Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 32 – vyšlo 14. srpna, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Osobní ochranné pracovní prostředky v jaderném výzkumu

David Zoul, Markéta Koplová, Petra Krejčová

Výzkum nových materiálů využitelných v jaderných technologiích, jakož i výzkum odolnosti a životnosti stávajících materiálů dlouhodobě vystavených vysokým neutronovým tokům uvnitř již provozovaných jaderných reaktorů, vyžaduje velmi často podrobnou analýzu vzorků a sond, které byly dlouhodobě pokusně bombardovány neutrony a dalšími částicemi v jaderných reaktorech různých typů. Radioaktivita takovýchto zkušebních těles může dosahovat nebezpečných hodnot v řádu jednotek, desítek nebo i stovek terabecquerelůBecquerel – Bq, fyzikální jednotka aktivity udávající počet radioaktivních přeměn za jednotku času ve studovaném objektu. V jaderné fyzice se používají zejména násobky této jednotky: kilobecquerel kBq (10³ Bq), megabecquerel MBq (10⁶ Bq), gigabecquerel GBq (10⁹ Bq) nebo terabecquerel TBq (10¹² Bq). Starší jednotkou radioaktivity je curie, 1 Ci = 3,7×10¹⁰ Bq. (TBq). Příkon dávkového ekvivalentu v blízkosti takovýchto vzorků dosahuje úrovně, jež dokáže usmrtit člověka v řádu minut. Při manipulaci s ozářeným materiálem jsou proto pracovníci chráněni například uranovými či olověnými stěnami přepravních kontejnerů, 500 mm silnými ocelovými stěnami podtlakových hermetizovaných zkušebních laboratoří (tzv. horkých komorHorká komora – radiačně stíněná laboratoř vybavená hermetickými podtlakovými boxy, kanalizací napojenou na záchytnou nádrž a dálkovými manipulátory pro manipulaci s vysoce aktivními vzorky.) a 900 mm silným olovnatým sklem. Veškeré testy jsou prováděny prostřednictvím dálkových manipulátorů z operátoroven, bez fyzické přítomnosti osob uvnitř horkých komor – obr. 1, [1], [2].

Obr. 1: Operátorovna horké komory s průzorem z 900 mm silného
olovnatého skla a s dálkovými manipulátory

V horkých komorách jsou vzorky mimo jiné řezány, broušeny a leštěny pro potřeby elektronové mikroskopie (SEMSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. a TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.), či jinak obráběny, trhány a lámány pro potřeby mechanických zkoušek, mlety na prach pro potřeby práškové rentgenové difrakční analýzy (XRPDXRPD – X-Ray Powder Diffraction, prášková rentgenová difrakční analýza, analytická metoda zabývající se studiem krystalické struktury materiálů na molekulární či atomární úrovni, prostřednictvím difrakce RTG záření na těchto částicích. Pakliže vzorek není ve formě monokrystalu, rozemele se na jemný prášek a namísto směru se poté analyzuje pouze závislost intenzity difraktovaného záření na úhlu mezi primárním a difraktovaným paprskem.) či infračervené spektroskopie (FTIRFTIR – Fourier Transform InfraRed spectroscopy, infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací, analytická metoda založená na absorpci infračerveného záření při průchodu vzorkem, během kterého proběhnou změny rotačně vibračních energetických stavů molekul v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly. Výsledné infračervené spektrum je funkční závislostí energie na vlnové délce dopadajícího záření.), taveny v pecích při teplotách až 1 200 °C apod. Během těchto operací vzniká velmi jemný, často až atomární prach, kterým bývá vnitřní prostředí horkých komor silně zamořeno.

Správa a údržba technologií horkých komor se přesto neobejde bez občasné fyzické přítomnosti pracovníků uvnitř. To je možné uskutečnit samozřejmě pouze tehdy, pokud to radiační situace dovolí (například jsou-li vzorky odvezeny nebo přemístěny do stíněného trezoru). Přítomnost mikroskopických radioaktivních částic v podobě deponovaného prachu a aerosolu rozptýleného ve vzduchu však představuje extrémní hrozbu povrchové i vnitřní kontaminace pracovníků. Pro bezpečnou práci uvnitř horkých komor je proto zcela nezbytné používání osobních ochranných pracovních prostředků (OOPP) o několika úrovních poskytované ochrany. Dle stupně hrozícího rizika povrchové kontaminace a vdechnutí radioaktivního aerosolu v kontaminovaném prostoru určí osoba s přímým dohledem nad radiační ochranou (OPDROOPDRO – osoba s přímým dohledem nad radiační ochranou, radiační pracovník, který je držitelem zvláštní odborné způsobilosti dle zákona 263/2015 Sb (tzv. atomový zákon) a trvale dohlíží nad radiačními činnostmi na pracovišti držitele povolení k nakládání se zdroji ionizujícího záření (ZIZ), provádí pravidelná školení radiačních pracovníků apod.) nejvhodnější OOPP pro daný typ činnosti. V tomto bulletinu vás seznámíme s několika hlavními typy OOPP, které se rutinně používají v našem oboru.

SEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů.

TEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.

XRPD – X-Ray Powder Diffraction, prášková rentgenová difrakční analýza, analytická metoda zabývající se studiem krystalické struktury materiálů na molekulární či atomární úrovni, prostřednictvím difrakce RTG záření na těchto částicích. Pakliže vzorek není ve formě monokrystalu, rozemele se na jemný prášek a namísto směru se poté analyzuje pouze závislost intenzity difraktovaného záření na úhlu mezi primárním a difraktovaným paprskem.

FTIR – Fourier Transform InfraRed spectroscopy, infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací, analytická metoda založená na absorpci infračerveného záření při průchodu vzorkem, během kterého proběhnou změny rotačně vibračních energetických stavů molekul v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly. Výsledné infračervené spektrum je funkční závislostí energie na vlnové délce dopadajícího záření.

OPDRO – osoba s přímým dohledem nad radiační ochranou, radiační pracovník, který je držitelem zvláštní odborné způsobilosti dle zákona 263/2015 Sb (tzv. atomový zákon) a trvale dohlíží nad radiačními činnostmi na pracovišti držitele povolení k nakládání se zdroji ionizujícího záření (ZIZ), provádí pravidelná školení radiačních pracovníků apod.

Tyvek – polyetylenová netkaná textilie vyvinutá v průběhu 50. až 60. let minulého století firmou DuPont. Používá se k výrobě protichemických a protibiologických ochranných obleků.

Eutektická směs – směs dvou nebo více látek, která utuhne při určité teplotě. Látky jsou mísitelné v tekutém stavu, nemísitelné ve stavu pevném. Zatuhlá směs sestává z více fází. Eutektická teplota je nejnižší teplota, při níž je eutektická směs v kapalném stavu. Může být nižší než jednotlivé teploty tání složek směsi.

Záření alfa – proud rychlých jader hélia ⁴He o energiích v rozmezí 4 MeV (emitovaných ²³²Th) až 9 MeV (emitovaných ²¹²Po), jejichž emisí se některá radioaktivní jádra posouvají ke stabilnější energetické konfiguraci.

Záření gama – vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající jako doprovodný efekt jaderných a subjaderných přeměn.

LET – Linear Energy Tranfer, lineární přenos energie, fyzikální veličina popisující hustotu přenosu energie z částic ionizujícího záření na látkové prostředí: LET = dE/dl.

Úroveň ochrany 1 – tyvek a respirátor

Obr. 2: Základní osobní ochranné pracovní prostředky – zleva: nitrilové rukavice,
ochranný oblek z tyveku, vysoký ochranný návlek na nohy

Ochranné latexové či kvalitnější nitrilové rukavice, ochranný oblek (tyvek) a ochranné návleky na nohy tvoří neprodyšné krytí celé plochy těla, vyjma obličeje. Poskytují devadesátiprocentní ochranu povrchu těla před radioaktivním prachem a aerosolem. Pro zvýšení stupně ochrany se zpravidla používají dvě až tři vrstvy ochranných rukavic a návleků, což minimalizuje pravděpodobnost protržení, jakož i průniku atomárního prachu skrze póry až na kůži, a zejména roznesení kontaminace mimo prostor horké komory. Při výstupu po žebříku ven z horké komory totiž pracovník odhazuje kontaminovanou svrchní vrstvu rukavic a návleků a vystupuje ven do předkomory relativně čistý.

Obr. 3: Vlevo respirátor s ochranným faktorem FFP3, vpravo pracovníci
dozimetrické kontroly v „plné polní“

Pro první stupeň ochrany dýchacích cest postačuje respirátor s výdechovým ventilem a ochranným faktorem FFP3, který zachytí více než 90 % nanočástic aerosolu. Tato ochranná pomůcka se hodí pro práci v prostorech, kde je přítomnost významnějšího množství radioaktivního aerosolu ve vzduchu víceméně hypotetická a používá se spíše z preventivních důvodů.

Úroveň ochrany 2: polomaska a celoobličejová maska

Obr. 4: Ochranná polomaska – vlevo bez nasazených filtrů,
vpravo zadní pohled s nasazenými filtry

Pro práci v silněji zamořených prostorách, kde s jistotou očekáváme možnost vdechnutí radioaktivních částic, jsou vhodnými OOPP tyveky doplněné o ochranu dýchacích cest buď polomaskou, nebo celoobličejovou plynovou maskou – viz obr. 4, 5 – s možností použití filtrů s různým stupněm účinnosti (protiprachové, nebo i protichemické).

Vlevo detail celoobličejové ochranné masky, vpravo pracovnice dozimetrické kontroly s polomaskou a pracovník dozimetrické kontroly s celoobličejovou maskou

Obr. 5: Vlevo detail celoobličejové ochranné masky, vpravo pracovnice dozimetrické kontroly s polomaskou a pracovník dozimetrické kontroly s celoobličejovou maskou

Oproti polomasce, kterou je vhodné kombinovat ještě s brýlemi pro ochranu očí, chrání celoobličejová maska úplně celý obličej, včetně očí a jejich okolí. V kombinaci s tyvekem tak tvoří prakticky neproniknutelnou bariéru. Ochrana proti průniku aerosolových částic na kůži, sliznice a do dýchacího ústrojí činí v tomto případě více než 99 %.

Příklady činností prováděných v celoobličejových maskách

Nahoře pracovnice dozimetrické kontroly v „plné polní“, dole radiační pracovníci v celoobličejových maskách během provádění různých činností v zamořených prostorách

Obr. 6: Nahoře pracovnice dozimetrické kontroly v „plné polní“, dole radiační pracovníci v celoobličejových maskách během provádění různých činností v zamořených prostorách

Existují přesto činnosti, kdy ani celoobličejová maska nemusí poskytovat dostačující ochranu. Zejména nanometrové prachové částice vznikající při mletí vzorků ozářených stavebnin, hornin a keramiky, či subnanometrový atomární prach vznikající při tavení ozářeného eutektikaEutektická směs – směs dvou nebo více látek, která utuhne při určité teplotě. Látky jsou mísitelné v tekutém stavu, nemísitelné ve stavu pevném. Zatuhlá směs sestává z více fází. Eutektická teplota je nejnižší teplota, při níž je eutektická směs v kapalném stavu. Může být nižší než jednotlivé teploty tání složek směsi. – obr. 7 – dokáže pronikat filtry a dokonce i několika vrstvami ochranných rukavic a návleků. V těchto případech je potřeba nasadit silnější kalibr.

Obr. 7: Příprava pece pro tavení ozářeného eutektika

Úroveň ochrany 3: přetlaková kukla

Obr. 8: Příprava pracovnic pro vstup z předkomory do silně zamořené
horké komory, v ochranných přetlakových kuklách

Přetlaková kukla poskytuje stoprocentní ochranu hlavy, obličeje, krku a dýchacích cest. Vzduch je do ní přiváděn vzduchovou hadicí kompresorem zvenčí (externím přívodem). Uvnitř vzniká mírný přetlak a proud vzduchu směřující ven brání aerosolům, aby pronikly dovnitř. Přívod vzduchu do přetlakové kukly ústí vně budovy, aby se zamezilo nebezpečí zasažení dýchacích cest pracovníka v případě málo pravděpodobné, leč ne zcela vyloučené radiační havárie, při níž by došlo k úniku kontaminovaného aerosolu do prostoru haly.

Při vstupu pracovníka po žebříku do horké komory jsou nedílnou součástí výstroje bezpečnostní popruhy, za které lze pracovníka vyzdvihnout ven z komory manipulačním jeřábem v případě náhlého zhoršení jeho zdravotního stavu, či ztráty vědomí.

Úroveň ochrany 4: jednorázový přetlakový oblek

Obr. 9: Příklady jednorázových přetlakových obleků

Ačkoli přetlaková kukla skýtá stoprocentní ochranu dýchacích cest pracovníka, některé práškové či kapalné radionuklidy dokážou snadno pronikat mikroskopickými póry ochranného oblečení (rukavice, tyvek, návleky) a difundovat do těla kožními póry. V některých případech je také potřeba vyčistit a odmořit nádrže na kapalný radioaktivní odpad přímo zevnitř těchto nádrží, kdy je pracovník přímo vystaven kontaminované kapalině celým povrchem svého těla.

Některé přítomné látky přitom mohou obsahovat velmi nebezpečné zdroje záření alfaZáření alfa – proud rychlých jader hélia ⁴He o energiích v rozmezí 4 MeV (emitovaných ²³²Th) až 9 MeV (emitovaných ²¹²Po), jejichž emisí se některá radioaktivní jádra posouvají ke stabilnější energetické konfiguraci. pocházející například z ozářeného jaderného paliva. Ty mají vysoký lineární přenos energie (LETLET – Linear Energy Tranfer, lineární přenos energie, fyzikální veličina popisující hustotu přenosu energie z částic ionizujícího záření na látkové prostředí: LET = dE/dl.) a způsobují velmi vážná poškození DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. Samotné částice alfa lze snadno odstínit, například jediným listem papíru nebo pokožkou těla. Pokud by však mikroskopické zdroje záření alfa pronikly až do těla, každá částice alfa působí až dvacetkrát větší poškození než třeba fotony gama ze zevního ozáření.

V tomto případě je na místě ochránit přetlakovým oblekem nejenom dýchací cesty, ale i celý zbytek těla pracovníků. Princip je opět stejný jako u přetlakové kukly, oblek však tentokrát pokrývá úplně celé tělo.

Přetlakové obleky se konstruují jako jednorázové, po ukončení práce se likvidují jako lisovatelný radioaktivní odpad. Kvalitnější a také dražší jednorázové přetlakové obleky jsou neprodyšně spojené s rukavicemi a vysokou gumovou obuví, u těch levnějších se rukavice a gumáky oblékají zvlášť. Tím vzniká potenciální místo pro průnik aerosolů, výhodou však je nižší cena a opakovaná použitelnost některých částí obleku, pokud se je podaří odmořit.

Úroveň ochrany 5: opakovaně použitelný přetlakový skafandr

Obr. 10: Opakovaně použitelné omyvatelné přetlakové skafandry

Stoprocentní komplexní ochranu celého těla poskytuje gumový přetlakový skafandr firmy KLATT. Je dobře omyvatelný a opakovaně použitelný. Z bezpečnostních a také hygienických důvodů je vhodné jej kombinovat s tyvekemTyvek – polyetylenová netkaná textilie vyvinutá v průběhu 50. až 60. let minulého století firmou DuPont. Používá se k výrobě protichemických a protibiologických ochranných obleků. a respirátorem, polomaskou, či maskou. V případě náhodného protržení skafandru uvnitř horké komory by tak zůstal pracovník přiměřeně chráněn po dobu nezbytnou k opuštění kontaminovaného prostoru.

Obr. 11: Příprava pracovnice pro vstup z předkomory do silně zamořené
horké komory, v přetlakovém skafandru

Z důvodu bezpečnosti je skafandr rovněž vybaven elektronickým průtokoměrem vzduchu, který pracovníkovi uvnitř signalizuje prostřednictvím barevných LED diod okamžitou úroveň přísunu čerstvého vzduchu do skafandru.

Závěr

Ačkoli s sebou rok 2020 přinesl povinnost používání roušek a respirátorů pro každého z nás doslova v každodenním životě, v řadě profesních oborů byly, jsou a budou podobné i mnohem sofistikovanější ochranné pomůcky běžnou rutinou, zcela nezávisle na různých módních vlnách davových hysterií, které přicházejí a zase odcházejí.

Prezentované výsledky byly finančně podpořeny Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy – projekt LQ1603 Výzkum pro SUSEN. Práce byla realizována na velké infrastruktuře Udržitelná energetika (SUSEN) vybudované v rámci projektů CZ.1.05/2.1.00/03.0108 a CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_008/0000293.

Odkazy