Лекция 6
1. «АВАРИИ НА РОО». Часть 1: Радиоактивность и связанные с ней опасности.
2. Активность радионуклидов.
Атомы одного и того же химического элемента отличающиеся массой (т.е. количеством нейтронов в ядре при равном количестве протонов) называются изотопами этого элемента. Среди изотопов большинства химических элементов один является стабильным, устойчивым изотопом, тогда как остальные способны самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие изотопы. Поскольку этот самопроизвольный распад сопровождается излучением различной природы, то неустойчивые изотопы были названы радиоизотопами (от лат Radio – излучать), их ядра - радионуклидами, а процесс самопроизвольных превращений - радиоактивностью (иногда более кратко – активностью). Процесс радиоактивности в любом конкретном образце вещества характеризуется числом распадов радионуклидов, измеренным на временном интервале, причем интенсивность процесса со временем уменьшается. Поскольку каждый радиоизотоп распадается со строго определенной скоростью, которая может характеризоваться либо периодом полураспада (Т1/2), т.е. временем, в течение которого распадается половина всех радионуклидов в образце, либо постоянной распада l , т.е. долей распадающихся в единицу времени радионуклидов от их общего числа, то изменение радиоактивности образца любого радиоизотопа описывается законом радиоактивного распада:
A(t) = Ao × e-lt = Ao × 2-t/T ,
где
Ао – активность образца радиоизотопа в начальный момент времени;
Т1/2 - период полураспада данного радиоизотопа;
l - постоянная распада данного радиоизотопа.
Период полураспада и постоянная распада связаны зависимостью:
Рекомендуемые материалы
l = (ln 2)/ Т1/2 = 0,693/ Т1/2
Периоды полураспада для различных изотопов изменяются в пределах от долей секунды до миллиардов лет.
Мерой активности является число радиоактивных превращений в единицу времени. Единицей активности в системе СИ является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду
1Бк = 1 расп/с
Внесистемной единицей активности является кюри (Ки), которой соответствует активность 1г радия:
1Ки = 3,7×1010 Бк .
3. Виды ионизирующих излучений
Изучение радиоизотопов показало, что активность образца вещества является необходимой, но не достаточной характеристикой для оценки его взаимодействия с окружающей средой, поскольку характеризует процесс только в самом образце. В то же время, как указывалось выше, радиоактивность сопровождается различными излучениями, воздействие которых на среду приводит к ионизации атомов и молекул, за что они были названы ионизирующими излучениями. Таким образом, другими характеристиками радиоизотопов являются характеристики ионизирующих излучений, присущих этим веществам.
Поместив препарат радия между полюсами магнита, ученые обнаружили, что поток частиц, уносящих энергию возбужденного радионуклида, неоднороден и разделяется на 3 разновидности: a - и b - частицы и g – излучение. Энергия ионизирующих излучений измеряется во внесистемных единицах - электрон-вольтах (эВ).
a - частицы соответствуют ядрам гелия, лишенным электронных оболочек. a – частицы (He++) обладают массой, определяемой массовым числом А, равным 4 (т.к. состоят из двух протонов и двух нейтронов), и электрическим зарядом +2е. Начальная скорость a - частиц составляет 10 -:- 20 тыс.км/с, энергия в момент вылета 4 -:- 9 МэВ. a - частица обладает очень высокой ионизирующей способностью. В приземном воздухе она может создать до 300 000 пар ионов на 1 см пути. Растратив свою энергию, она превращается в атом гелия, преодолев при этом расстояние в несколько сантиметров (до 10 см), а в более плотных средах еще меньше (в воде 0,1 мм). Лист бумаги полностью задерживает a - частицы любых энергий, поэтому считается, что a - частицы обладают очень низкой проникающей способностью и не играют какой-либо роли во внешнем облучении, однако, изотопы, испускающие a - частицы очень опасны при попадании внутрь организма.
b- частицы - это электроны (иногда и позитроны) со скоростями от нескольких тысяч км/час до близких к световой и энергиями от нескольких тысяч кэВ до 3 МэВ. Ионизирующая способность b -частиц умеренная, на 2-3 порядка меньше, чем у a - частиц, а проникающая способность несколько выше и в воздухе может достигать нескольких метров. Обычная летняя одежда ослабляет поток b- частиц в два раза, однако они вносят определенный вклад во внешнее облучение и представляют опасность при попадании b- излучающих изотопов на открытые участки тела и внутрь организма.
Электрически нейтральное g- излучение представляет собой поток энергетичных квантов электромагнитной энергии (фотонов) с длинами волн l=10-5-:-10-7 мкм (l =10-1-:-10-3Ао) и энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ и нулевой массой покоя.
g – излучение обладает довольно низкой ионизирующей способностью (примерно на два порядка ниже, чем у b-частиц) и очень высокой проникающей способностью. В приземном воздухе g - излучение распространяется на сотни метров, слабо ослабляется различными материалами и играет основную роль во внешнем облучении.
Кроме самопроизвольного распада радиоизотопов в природе имеет место деление тяжелых ядер некоторых трансурановых элементов в результате взаимодействия последних с нейтронами. Это взаимодействие называется ядерной реакцией. Масштаб выделения энергии в этом процессе в сотни раз больше, чем при радиоактивном распаде. Помимо a-, b- и g- излучений (более высоких энергий, чем при самопроизвольном распаде) при ядерных реакциях возникают потоки нейтронов. Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда, с массовым числом А=1, с энергиями от десятков кэВ до 20 МэВ. Нейтроны являются нейтральными нестабильными частицами, которые не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, однако они активно взаимодействуют с ядрами, отдавая им свою энергию и возбуждая атомы, что приводит к их ионизации. Опосредованная ионизирующая способность нейтронов высока. Одновременно нейтроны обладают большой проникающей способностью, что представляет большую опасность при внешнем облучении. Однако, в составе излучений при радиоактивном распаде нейтроны отсутствуют.
4. Дозовые характеристики ионизирующих излучений.
Ионизирующие излучения, воздействуя на облучаемую среду, вызывают определенный радиационный эффект облучения. Исторически первым был обнаружен и измерен ионизационный эффект излучения в воздухе и назван экспозиционной дозой.
Экспозиционная доза (Х) - количественная характеристика поля ионизирующего излучения, характеризующая его ионизирующие возможности. Единицей экспозиционной дозы является рентген (Р), под воздействием которого в 1 см3 сухого воздуха при атмосферном давлении и температуре +18оС возникают ионы, несущие суммарный заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака, что соответствует 2,083×109 пар ионов. Рентген является внесистемной единицей. В системе СИ ему аналогична составная единица 1 кулон/кг = 3876 Р.
В практической дозиметрии применяется удобное правило: доза в 1 Р накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т.е. имеющего активность ~ 1 Ки.
Другой характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с облучаемым объектом явилась поглощенная им энергия, названная поглощенной дозой.
Поглощенная доза (D) – количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела. В системе СИ единица поглощенной дозы – грей (Гр). Грей равен дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия, равная 1 Дж: 1Гр = 1Дж/кг.
Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад[1]: 1 рад = 100эрг/г или 1 Гр = 100 рад, т.е. D(Гр)=0,01D(рад).
Для биологической ткани в поле рентгеновского или g-излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе 1 Р: 1Р»1рад ( точно: 1Р=0,93 рад), т.е. можно принять, что для g-излучения Х(Р)=D(рад)=100 D(Гр).
Кроме того, следует учитывать, что в поле излучения между источником и облучаемым объектом может находиться экран, ослабляющий энергию, достигающую объект. В таком случае, связь между экспозиционной и поглощенной дозами будет:
Х(Р)=Косл D(рад) = Косл 100 D(Гр),
где Косл – коэффициент ослабления экранирующего тела.
Между поглощенной дозой определенного вида ионизирующего излучения и вызванным ею радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. Примером может служить почернение фотопленки в поле R- или g- излучения: чем больше доза, тем интенсивнее почернение фотослоя.
Однако, на биологические объекты равные поглощенные дозы различных видов ионизирующих излучений могут оказывать разный радиационный эффект. Для учета таких эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой разных видов (r) ионизирующих излучений, медицина ввела понятие эквивалентной дозы (Н) и взвешивающих коэффициентов (Wr), для каждого излучения:
Н=Wr D,
где Wr – взвешивающий коэффициент, равный отношению поглощенной дозы эталонного R-излучения, вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе данного излучения, вызывающей тот же эффект (см. табл.1.).
В системе СИ единицей эквиваленнтной дозы является зиверт (Зв) : 1Зв=1Дж/кг, а внесистемной - бэр (биологический эквивалент рада), 1Зв=100 бэр.
Таблица 0.1 Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения
| Вид излучения | Wr |
| Рентгеновское и гамма-излучение, фотоны любых энергий Электроны и позитроны, бета-излучение Нейтроны с энергией меньше 10 кэВ Нейтроны с энергией от 10 кэВ до 100 кэВ Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ Нейтроны с энергией от 2 МэВ до 20 МэВ Нейтроны с энергией более 20 МэВ Альфа – частицы, осколки деления | 1 1 5 10 20 10 5 20 |
Следует также сказать, что медицину часто интересуют более детальные радиобиологические эффекты, проявляющиеся в отдельных частях тела человека, в его органах или тканях.
Известно, что одни из них более радиочувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад особенно опасно из-за риска генетических повреждений.
Поэтому для учета меры риска от последствий облучения отдельных органов человека медики ввели понятие эффективной дозы (Ет), которая определяется как произведение эквивалентной дозы в органе (Нт) на взвешивающий коэффициент данного органа (Wт):
Ет=Нт Wт
Т.к. SWт = 1, то для внешнего облучения организма в целом HTi = H эффективная доза равна эквивалентной:
Е = SНт Wт = Н SWт = Н.
Если же учитывается и внутреннее облучение отдельных органов, то Е ¹ Н.
Единица измерения эффективной дозы в СИ – зиверт (Зв) :
1Зв = 1 Дж/кг.
Таким образом, можно констатировать, что экспозиционная и поглощенная дозы могут определяться путем измерения определенных параметров среды или облучаемого тела, тогда как эквивалентная и эффективная дозы определяются только путем вычислений.
Таблица 0.2 Взвешивающие коэффициенты для органов и тканей организма
| Наименование органа или ткани | Взвешивающий коэффициент, Wт |
| Репродуктивные органы (гонады) Костный мозг, легкие, желудок Грудная железа, щитовидная железа, печень Клетки костных поверхностей, кожа | 0,20 0,12 0,05 0,01 |
Второй группой параметров, характеризующих поле ионизирующих излучений, являются мощности экспозиционной и поглощенной доз (мощности эквивалентной и эффективной доз на практике не используются).
Мощность дозы в момент t это отношение приращения дозы dX, dD за интервал времени dt к этому интервалу:
, 
D
Размерность мощности экспозиционной дозы Р/час, а поглощенной Гр/с, или внесистемная величина рад/час.
Мощности доз могут быть постоянными или изменяться во времени по определенному закону, поэтому дозы могут вычисляться обычным интегрированием
; 
; 
.
Радиационную опасность радиоактивного источника удобно оценивать по активности, выраженной в кюри или беккерелях.
Экспозиционная доза характеризует поле по его ионизирующей способности, которая обусловлена характером источника.
Для перехода от экспозиционной дозы (характеристика поля) к поглощенной дозе (характеристика взаимодействия поля и облучаемой среды) необходимо знать свойства этой среды. При одной и той же экспозиционной дозе, т.е. одном и том же поле, воде, например, будет передана одна энергия, а веществу середины таблицы Менделеева – другая. Поглощенная доза, т.е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения, характеризует радиационный эффект для всех видов физических тел, кроме живых организмов.
Для оценки радиобиологических эффектов на живые организмы используются эквивалентная и эффективная дозы облучения. В ряде простых и практически часто встречающихся случаев допустимо использовать вместо эквивалентной поглощенную или экспозиционную дозы. Однако для смеси различных видов излучений при внешнем и особенно внутреннем облучении только использование эквивалентной дозы позволяет избегать ошибок в оценке степени радиационной опасности облучения человека. А для оценки локальных воздействий различных видов излучений на отдельные органы следует пользоваться эффективной дозой.
5. Биологическое действие ионизирующих излучений.
Биологическое действие ионизирующих излучений подразделяется на первичные физико-химические процессы, возникающие в молекулах живых клеток и нарушение функций целого организма, как следствие первичных процессов.
В результате облучения в живой ткани, как и в любой среде, поглощается энергия, возникают возбуждение и ионизация атомов вещества. Прямое действие ионизирующего излучения может вызвать расщепление молекул, разрыв межмолекулярных связей и т.п.
Однако, прямая ионизация и непосредственная передача энергии не объясняет поражающего действия ионизирущего облучения. Так, при абсолютно смертельной дозе, равной для человека 6 Гр, в одном кубическом сантиметре ткани образуется 1015 ионов, что составляет всего одну ионизированную молекулу на десять миллионов молекул.
Более существенную роль в биологических последствиях играет косвенное действие ионизирующего облучения. У человека основная часть тела (до 75%) состоит из воды, которая при ионизации образует высокоактивные в химическом отношении свободные радикалы типа ОН или Н. В присутствии кислорода образуются также свободный радикал гидроперекиси и перекись водорода, являющиеся сильными окислителями. Эти свободные радикалы и окислители вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других элементов биологической ткани. В химические реакции вовлекается огромное количество молекул, не затронутых облучением.
В результате:
- нарушаются обменные процессы,
- подавляется активность ферментных систем,
- замедляется и прекращается рост тканей,
- образуются новые химические соединения, не свойственные организму - токсины.
6. Эффекты воздействия ИИ на людей.
Действие ионизирующих излучений может вызвать неблагоприятные для здоровья эффекты, которые проявляются либо у облученного лица, либо у его потомков. В первом случае последствия облучения называются соматическими, а во втором - генетическими или наследственными.
Соматические эффекты облучения делятся на детерминированные (пороговые) и стохастические (вероятностные).
Если эффекты облучения выявляются начиная с какого-либо определенного значения дозы, то их относят к детерминированным. При дозе выше определенного порога тяжесть эффекта облучения зависит от величины дозы. К таким последствиям облучения относятся лучевая болезнь, лучевой ожог кожи, лучевая катаракта, лучевое бесплодие и т.д.
Последствия облучения человека, вероятность проявления которых существует при сколь угодно малых дозах, называются стохастическими. Вероятность возникновения этих эффектов пропорциональна дозе, а тяжесть их проявления от дозы не зависит. Сюда относятся злокачественные опухоли, лейкемия, наследственные болезни.
Совокупность перечисленных явлений представляет собой особое заболевание, которое называют лучевой болезнью.
7. Лучевая болезнь.
Лучевая болезнь, возникающая вследствие внешнего и внутреннего облучения, подразделяется на хроническую и острую.
Хроническая лучевая болезнь формируется постепенно при облучении дозами, незначительно превышающими предельно допустимые для професcионального облучения. Эта форма болезни может возникнуть как при общем облучении, так и при локальных облучениях отдельных органов. После снижения облучения до допустимых пределов (или его прекращения) наступает период восстановления. Затем следует длительный период последствий хронической болезни.
В выраженной (острой) форме лучевой болезни различают период первичной реакции, скрытый период формирования болезни, восстановительный период и период отдаленных последствий.
Клинические симптомы первичных реакций, данные анализа крови и костного мозга, особенно количество хромосомных повреждений, позволяют врачам судить о дозе облучения в диапазоне 1...10 Гр, прогнозировать тяжесть лучевой болезни и назначать необходимое лечение.
По тяжести заболевания лучевая болезнь делится на четыре степени. В табл.2. приведены однократные дозы облучения, приводящие к лучевой болезни различной тяжести.
Таблица 0.3 Возможные последствия внешнего облучения людей
| Поглощенная доза, Гр | Степень лучевой болезни | П р и з н а к и п о р а ж е н и я |
| 1 – 2 | 1 | Скрытый период продолжительностью до двух-трех недель, после чего появляются недомогание, общая слабость, может периодически повышаться температура. В крови уменьшается содержание лейкоцитов. Болезнь излечима в подавляющем числе случаев. |
| 2 – 4 | 2 | Скрытый период около недели. Затем наблюдается тяжелое недомогание, расстройство функций нервной системы, головная боль, повышение температуры. Количество лейкоцитов в крови снижается наполовину. При активном лечении выздоровление наступает через два масяца. Возможны смертельные исходы - до 20%. |
| 4 – 6 | 3 | Скрытый период несколько часов, после чего отмечается очень тяжелое состояние, расстройство функций нервной системы, головная боль, иногда потеря сознания или резкое возбуждение, кровоизлияние в слизистые оболочки и кожу. Количество лейкоцитов резко уменьшается. Ввиду ослабления защитных функций организма возможны различные инфекционные осложнения. Продолжитель ность лечения 6...8 месяцев. Без лечения болезнь в 20...70% случаев заканчивается смертью. |
| Более 6 | 4 | Болезнь в большинстве случаев приводит к смерти в течение двух недель. |
8. Государственное регламентирование в области использования ионизирующих излучений.
Правовые основы обеспечения радиационной безопасности в РФ закреплены законом «О радиационной безопасности» №3-ФЗ от 9.01.96г.
Цель радиационной безопасности (РБ) (ст.1) заключается в достижении состояния защищенности настоящего и будущего поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующих излучений.
Пути достижения РБ (ст.22) обеспечиваются за счет проведения комплекса мероприятий по предотвращению радиационного воздействия на организм человека ионизирующего излучения выше установленных норм, правил и нормативов, а также выполнения гражданами и организациями требований к обеспечению РБ.
Принципы обеспечения РБ (ст.3):
1. Принцип нормирования: непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников ионизирующего излучения.
2. Принцип обоснования: запрещение всех видов деятельности по использованию источников ИИ, при которых полученная польза не превышает возможного вреда.
3. Принцип оптимизации: поддержание на возможно низком и достижимом уровне индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при использовании любых источников ИИ.
Государственное нормирование в области обеспечения РБ (ст.9) осуществляется путем установления таких нормативных документов, как ГОСТы, правила и нормы РБ, СНИПы и др. Основным документом, регламентирующим уровни облучения профессиональных работников и населения, являются «Нормы радиационной безопасности (НРБ-96)». Облучение персонала и населения в условиях нормальной эксплуатации техногенных источников ИИ нормируется в соответствии с основными дозовыми пределами (табл.3).
Таблица 0.4 Основные дозовые пределы.
| Персонал | Население | |
| Группа А - лица, работающие с техногенными источниками ИИ | Группа Б - Лица, находящиеся по условиям работы в сфере действия ИИ | |
| 20 мЗв в год в среднем за последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв | ¼ значений для персонала группы А | 1 мЗв в год в среднем за последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв |
В случае радиационных аварий допускается планируемое облучение, превышающее основные дозовые пределы только для мужчин старше 30 лет лишь при их добровольном письменном согласии. Облучение до 100 мЗв допускается с разрешения территориальных уполномоченных органов, а до 200 мЗв - с разрешения Госкомитета по санэпиднадзору.
Перечень контрольных вопросов по теме
1. Ионизирующие излучения: определение и виды.
2. Параметры ионизирующих излучений.
3. Дозовые характеристики поля ионизирующих излучений; экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы, взвешивающие коэффициенты.
4. Воздействие ионизирующих излучений на людей: виды эффектов облучения.
5. Лучевая болезнь.
6. Ядерный топливный цикл, РОО.
7. Реактор и его работа.
8. Аварии на РОО: причины, классификация.
9. Радиационная опасность аварии.
10. Стадии аварии, состав выброса по стадиям аварии.
11. Цели радиационной защиты, принципы радиационной безопасности.
12. НРБ-96. Основные дозовые пределы облучения.
13. Зоны в период нормального функционирования АС.
14. Международная шкала оценки аварий и происшествий на РОО (документ МАГАТЭ).
Литература
В лекции "Тема 8. ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭКОСИСТЕМЫ" также много полезной информации.
1. Основы защиты населения и территорий в чрезвычайных ситуациях. - издательство Московского государственного университета. 1998.
2. Конспект лекций по курсу «Основы ГО в ЧС», кафедра ГО МГТУ, 2000 г.
3. «Гражданская защита», пособие для преподавателей под ред. Л.Титоренко, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.
4. И.Я.Емельянов и др. Конструирование ядерных реакторов, М.Энергоиздат,1987г, под ред. Н.А.Доллежаля.
5. ГОСТ Р 22.3.03-94 «Радиационная безопасность».
[1] Аббревиатура «рад» является транскрипцией с англ. “radiation absorbed doze” , т.е. «поглощенная доза облучения».
