scientificarticle.page.titleprefix Justification of a High-Energy Regime for Water Disinfection by an Electron Beam
Loading...
Date
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
The challenge of providing safe and clean drinking water requires reliable disinfection methods. Electron beam processing is a promising technology, but its industrial application is often limited by regulatory constraints, which typically cap the electron energy at 10 MeV to prevent induced radioactivity. This paper presents a theoretical justification for the radiological safety of using a higher, sub-threshold energy regime. This paper proposes operating in the 10–15.6 MeV range (using 14.9 MeV as a case study) and demonstrate that this approach allows for the treatment of significantly thicker water layers compared to the standard 10 MeV regime, while ensuring radiological safety. A comprehensive numerical model was used to simulate the process, calculating the bremsstrahlung photon spectrum and the induced activity from potential photonuclear reactions. A quantitative analysis of induced activity was performed for the main components of water (16O, 2H) and typical trace impurities according to Ukrainian standards (DSanPiN 2.2.4-171-10). The analysis proves that the induced radioactivity is negligible. The primary activation channel on oxygen is energetically forbidden, and the activity from trace elements is short-lived and falls far below the intervention levels set by Ukrainian radiation safety norms (NRBU-97). This work provides a strong physics-based rationale that a high-energy, sub-threshold regime is radiologically safe, which allows for a reconsideration of existing energy limitations in the design of electron beam water treatment facilities.
Description
Завдання забезпечення безпечною та чистою питною водою вимагає надійних методів дезінфекції. Обробка електронним променем є перспективною технологією, але її промислове застосування часто обмежене нормативними обмеженнями, які зазвичай обмежують енергію електронів на рівні 10 МеВ для запобігання індукованій радіоактивності. У цій статті представлено теоретичне обґрунтування радіологічної безпеки використання вищого, підпорогового енергетичного режиму. У цій статті пропонується робота в діапазоні 10–15,6 МеВ (на прикладі 14,9 МеВ) та демонструється, що цей підхід дозволяє обробляти значно товстіші шари води порівняно зі стандартним режимом 10 МеВ, забезпечуючи при цьому радіологічну безпеку. Для моделювання процесу було використано комплексну числову модель, розраховуючи спектр гальмівних фотонів та індуковану активність від потенційних фотоядерних реакцій. Кількісний аналіз індукованої активності було проведено для основних компонентів води (16O, 2H) та типових слідових домішок відповідно до українських стандартів (ДСанПіН 2.2.4-171-10). Аналіз доводить, що індукована радіоактивність є незначною. Первинний канал активації на кисні енергетично заборонений, а активність мікроелементів є короткочасною та значно нижчою за рівні втручання, встановлені українськими нормами радіаційної безпеки (НРБУ-97). Ця робота надає вагоме фізичне обґрунтування того, що високоенергетичний, підпороговий режим є радіологічно безпечним, що дозволяє переглянути існуючі енергетичні обмеження при проектуванні електронно-променевих очисних споруд.
Keywords
Water disinfection, Electron beam, Bremsstrahlung, Induced activity, Photonuclear reactions, Computer simulation, Sub-threshold energy
Citation
Karpus S., Shopen O., Zakharchuk D., Narozhna T. Justification of a High-Energy Regime for Water Disinfection by an Electron Beam. East European Journal of Physics. 2025. No. 3. P. 431-435. / URL: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-46