу ефективність аналогових систем управління у вирішенні проблем стабілізації пучка в реальних технологіях.

Показані діаграми стабільності радіаційного поля в реакційній камері при опромінюванні продуктів харчування до і після впровадження аналогових систем авторегулювання.

Одним з важливих заходів забезпечення технологічних можливостей радіаційної установки завжди є розробка принципів і систем управління. Дослідження показали принципову можливість забезпечення заданих експлуатаційних показників роботи установки (власне - управління) різними шляхами використання розподілених і централізованих систем. Аналіз досвіду здійснення промислових процесів показав перевагу централізованих схем через необхідність одночасно реалізовувати і управління функціональними вузлами установки та їх узгодження з ходом технологічного процесу. З цих міркувань для потужної радіаційної установки розроблено та реалізовано централізовану систему управління, яка охоплює всі функціональні вузли і об'єднує їх через пульт оператора.

В склад пульту входять контрольно-вимірювальні прилади, засоби автоматичного регулювання і стабілізації, засоби контролю за станом установки, технічні засоби формування вхідних параметрів і контрольованих величин, засоби технічного і технологічного захисту, система кабельних мереж. Базою централізованої системи управління є установка блокувань та сигналізації для автоматичного контролю і захисту обладнання при виникненні аварійних ситуацій, а також централізована система синхронізації. Вона включає технічні засоби, розроблені для формування і синхронізації імпульсів управління з визначеними просторово-часовими характеристиками, нестандартні імпульсні засоби регулювання струму пучка та ін.

Для метрологічного супроводу промислових процесів на установці створена спеціальна система технологічної дозиметрії. Її важливим елементом є прецизійний механічний пристрій, який переміщує детектори випромінювання в 3-х координатах і здійснює сканування простору до 2 м3 з точністю ±0,5 мм в будь-якій точці. Він забезпечений комплексом різноманітних детекторів іонізуючих випромінювань і надає операторові можливості опромінення зразків з максимальними габаритами 80 см х 80 см з точністю не гірше 5%. Конструкція сканера розрахована на роботу в інтенсивних радіаційних полях.

Технологічні характеристики установки забезпечено системою оригінальних підпучкових технічних засобів для опромінювання виробів в реакційній камері установки. Найбільш важливим елементом є транспортна лінія, створена для подачі матеріалів на радіаційну обробку. Вона здійснює складні еволюції зразків при транспортуванні та опроміненні, старт-стопний режим, стабільне переміщення, заміну зразків; забезпечена засобами контролю та захисту. Для наукових досліджень створені спеціальні засоби автоматизації експериментів. Одним з них є система позиціювання одночасно 3-х досліджуваних зразків або датчиків радіації з точністю не гірше 1мм в будь-якій точці опромінюваного простору.

В п.4.3 описані системи охолодження, створені для підвищення експлуатаційних показників установки. Для стабілізації робочих режимів обладнання розроблена ефективна система водяного охолодження з радіальною схемою подачі теплоносія і загальним контуром стабілізації температури в баці-накопичувачі. В ній максимально знижена металоємність і використано високоефективні пластинчасті теплообмінники. Ефективність охолодження установки забезпечується також численними контурами кондуктивного тепловідводу, що входять до системи повітряного охолодження. Притаманні цим системам проблеми - суміщення функцій стабілізації температури і радіаційної безпеки - вирішені в структурі централізованої системи спецвентиляції.

Оригінальною характеристикою такої системи на установці ІЯД є повернення тепла, відведеного від силового обладнання, в технологічні приміщення для підтримання там робочої температури.

Система управління охолодженням і спецвентиляцією утворена мережею контактних засобів контролю за температурою силових вузлів установки та безконтактних датчиків ефективності охолодження високовольтного обладнання, перетворювачів сигналів і виконуючої апаратури

Більшість елементів установки розташовані в технологічному приміщенні з дубльованим протирадіаційним захистом. Протирадіаційний захист здійснюється системою, яка утворена захисними стінами оригінальної конструкції, використанням екрануючої дії обладнання та комплектом місцевих засобів - пересувних розсіюючих малогабаритних екранів.

В п.4.4 наведено результати вимірювання радіаційних полів в боксі установки за допомогою мережі з 60 дозиметрів (, контрастність пропорційна інтенсивності радіації). Вони підтвердили що запропоновані методи дозволяють проектувати системи захисту більш дешеві в спорудженні і експлуатації. Підтвердились теоретичні припущення щодо спектру зворотно розсіяного випромінювання та його деформації в сторону низьких енергій.

В п.4.5 наводяться результати досліджень розсіяного повітрям - випромінювання на прилеглій території і ефективності запропонованих компенсаційних заходів. Як правило, поблизу радіаційних установок розподіл інтенсивності випромінювання має складний характер (графік 1) і є суперпозицією нормального, зворотно-квадратичного розподілу радіації від стін та розсіяних повітрям вторинних - квантів. Поблизу корпусу утворюються зони, де рівень радіації може перевищити дозволений для населених пунктів. Тому компенсація цього ефекту є необхідною умовою впровадження радіаційної техніки. Установки з прискорювачами 5-10 МеВ відносяться до категорії спеціальних технічних засобів з підвищеною небезпекою. Для їхнього використання на типовому підприємстві, де відсутні санітарні захисні зони навколо корпусів і діють жорсткі вимоги щодо додаткової радіації на їхній території, запропоновано шляхи компенсації розсіяних - квантів до рівнів, що відповідають нормативним документам по радіаційній безпеці.

На установці ІЯД для цього створена додаткова конструкція з суміщеними функціями - для розсіяння гальмівних - випромінювань над реакційною камерою та розміщення там спеціального устаткування для радіаційних випробувань обладнання АЕС. Виміряний після модернізації фактичний спад інтенсивності - випромінювання на прилеглих територіях (графік 2) став відповідати зворотно-квадратичному в межах рівнів, дозволених для територій діючих підприємств.

В главі 5, в 4 тематичних підрозділах, відображено результати досліджень технологічних можливостей створеної радіаційної установки. В п.5.1 формулюється узагальнена схема установки. Вона відповідає вимогам гнучкого виробництва і надає можливість здійснювати різноманітні процеси у статусі регіональних електрофізичних центрів радіаційних технологій. Окреслено найбільш перспективні напрямки випробування установки - харчова промисловість, медицина, сільське господарство, будівельні матеріали, утилізація промислових відходів, атомна енергетика, наукові дослідження. Наводяться результати випробування технологій пастеризації харчів. З цією метою базову структуру установки ІЯД було трансформовано в технологічну лінію обробки харчових продуктів у складі електрофізичного джерела випромінювання (ЕЛУ), операційного конвеєра, системи технологічної дозиметрії (СТД), системи формування радіаційного поля (СФП).

На лінії за допомогою радіації здійснюється регулювання життєвих циклів бактеріальної складової мікрофлори, спрямоване на сприяння процесам визрівання продуктів під дією їхніх ферментів і, одночасно, знищення патогенної мікрофлори в їх складі для запобігання псуванню та безпеці споживання. Цей тонкий ефект досягнуто без будь-яких хімічних речовин лише високою точністю дотримання режимів опромінювання та інших етапів технологічного регламенту. Нова технологія супроводжувалась створенням і державною реєстрацією відповідної технологічної документації на виробництво рибної несолоної продукції без хімічних консервантів. Дослідні партії високоякісної дієтичної харчової продукції з подовженими термінами зберігання без будь-яких хімічних добавок, випущених на лінії, отримали сертифікати відповідності діючим вимогам законодавства. Промислова потужність лінії пастеризації перевищує 5 млн. упаковок на рік. Термін окупності однієї технологічної лінії не більше 3 років. Мережа таких регіональних установок дозволить зменшити втрати харчів через псування, які, за даними виробників, в теплий період можуть перевищувати 30% виробленої продукції.

В п.5.2 викладено матеріали випробувань радіаційної установки в технологіях нових медичних сорбентів (терапія онкологічних захворювань) для радіаційно-стимульованої зшивки складових сорбентів і одночасно їх стерилізації. Технологічна схема, утворена з ЕФДІВ та комплекту спеціальних технічних пристроїв позиціювання та рівномірного опромінення, підтвердила можливість використання установки для створення нових медичних матеріалів.

В п.5.3 відображено досвід розробки і реалізація технології радіаційної модифікації відходів фіброматеріалів, автогуми, поліамідакрилового волокна, інших відходів хімічної промисловості. Актуальність вирішення цієї проблеми визначається великими об'ємами надходження в навколишнє середовище цих хімічних матеріалів. Полімерні волокна за токсичністю аналогічні азбестовим. Вони не мають природних механізмів деструкції і становлять загрозу для здоров'я людей. Попередній аналіз ефектів радіаційної хімії дав привід випробувати можливості радіаційних технологій утилізації цих відходів на установці ІЯД. Було запропоновано скористатися тим, що у масі волокон переробленої автогуми є невеликий вмісту крихти бутилкаучуку. Очікувалось, що він регенерується під дією радіації і зможе послужити пластичним зв'язуючим. Для цих робіт створено механічний пристрій подавання спеціальних контейнерів з досліджуваним матеріалом в зону опромінювання без переривання технологічного процесу, електронні та електромеханічні засоби автоматизації керування. Пристрій працездатний в радіаційних полях до 10 кГр/с і забезпечує 3-х координатне переміщення зразків в реакційній камері установки з точністю не гірше 1 мм в об'ємі 80 см х 100 см х 140 см. З його допомогою здійснено радіаційну технологію утилізації фіброматеріалів від переробки зношеної автогуми. Після радіаційної обробки вибухонебезпечна сипуча суміш стає безпечною масою, зв'язаною бутилрегенератом. Шляхом найпростішого механічного пресування вона легко перетворюється в покрівельні вироби.

В п.5.4 наведені результати випробування установки для радіаційних технологій будівельних матеріалів. Сучасне будівництво вимагає нових матеріалів, більш міцних, стійких до вологи і кліматичних факторів, стабільних в експлуатації. Теоретичний аналіз показує, що необхідні якості забезпечують матеріали, які можна описати рівняннями радіаційної хімії. Тут є усі підстави залучити радіаційні технології. Першочерговою задачею було здійснити радіаційно-хімічну модифікацію асфальтобетону. В цих технологіях приваблює можливість шляхом радіаційної обробки здійснити армування асфальтобетону відходами переробки зношеної автогуми і створити новий матеріал - підвищеної міцності, стійкий до деформацій та зношування, з мінімальним водопоглиненням. Була створена технологія нового дорожнього покриття з унікальними фізико-механічними і хімічними властивостями (температура плавлення більше +1000С, в порівнянні з типовими +500С), яке перспективне для доріг і для спорудження відповідальних вузлів на об'єктах ядерної енергетики.

В п.5.5 наводяться результати випробування радіаційної установки ІЯД для функціональних радіаційних випробувань обладнання АЕС з метою визначення надійності та безпеки їх експлуатації. Такі випробування (введені в 2004 році) є проблемою для українських АЕС через відсутність техніки для їх здійснення. Дослідження показали, що найбільшу інформативність ці випробування забезпечують лише при умові одночасної дії на обладнання усіх експлуатаційних і зовнішніх факторів, властивих роботі на АЕС.

За їх результатами було запропоновано комплексний метод кваліфікації функціональної придатності обладнання для роботи на об'єктах ядерної енергетики. Реалізувати його можливо лише на промисловій радіаційній установці ІЯД, яка має реакційну камеру великих розмірів, придатну для моделювання усіх необхідних експлуатаційних факторів. З цією метою на установці створено багатофункціональний стенд одночасного формування радіаційних та всіх інших експлуатаційних умов - вібрація, магнітні та електричні поля, температура та агресивні хімічні фактори, - забезпечений контролем характеристик обладнання та засобами керування експериментом. На першому етапі була встановлена доцільність організації кваліфікації кабельного обладнання і установку доповнено системою одночасного вимірювання радіаційних полів та технічних параметрів кабелів - напруга пробою, опір ізоляції, тангенс кутових втрат, та інші, безпосередньо під радіаційним навантаженням.

З використанням стенду українськими фахівцями вже створені сигнальні кабелі для систем внутрішнього реакторного контролю АЕС, працездатні при температурі до 1000оС, полімерні покриття «Емаль епоксиполіуретанова «ГАММА» (ТУУ 24.3-32423026-003-003) для захисту приміщень та обладнання АЕС. Доведена можливість використовувати радіаційну установку ІЯД в Державних програмах підвищення надійності об'єктів ядерної енергетики.

У Висновку підсумовано результати дисертаційної роботи.

Висновки

Основні результати та висновки дисертаційної роботи:

Розроблено наукову основу створення промислових радіаційних установок та технологій. З цією метою:

1. Досліджено основні положення радіаційних технологій. Узагальнено характеристики фізико-хімічних процесів, які відбуваються при радіаційних технологіях і особливості їх перебігу в залежності від опромінюваних матеріалів, структури технологічних процесів, видів іонізуючих випромінювань та технічних засобів. Визначено перелік діючих факторів, що є визначальними для отримання кінцевого продукту з заданими властивостями і які повинні бути враховані при проектуванні промислових установок для радіаційних технологій.

2. Проаналізовано світовий досвід, техніко-економічні показники використання та сучасні проблеми прогресу променевих технологій. Розглянуто різні варіанти промислового використання іонізуючих випромінювань для виробництва товарів та послуг в країнах з різним рівнем економічного розвитку.