Когда научный сотрудник радиационной лаборатории Института промышленной экологии УрО РАН кандидат технических наук Мария Пышкина впервые пришла на Белоярскую АЭС с результатами своих измерений, в отделе радиационной безопасности ее встретили со скептицизмом. Она утверждала, что дозиметры, которыми персонал пользовался годами, могут завышать реальную дозу нейтронного облучения в сотни раз. Не занижать, как принято думать, а именно завышать.
Сегодня разработанный М. Пышкиной спектрометр стоит в государственном реестре средств измерений, выпускается серийно и поставляется за рубеж. Поправочные коэффициенты для дозиметров, рассчитанные для рабочих мест на двух крупнейших ядерных объектах Свердловской области, легли в основу новых аттестованных методик дозиметрического контроля. А Мария Пышкина стала лауреатом Премии губернатора Свердловской области для молодых ученых 2025 года в номинации «За лучшую работу в области технических наук». Сейчас она готовит к защите докторскую диссертацию.
Если совсем коротко, работа Марии Пышкиной направлена на то, чтобы помочь достоверно оценивать дозу облучения персонала на атомных объектах. Звучит просто, но за этой формулировкой десять лет труда и изобретение, которое поставило в тупик специалистов сразу нескольких серьезных промышленных предприятий.
Нейтроны — частицы электрически нейтральные, что уже само по себе делает их измерение нетривиальной задачей. В природе нейтронное излучение встречается в крайне малых дозах — космические лучи, взаимодействуя в атмосфере с азотом и углеродом, рождают нейтроны, которые достигают поверхности Земли, но в количествах, не угрожающих здоровью человека. На объектах, где используются атомная энергия, картина принципиально иная: там техногенные нейтронные потоки существенны, и их нужно уметь характеризовать. Проблема в том, что приборы для этого калибруются в полях высокоэнергетичных, «быстрых» нейтронов со средней энергией около 4 мегаэлектронвольт. А на реальных рабочих местах нейтроны оказываются совсем другими.
Когда группа Марии Пышкиной начала систематические измерения на Белоярской АЭС и в Институте реакторных материалов в Заречном, первым сюрпризом стало именно это. Реакторы БН-600 и БН-800 — установки на быстрых нейтронах, и казалось очевидным, что и на рабочих местах вокруг них должны преобладать быстрые нейтроны. Но из 54 обследованных точек большинство оказались в полях тепловых и промежуточных нейтронов: проходя через бетонные и металлические конструкции, нейтроны успевали многократно рассеяться и замедлиться. А именно в этой низкоэнергетической области чувствительность стандартных термолюминесцентных дозиметров резко возрастает, и прибор, откалиброванный на быстрых нейтронах, начинает показывать недостоверные дозы.
— Бывает так, что доза завышена в сотню раз. Тогда сотрудника могут вывести из зоны контролируемого доступа, отстранить от работы с излучением. А оснований для этого нет никаких. Когда мы впервые пришли на предприятие с этими данными, первый вопрос был: как такое вообще возможно? Но данные были убедительными, — поясняет Мария Пышкина.
Для того чтобы получить эти данные, потребовался особый прибор — многосферный спектрометр нейтронного излучения, позволяющий разложить нейтронный поток по энергиям. В мире он используется давно, однако в российский Государственный реестр средств измерений ни один такой прибор внесен не был. А без этого его нельзя использовать на объектах атомной энергетики. Поэтому прежде всего нужно было разработать прибор, провести его метрологическую аттестацию и зарегистрировать в госреестре.
Принцип действия спектрометра остроумно прост, хотя математика за ним далеко не тривиальная. Детектор на основе гелия-3 под давлением последовательно помещается в двенадцать полиэтиленовых сфер разного диаметра. Каждая сфера замедляет нейтроны по-своему, давая отклик, характерный для определенного диапазона энергий. Из двенадцати значений скорости счета нужно восстановить непрерывный спектр. Пышкина разработала метод подбора: суммарный спектр описывается как сумма трех компонент — тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов, каждая со своими параметрами. Эти параметры варьируются до тех пор, пока расчетные скорости счета не совпадут с экспериментальными. Метод был верифицирован в прошлом году в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске, где прибором измеряли нейтронный пучок для бор-нейтронзахватной терапии онкологических заболеваний. Совпадение с теоретическими данными оказалось, по словам Марии, поразительным.
Разработанный совместно с белорусским предприятием УП «АТОМТЕХ» прибор МКС-АТ1117М с блоком БДКН-06 сегодня выпускается серийно. Был запрос из Бразилии — попросили приехать помочь с внедрением. Мария отказалась: слишком далеко. Но факт остается фактом: отечественный прибор, созданный в Екатеринбурге, находит покупателей там, где есть собственные аналоги.
На основе полученных спектрометрических данных для каждого типа дозиметров были рассчитаны поправочные коэффициенты. Картина получилась неоднородной. Термолюминесцентные нейтронные дозиметры в полях низких энергий переоценивают дозу более чем в 100 раз. Электронные прямопоказывающие — от 0,16 до 7,7 раза. Зато прибор БДКН-06, который используется для дозиметрического контроля рабочих мест, ведет себя вполне корректно: его поправочные коэффициенты держатся в пределах 0,8–1,2, то есть фактически в границах собственной погрешности. Единственная проблема, он большой и тяжелый, персонал его не любит и предпочитает носить что-нибудь полегче. А вот у легких приборов как раз и возникают те самые коэффициенты, которые необходимо учитывать.
— Персонал нас не очень любит, — смеется Мария. — Когда выясняется, что реальная доза в сто раз меньше показаний дозиметра, это воспринимается как предпосылка к снижению надбавок за вредность. Хотя мы занимаемся ровно тем, чего требует принцип радиационной безопасности: достоверным определением дозы облучения. Не завышенным и не заниженным.
Ядерной физикой Мария решила связать жизнь еще в девятом классе, после школьного доклада про атомное оружие. Потом испугалась, что это слишком сложно, и поступила в филиал МИФИ в Лесном на специальность, связанную с электроникой и управлением в технических системах. Когда после выпуска ее позвали в магистратуру УрФУ, уже по технологии радиационной безопасности, она расценила это как второй шанс.
В 2016 году, после первого курса магистратуры, она отправилась на летнюю стажировку в Институт тяжелых ионов в Дармштадте, по ее собственным словам, это было чистой авантюрой. Там она впервые увидела многосферный спектрометр и работала с нейтронной дозиметрией под руководством российских же коллег: в немецком отделе радиационной безопасности, как выяснилось, большинство сотрудников говорили по-русски. Немцы, по ее словам, со временем тоже начали.
Вернувшись, она решила воссоздать прибор на отечественной элементной базе и применить его не к фундаментальным исследованиям, как принято в большинстве зарубежных лабораторий, а к задачам радиационной безопасности на промышленных объектах. На момент начала работы в России не существовало аттестованных методик для подобных измерений, только методические указания, носящие рекомендательный характер.
В ковидном 2020 году, когда экспедиции на закрытые объекты стали невозможны, Мария Пышкина проводила измерения космогенного нейтронного фона у себя на балконе. Потом поступило разрешение работать на куда более интересной площадке: открытом балконе Белой башни на Уралмаше. Подъем пешком. Спектрометр весит около 250 килограммов.
— Коллегам огромное спасибо, они это все таскали. Это было уникальное событие: нам разрешили провести измерения прямо на башне, в нескольких точках по высоте. Данные интересные получились, — вспоминает Мария.
Сейчас в разработке новое поколение прибора: односферный спектрометр с многодатчиковой системой, работающий в режиме реального времени. Он будет компактнее и позволит сократить время измерений на объектах с высоким уровнем излучения. Это важно не только методически, но и с точки зрения дозовой нагрузки на самих исследователей. Одновременно пополняется банк спектрометрических данных: кроме Белоярской АЭС, уже обследованы Ростовская и Нововоронежская станции, ряд исследовательских реакторов. На основе этого массива удалось вывести эмпирические зависимости, позволяющие предсказывать поправочные коэффициенты для дозиметров по одному лишь спектру, без дополнительных прямых измерений. Это существенно упростит практическое применение результатов на новых объектах.
В. МЕЛЬНИКОВ
Фото предоставлено ИПЭ УрО РАН