Конспект бжч. Конспект лекций БЖЧ-радиационная безопасность. Конспект лекций к общему курсу для студентов специальностей
 Скачать 0.99 Mb.
|
I. Радионуклиды, входящие в радиоактивные ряды (семейства) урана и тория Это 47 изотопов тринадцати элементов периодической системы Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно распадается и переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Все нуклиды в ряде, начиная с материнского (те. исходного) вплоть до конечного, находятся в определенном соотношении. В природе существует 3 радиоактивных ряда (семейства Урана, актиноурана и тория. Названия рядов происходит от названия радионуклида – родоначальника ряда, остальные нуклиды называют дочерними. Ряд урана T ½ = 4,5 · 10 9 лет 238 U → 206 Pb + 8α + 6β Ряд актиноурана T ½ = 7,13 · 10 8 лет 235 U(AcU) → 207 Pb + 7α + 4β Ряд тория T ½ = 1,4 · 10 10 лет 232 Th → 208 Pb + 6α + 4β Общими закономерностями рядов являются 1. Родоначальники всех рядов – долгоживущие альфа-излучающие изотопы 2. Каждый ряд имеет радиоактивный газ радон, актинон, торон 3. Каждый ряд заканчивается стабильным изотопом свинца II. В природе встречаются также 17 долгоживущих изотопов, не входящих в ряды. Из них 6 – претерпевают альфа-распад ( 142 Ce; 144 Nd; 147,148,149 Sm; 152 Cd; 174 Hf; 190,192 Pt), 4 – распадаются с испусканием электронов ( 87 Rb; 115 In; 176 Ln; 187 Re), 40 K – испускает частицы и γ кванты. У них чрезвычайно большие времена полураспада 10 11 –10 16 лет. Они распылены повсеместно и их вклад в естественную радиоактивность невелик. Основной вклад в естественный фон земного происхождения дает калий с периодом полураспада 1,25 · 10 9 лет Самый распространенный в земной коре радиоактивный изотоп рубидий. Его среднее содержание в земной коре 4,16 · 10 –3 %. Радионуклиды земного происхождения встречаются повсеместно в земной коре, воде, воздухе. 48 Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в томили ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения уровень радиации примерно одного порядка, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мЗв/год. Большую группу составляет излучение космического происхождения. Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят из глубин вселенной галактическое излучение с энергией до 10 15 МэВ, некоторая часть рождается на солнце вовремя солнечных вспышек (энергия – до 10 4 МэВ. Это излучение высоких и сверхвысоких энергий называется первичным космическим излучением. Оно состоит в основном из ядер атомов водорода (протонов) – 92 %, альфа-частиц (7 %), нейтронов, фотонов, электронов и ядер других легких атомов (1 %). Определенный вклад в общий поток космических частиц, падающих на поверхность земли, вносит Солнце. Прирезком увеличении солнечной активности возможно возрастание интенсивности космического излучения до 100 %. Это в основном, протоны, электроны, электромагнитное излучение в широком интервале длин волн от гамма- излучения до радиоволн. Первичное космическое излучение может достигать земной поверхности, но большая часть отклоняется под влиянием геомагнитного поляна расстоянии от 1 до 8 земных радиусов) и образует радиационные слои. Часть космического излучения взаимодействует с атмосферой, образуя так называемое вторичное излучение. В результате такого взаимодействия образуются Н, Н, Ве-7, С, Р, Na-22, S-35, Cl-35, Al-26 и др. – всего около 20 радиоизотопов. Радиоуглерод и тритий являются основными источниками внутреннего облучения космогенной природы. Так примерно 99 % трития, содержащегося в природе, входит в состав молекул воды. Период полураспада 12,32 года, испускает бета-частицы. Главными реакциями образования Си Н являются 14 N + n → 12 C + 3 H или 14 N + n → 14 C + p Мощность космических лучей, достигающих земной поверхности, колеблется в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. 49 Космическое излучение представлено заряженными частицами, которые отклоняются над экватором и собираются вместе в виде своеобразных воронок в области полюсов земли. В результате их мощность минимальна в экваториальных зонах и возрастает по мере приближения к полюсам. Этим также объясняется эффект северного сияния. Помимо этого существует большая зависимость мощности космического излучения от высоты над уровнем моря. На больших высотах, где разряженная атмосфера, интенсивность космического излучения выше. Так, люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв/год, для людей, живущих выше 2 тыс. м над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. В реальности большая часть городов, где проживает основное население земли, расположено между экватором и зонами полюсов, причем, на высоте близкой к уровню моря. Средняя мощность дозы космического облучения жителей – 0,5 мЗв/год. Внутренний радиационный фон человека зависит от многих факторов и зависит от местности, в которой он проживает, рациона питания и др. Так, в организме человека обнаружены практически все рассеянные в земной коре радионуклиды. Основной вклад в поглощенную дозу вносят калий, элементы радиоактивных рядов, космогенные радионуклиды. Таблица 6 Удельная активность пищевых продуктов, обусловленная К естественного происхождения) Продукт А уд. , Бк/кг Молоко коровье 44,4 Масло сливочное 3,7 Мясо говяжье 84 Мясо свиное 33,3 Мясо кролика 107,3 Рыба 70,3 Икра 126 Рожь (зерно) 156,1 Пшеница (зерно) 124,3 Овес (зерно) 154,7 Кукуруза 111,4 Горох 274 Лук 44,4 Фасоль 325,6 Свекла сахарная 96,2 Картофель 119,5 50 Капуста 135,4 Морковь 85 Огурцы 100 Клюква 44,4 В Беларуси средняя доза космического излучения составляет 0,3 мЗв/год, земного – 0,32 мЗв/год, внутреннего 0,37 мЗв/год Радиационный фон жилых и административных зданий Установлено, что среди природных источников ионизирующего излучения в помещении наибольший вклад вносит радон, точнее его короткоживущие дочерние продукты Радон – это невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ. Он тяжелее воздуха враз. Период полураспада 3,8 суток. В природе встречается в двухосновных формах радон и радон. В течение 1 суток 1 грамм радия – 226, излучая альфа-частицы с энергией 4,8 МэВ, выделяет 1 мм газа радона, который также излучает альфа-частицы с энергией 55 МэВ. Пути поступления радона внутрь помещения 1. Радон поступает в воздух жилых помещений в основном из грунта. При этом основную часть дозы человек получает в закрытом, непроветриваемом помещении. 2. Второй по значимости источник радона в воздухе помещений – его выделение из стен и перекрытий. В этом случае концентрация радона будет зависеть от состава строительных материалов 3. Источником радона в помещении может быть также система водоснабжения и природный газ. Так вводе артезианских колодцев Финляндии и США отмечаются высокие уровни радона. При обследовании домов в Финляндии оказалось, что концентрация радона в ванной комнате в среднем в три раза выше, чем на кухне и приблизительно враз выше, чем в жилых комнатах. Радон проникает также в природный газ под землей. Таблиа 7 Концентрация радона некоторых объектах и различных помещениях Объект Удельная активность, пКи/л Хорошо вентилируемые служебные помещения 0,06–0,35 Квартиры в кирпичных домах с воздушным кондиционером 0,01–0,19 Квартиры деревянных домов 0,03–1,7 Кирпичные дома – нижние этажи 1,5–2,9 Кирпичные дома – верхние этажи 0,7–1,0 Каменные дома 2,3–5,8 51 Дома из шлаковых панелей 4,0–8,0 Подвальные этажи с плохой вентиляцией 3,6–7,8 В Беларуси нормативы по содержанию радона в воздухе жилых домов - для строящихся объектов до 100 Бк/м 3; - для ранее построенных домов до 200 Бк/м 3. 5. ИСКУССТВЕННЫЕ (ТЕХНОГЕННЫЕ) ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ К искусственным или техногенным источникам радиоактивности, повышающим естественный фон, относят 1. Медицину – диагностические (рентгеновский аппарат и изотопы, лечебные процедуры и лучевая терапия. 2. Добычу и переработку ископаемых – природное топливо, например, уголь, а также получение удобрений (фосфатная руда. 3. Локальные радиоактивные загрязнения, связанные с энергетикой – сжигание угля и использование других видов энергоресурсов, например, использование подземных резервуаров пара и горячей воды для получения электроэнергии и отопления домов. 4. Ядерный топливно-энергетический цикл, начиная от добычи и транспортировки урановой руды, заканчивая захоронением радиоактивных отходов. 5. Термоядерные испытания. 6. Крупные аварии на ядерных энергетических установках, в том числе и на ЧАЭС. 7. Потребительские товары с радиоактивными веществами. 8. Пожары на радиационно-загрязненных территориях. 9. Другие области использования радиоактивного излучения. Их условно можно сгруппировать в 2 группы загрязняющие радионуклидами окружающую среду предприятия топливно- энергетического цикла и атомная энергетика, испытания атомного оружия и промышленные ядерные взрывы, пожары на радиационно- загрязненных территориях) и не загрязняющие медицина, потребительские товары. Цепной процесс деления урана можно представить в виде следующего уравнения 235 92 U + 1 0 n 236 92 U a1 z 1 X + a2 z 2 Y + k 1 0 n + Q Например, 235 92 U + 1 0 n 140 55 Cs 94 + 37 Rb + 2 1 0 n + Q 52 k – число нейтронов, освободившихся в процессе деления коэффициент размножения нейтронов) X и Y – осколки деления урана (другие хим. элементы) а + а + k = 235 + 1; а 2 /а 1 2/3; k 2-3 Z 1 + Z 2 = 92 Испускаемые нейтроны могут вызывать вторичную реакцию. k = 1 – реакция протекает стационарно (режим работы реактора) k > 1 – режим разогрева реактора или режим взрыва атомной бомбы k < 1 – реакция гаснет (режим заглушенного реактора. Для поддержания стационарного процесса и управления протекающим процессом используют замедлители нейтронов (тяжелую воду, углерод в виде графита) Цепной процесс деления урана развивается за 10 –7 с. В каждом акте деления выделяется 200 МэВ энергии. Отвести такое количество энергии каким-либо теплоносителем за время развития цепной реакции невозможно, и при достижении критической массы происходит взрыв. Типичный ядерный реактор включает 5 обязательных элементов 1. делящееся вещество (ядерное топливо. Обычно это уран, 233 или плутоний. 2. замедлитель. Как правило, это вода (тяжелая или обычная, графит или бериллий. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода, затем следует графита потом – бериллий. 3. теплоноситель. Предназначен для отвода тепла, выделяющегося при делении ядер. В качестве теплоносителя используют обычную или тяжелую воду, воздух или инертные газы, расплавленный натрий или сплавы металлов. 4. регулирующие стержни. Выполняются из кадмия или бора и используются для обеспечения контролируемой скорости протекания реакции ядерного деления. 5. защита. Любой реактор является источником проникающей радиации. В этой связи защита требуется для обеспечения безопасности персонала. В качестве защиты используют, как правило, бетон. Важнейшей особенностью работы ядерных реакторов является активация любых веществ, находящихся в активной зоне или вблизи нее. Это связано с наличием в реакторе мощных потоков нейтронного излучения. Можно выделить некоторые экологические проблемы, связанные с использование атомных реакторов - тепловое загрязнение окружающей среды 53 - разработку месторождений урана - обычную утечку радиоактивности - отработку и ликвидацию радиоактивных отходов - транспортировку радиоактивных отходов - аварии реакторов. При работе ядерного реактора образуется большое количество самых разнообразных радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада. Это в основном продукты деления урана, а также образующиеся в процессе захвата в реакторе атомами нейтронов например, плутоний, америций, кюрий. Находясь в реакторе, эти радиоактивные вещества безопасны и проблемы не вызывают. Но по мере истощения ядерного топлива они должны быть удалены из реактора. Кроме того, отходы, содержащие естественные радионуклиды, могут образовываться при добыче и переработке урановых руда содержащие искусственные радиоизотопы – при переработке облученного топлива на радиохимических заводах. Радиоактивные отходы могут быть твердыми и жидкими. Твердые РАО делят на две группы Слабоактивные – загрязненная одежда (перчатки, фартуки и т. п, оборудование, те. все р/а отходы за исключением деталей монтажа топливных элементов и самих отработанных элементов. Источниками слабоактивных отходов являются военные установки, радиохимические заводы, больницы, медицинская аппаратура и множество промышленных устройств. Высокоактивные – отработанные топливные элементы, монтажные детали реакторов, отходы от переработки ядерного топлива. Переработка ядерного топлива осуществляется на специализированных заводах. Здесь осуществляется разрушение топливных элементов и растворение их в сильных кислотах, что сопровождается выделением газов и летучих продуктов деления. Которые необходимо улавливать на фильтрах. По степени активности все жидкие радиоактивные отходы делятся натри класса первый класс – слабоактивные отходы, удельная активность которых не превышает 3,7 10 4 Бк/л; второй класс – отходы средней степени активности, удельная активность которых находится в пределах 3,7 10 4 –3,7 10 10 Бк/л; третий класс – высокорадиоактивные отходы, удельная активность которых превышает 3,7 10 10 Бк/л. Выработаны следующие основные принципы захоронения радиоактивных отходов 54 а) для небольших количеств слабоактивных отходов – разбавление и рассеивание б) отходов средней степени активности – хранение с целью обеспечения распада короткоживущих изотопов и последующее рассеивание в) небольших количеств высокоактивных отходов – извлечение долгоживущих изотопов с высокой токсичностью перед удалением остаточной активности г) больших количеств высокоактивных отходов – концентрирование и хранение (путем остекловывания, бетонирования и т.п.) Захоронение высокоактивных отходов АЭС находится введении правительств соответствующих государств. Как правило, высокорадиоактивные отработанные продукты топлива бетонируют для последующего окончательного долгосрочного захоронения глубоко под землей в стабильных геологических структурах 5. Термоядерные испытания Любое научное открытие, как показал исторический опыт, может быть использовано во благо или во вред человеческой цивилизации. Одним из примеров является создание и применение ядерного оружия. До 1986 года главными источниками радиоактивных загрязнений являлись радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу ядерными взрывами или предприятиями атомной промышленности, а при некоторых обстоятельствах радиоактивные отходы, сбрасываемые в гидросферу или литосферу. Радиоактивные продукты, образующиеся в результате ядерного взрыва, представлены в основном продуктами распада урана или плутония, не прореагировавшим ядерным горючими радионуклидами, возникающими при взаимодействии нейтронов с ядрами элементов оболочки бомбы, воздуха, грунта. В зависимости от времени, проходящего от момента взрыва до оседания частиц на поверхность земли, радиоактивные выпадения делятся натри типа 1. Ближние или локальные выпадения. Они представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Эти выпадения обычно бывают сухими, те. они не связаны с атмосферными осадками. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1-2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширные территории. В результате локальных выпадений на поверхности земли образуется 55 полоса так называемых радиоактивных следов шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сотен километров. Крупные частицы, оседающие под действием силы тяжести, попадают непосредственно на подстилающую поверхность, в том числе и на растительный покров. 2. Промежуточные или тропосферные выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и меньше. Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы, на высоте 11–16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы 20–30 дней. 3. Глобальные или стратосферные выпадения, состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту км. Оттуда они переносятся в тропосферу. Таблица 8 Время осаждения радиоактивных частиц из атмосферы Размер частиц, мкм Время осаждения на расстоянии 2000 мм м 100 0,005 дня 0,015 дня 0,03 дня 100 0,07 дня 0,2 дня 0,42 дня 40 1,45 дня 1,35 дня 2,7 дня 20 1,8 дня 5,4 дня 10,8 дня 2 168 дней 504 дня 1000 дней 1 1,7 лет 5,1 лет 10,2 лет 0,4 8,7 лет 26 лет 52 лет 0,1 67 лет 200 лет 400 лет 0,02 530 лет 1590 лет 3180 лет Основной вклад в ожидаемую коллективную эффективную эквивалентную дозу облучения населения от ядерных взрывов, дают четыре радионуклида: углерод, цезий, цирконий и стронций. 7. Потребительские товары с радиоактивными веществами Некоторые потребительские товары содержат радиоактивные вещества с определенной целью. При нормальной их эксплуатации они не представляют опасности. Однако при некоторых обстоятельствах они могут оказаться небезвредными. Торий используется в особо тонких оптических линзах. Часто уран включали в фарфор который применяли для изготовления протезов и пломб в стоматологической практике для придания блеска искусственным зубам. Ионизационные детекторы дыма, устанавливаемые в многоэтажных жилых и служебных зданиях за рубежом, могут стать еще одним 56 источником радиации в домах. Ионизационные детекторы содержат от 1 до 5 мкКи Америция. В США вклад бытовых предметов в облучение людей составляет 30– 40 мкЗв/год. Сюда можно также отнести светящиеся указатели входа- выхода, компасы (газообразный тритий до 7,5 ГБк), прицелы, телефонные диски, антистатические щетки для удаления пыли с пластинок и фотопринадлежностей (их действие основано на испускании альфа- частиц, люминесцентные источники света (300 МБк трития и 6 МБк прометия, различные электронные лампы (от 1700 кБк С до 6 кБк Со, часы со светящимся циферблатом (содержащие радий или тритий) и др. Источниками рентгеновского излучения являются цветные телевизоры, рентгеновские аппараты для проверки багажа в аэропортах и мн. др. 9. Другие области использования радиоактивного излучения В настоящее время радиоактивное излучение используется в различных сферах человеческой деятельности I. Радиохимический анализ – предназначен для определения и измерения следов вещества. Для этого исследуемые вещества бомбардируются нейтронами. При этом некоторые химические элементы становятся радиоактивными. Анализируют свойства наведенной радиации и по ним характеризуют конкретный элемент. Области применения радиохимического анализа - Археология. Вещи, найденные при раскопках, облучают нейтронами. Некоторые элементы, которые станут на время радиоактивными, можно будет определить по характеру испускаемых ими лучей. Это позволяет определить возрасти возможное место изготовления данного предмета, выявить подделку. Этот метод неразрушающий и более точный, чем химический. - Судебная медицина и криминалистика. Волос, осколок стекла или волокно от одежды, найденные на месте преступления, могут быть сопоставлены с аналогичными предметами подозреваемого. Вероятность ошибки при идентификации очень мала. Если детальный анализ двух предметов показывает идентичность наличия редких элементов, то это означает, что они имеют общий источник происхождения. - Биохимия. Определение элементов, необходимых для живого организма в очень небольших количествах. - Геохимия. Распределение химических элементов в земле, разведка минералов. - Полупроводниковая технология. Требуется высокая чистота кристаллов без примесей. Контроль – с помощью радиохимического анализа. 57 - Медицина – стерилизация медицинского инструмента и оборудования, в первую очередь пластмассовых изделий, которые нельзя подвергать термической обработке, шовный, перевязочный материал, пластиковые одноразовые шприцы, устройства для переливания крови и т. д. - Пищевая промышленность. Для консервирования продуктов питания, уничтожения патогенных микроорганизмов в замороженных продуктах, для подавления прорастания лука и чеснока, картофеля, для стерилизации упаковки для молока. - Сельское хозяйство – селекция (растениеводство, животноводство. Например, семена растений облучают, в результате образуются мутанты, среди которых выбирают особи с желаемыми свойствами, те. осуществляют ускорение естественного отбора. Защита растений половая стерилизация насекомых вредителей. Дезинсекция зерна от насекомых и вредителей, замедление созревания бананов, манго, др. фруктов и ягод дозами, что удобно при их транспортировке. - Обеззараживание промышленных отходов и коммунальных стоков. |