ЛЕКЦИИ - ИНСТИТУТ ЖИВЫХ СИСТЕМ
advertisement
Лекция №10. Природные источники ионизирующих излучений Классификация природных ИИИ. Первичное космическое излучение Вторичное космическое излучение. Адронная, электрон-фотонная и мюонная компоненты (механизм их образования, состав). Интенсивность космического излучения на разных высотах. Радиоактивные семейства. Радионуклиды земной коры, атмосферы. Дозовые нагрузки от природных ИИИ. Лекция №11. Искусственные источники ионизирующих излучений Изотопные источники ИИ. История их получения, методы получения. Неизотопные ИИИ. Ускорители – линейные, циклические (устройство, принцип работы). Рентгеновская трубка (устройство, принципы работы и управления). Ядерный реактор. Принципы утилизации отработанного ядерного топлива. Изменение радиационного фона после испытаний и применения ядерного оружия, изготовления и переработки ядерного горючего и эксплуатации ядерных энергетических установок. Ионизирующим называется излучение, взаимодействие которого с атомами среды приводит к образованию ионов разного знака. Различают непосредственное ионизирующее излучение (состоящее из заряженных частиц с энергией, достаточной для ионизации атомов при столкновении) и косвенное ионизирующее излучение (состоящее из незаряженных частиц и квантов, которые могут создавать непосредственное ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения). Источники ионизирующего излучения – среда, объект или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать, ионизирующее излучение. Источники ионизирующего излучения формируют радиационный фон в среде, у земной поверхности на открытой местности, вокруг объектов или внутри зданий или сооружений. Радиационный фон у поверхности Земли складывается из космического излучения, излучения от радионуклидов, содержащихся в земной коре, почве и других объектах внешней среды - естественных радионуклидов (ЕРН), излучения от ЕРН, повышенного в результате добычи и (или) переработки значительных количеств минерального сырья, технологически измененный (как правило, повышенный) фон от ЕРН, излучения от искусственных радионуклидов (ИРН), образовавшихся в результате деятельности человека (ядерные взрывы, сбросы и выбросы предприятиями ядерного топливного цикла и др.). Фоновое облучение живых организмов космическим излучением, излучением от ЕРН, содержащихся в самом организме и окружающей среде, в большинстве случаев превосходит излучение от других источников. Фоновое излучение сопровождало всю историю возникновения и развития жизни на Земле, являясь важным фактором мутагенеза, существенного для эволюции живых организмов в биосфере. Техногенное повышение радиационного фона от ЕРН и ИРН может привести к отрицательным и (или) даже губительным последствиям для живых организмов. Космическое излучение подразделяют на первичное и вторичное. Первичное космическое излучение – поток атомных ядер высокой энергии галактического и солнечного (~90%) происхождения, в основном протонов, α - частиц и ядер более тяжелых элементов, падающих на Землю из мирового пространства. Большинство первичных космических частиц испытывают неупругие столкновения с ядрами атомов воздуха в верхних слоях земной атмосферы, образуя вторичное излучение. На высотах ниже 20 км космическое излучение содержит очень мало первичных частиц и носит практически полностью вторичный характер. Взаимодействие первичного излучения с ядрами атомов воздуха сопровождается множественным рождением элементарных частиц – в основном, π- и q- мезонов. Эти быстрые частицы, в свою очередь, взаимодействуя с ядрами, рождают другие частицы. Таким образом, за счет энергии первичных частиц формируется ядерно-каскадный процесс с несколькими поколениями вторичных частиц. Параллельно с развитием ядерного каскада (жесткая компонента) происходит рост его электронно-фотонной (мягкой) компоненты преимущественно за счет π0 – мезонов. При распаде π0 – мезонов рождаются гамма-кванты и, затем, электронно-позитронные пары. Формирование мягкой компоненты начинается на самой ранней стадии развития ядерного каскада. Средняя энергия этого компонента быстро уменьшается, а вклад ее в космическое излучение начинает преобладать на высоте 10 – 15 км. Рассеяние электронов в каскаде приводит к пространственному расхождению электронно-фотонной компоненты в ливне, поперечные размеры которого могут достигать нескольких сот метров и более (широкие атмосферные ливни). Ядерноактивная компонента, достигающая земной поверхности, состоит преимущественно из протонов и нейтронов. Протоны быстро поглощаются в атмосфере, почве, воде, а нейтроны замедляются до тепловых энергий и убывают за счет ядерных реакций. На границе атмосферы с земной поверхностью в результате альбедо (облачного рассеяния, отражения первичных частиц и гамма-квантов) и псевдоальбедо (облачное рассеяние частиц или квантов в результате взаимодействия с ядрами земной поверхности) формируется ядерно-активная (нейтронная) компонента вблизи земной поверхности. Характеристики космического излучения во многом определяются магнитным полем Земли, образующим так называемые радиационные пояса, простирающиеся на расстоянии до 8 земных радиусов. Нижний пояс лежит между 30˚ и 60˚ к северу и югу от экватора, а внешний пояс – в области более низких широт. Во внешнем поясе преобладают первичные ядерно-активные частицы и электроны большой энергии. Они движутся по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля, отражаясь в районе полюсов вследствие увеличения плотности силовых линий. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов и электронов. Изменения (вариации) космического излучения во времени во многом определяются изменением во времени солнечной активности (хромосферные вспышки и др. реакции). Солнечные вспышки – наиболее бурные процессы на Солнце с выбросом плазмы со скоростями от нескольких сот до нескольких тысяч км/с. Они связаны с интенсивными, но кратковременными увеличениями яркости большей или меньшей части флоккулов (светлых областей в хромосфере вблизи солнечных пятен). Изменения эти происходят, вероятно, в результате быстрого изменения структуры магнитного поля в хромосфере над активными областями. В большинстве случаев вспышки захватывают очень ограниченный участок хромосферы и длятся всего несколько минут. Но бывают более крупные по размерам вспышки, которые длятся десятки минут, а отдельные охватывают значительную часть флоккулов и продолжаются несколько часов. Последние и являются главным источником радио- и магнитных помех на Земле, так как поток заряженных частиц, выбрасываемых при таких солнечных вспышках, вызывает наибольшие возмущения магнитного поля Земли и наибольшие изменения ионизации в ионосфере. Приход на Землю первичного космического излучения зависит от условий его распространения в межпланетном пространстве. Космические частицы распространяются вдоль силовых линий магнитных полей, имеющих вид архимедовой спирали, исходящей из активной области на Солнце, причем закручивание происходит в направлении вращения Солнца. Поэтому поток первичного космического излучения на Земле наблюдается только от вспышек на западном полушарии Солнца, и на Землю попадает только <50% частиц от всех сильных вспышек. Время «в пути» частиц от Солнца до Земли колеблется от 10 минут (вспышка 4.05.1960 г., например), до 12 часов (вспышка 10.07.1959 г) после начала вспышки интенсивного светового излучения. Время зависит не только от энергии частиц, но и от положения вспышки на Солнце и геометрии межпланетного магнитного поля. При подходе к магнитосфере Земли вспышка вызывает в частности магнитные бури – резкие изменения характеристик магнитного поля Земли. Вспышки во взрывной фазе (подъем интенсивности до максимума) занимают ~10 сек (до 10 – 20 мин у наиболее мощных вспышек), а в фазе спада – значительно больше времени (до часов и более). В составе плазмы вспышки преобладают протоны и α –частицы. Вспышки на Солнце являются ближайшим к Земле источником первичного космического излучения. Практически все, даже самые слабые вспышки, генерируют частицы высоких энергий и космическое. Состав космического излучения солнечного происхождения совпадает практически с составом солнечной хромосферы, где и рождаются вспышки. Около 80% всех вспышек на Солнце в космическом излучении сопровождаются вспышками радиоизлучения. Кроме этого географического эффекта магнитные бури хорошо объясняют и временные изменения (вариации) космического излучения. Около 75% этой мощности дозы создается электронами, образующимися при взаимодействии мюонов с ядром; 15% – лектронами, образующимися при распаде мюонов, а 10% – лектронами, образующимися в других процессах. (электроннофотонные ливни и др.). Дозы, обусловленные космическими нейтронами, формируются в результате взаимодействия нейтронов с ядрами – захвата медленных нейтронов в реакциях (n,γ); (n,p); (n,α) и прямых соударений быстрых нейтронов в реакциях рассеяния. На каждого из нас постоянно действуют инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые (УФ) лучи. Их прохождение через воздух не сопровождается появлением в нем ионов, поэтому их не относят к ионизирующим излучениям. В спектре электромагнитного излучения за УФ-лучами расположено рентгеновское излучение. Источником ионизирующих излучений могут служить различные радионуклиды. Напомним, что нуклид - это вид атомов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре. Если ядра атомов нуклида радиоактивны, то его называют радионуклидом. К числу радионуклидов в окружающей среде принадлежат атомы таких тяжелых химических элементов, как уран U и торий Th. Распадаются уран и торий очень медленно. Скорость распада характеризуют периодом полураспада Т1/2 - временем, за которое распадается половина из имевшихся первоначально ядер радионуклида. Возникающие при радиоактивном распаде этих материнских ядер дочерние ядра, например 210Ро, 226Ra, и 222Rn, обладают значительно меньшими значениями Т1/2 (вплоть до десятитысячных долей секунды). Дочерние радионуклиды вместе с материнскими образуют радиоактивные ряды, конечные продукты которых – стабильные атомы свинца. Хотя значения Т1/2 дочерних радионуклидов и невелики, они постоянно образуются при распаде предшественников и с постоянной скоростью распадаются, так что в земной коре все они содержатся в неизменных, правда в значительно меньших, чем материнские, количествах. Подвижность многих дочерних радионуклидов (например, радона) в земной коре значительно выше, чем материнских. Поэтому эти радионуклиды оказываются вездесущими и в рассеянном состоянии присутствуют практически всюду. Ионизирующее излучение дочерних радионуклидов вносит заметный вклад в радиационный фон (фон ионизирующего излучения) Земли. Особенно велика роль в радиационном воздействии на человека входящего в ряд 238U радионуклида 222Rn. Наряду с радионуклидами тяжелых элементов в природе существуют и радионуклиды некоторых элементов середины Периодической системы Д.И. Менделеева. Наибольшее значение среди них имеет 40К (Т1/2 = 1,29 " 109 лет), входящий в смесь природных изотопов калия. Калий – один из самых распространенных элементов земной коры. Растения усваивают необходимый для их питания калий (и, следовательно, 40К) из почвы. Далее по пищевым цепям 40К попадает в организмы животных и человека. Содержание радионуклида в объекте характеризуют через его активность. Единица активности – 1 беккерель (1 Бк), 1 Бк отвечает одному распаду в 1 с. Ранее единицей активности было 1 кюри. Указанные естественные радионуклиды имеют земное происхождение (их называют терригенными). В 40-х годах ХХ века в результате освоения энергии атомного ядра были созданы ядерные реакторы, в которых происходит расщепление ядер 235U или 239Pu на ядра более легких элементов. При работе ядерных реакторов образуются не существующие в природе радионуклиды более 40 элементов Периодической системы (эти радионуклиды называют техногенными). С 1945 года до начала 60-х годов такие страны, как США, СССР, Великобритания, а позже Франция и Китай, провели большое число испытаний ядерного оружия, что привело к загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды в глобальном масштабе. К попаданию радионуклидов в окружающую среду привела и работа предприятий так называемого ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Эти предприятия включают добычу урановых руд и извлечение из них урана, изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов), собственно ядерные реакторы, а также заводы по переработке отработанных твэлов, извлечению из них радиоактивных отходов и регенерации ядерного топлива. Конечно, ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание техногенных радионуклидов в окружающую среду. Но даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон (радионуклид 85Kr), а также небольшие количества 131I, трития и некоторых других радионуклидов. В результате произошло загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами, особенно такими, как 90Sr, 137Cs, 131I, 129I, 85Kr, а также радионуклидами некоторых трансурановых элементов. Можно отметить, что к загрязнению атмосферы радионуклидами приводит и работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продуктов их распада, и при сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу. К загрязнению почвы радионуклидами может приводить даже использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье (например, в апатите), которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы. К загрязнению техногенными радионуклидами океана привело и то, что в некоторых странах высокорадиоактивные отходы ЯТЦ длительное время сбрасывали в океан в специальных контейнерах (США) или по трубам (Великобритания). Из-за этого некоторые моря, особенно Ирландское и Северное, подверглись заметному радиоактивному загрязнению. Загрязнение Мирового океана может неблагоприятно сказаться прежде всего на жизнедеятельности фитопланктона, от нормального существования которого во многом зависит жизнь на Земле. Поэтому в настоящее время введены строгие ограничения на сброс в океан радиоактивных отходов. Если рассмотреть ядерный топливный цикл подробнее, то вырисовывается следующая картина. Урановую руду добывают или открытым способом, или же шахтным. Далее эту руду доставляют на обогатительную фабрику, которую строят не очень далеко от карьеров и урановых шахт. Ясно, что и карьеры, и шахты, и фабрики являются источниками радиоактивных веществ. Рудники дают кратковременные загрязнения. Обогатительные фабрики же накапливают огромные количества отходов, содержащих радиоактивные вещества. Эти отходы являются главным источником облучения населения, который связан с атомной энергетикой. Этот источник будет оставаться эффективным в продолжение миллионов лет. Практически с ним сделать ничего нельзя. В лучшем случае от него можно (надо) отгородиться, «связать» его, покрыв асфальтом или полимерным материалом, в частности, поливинилхлоридом. Однако и эти покрытия не вечные. Продукт обогатительной фабрики – урановый концентрат – поступает на специальный завод, где он перерабатывается и очищается. В результате получается ядерное топливо. Но без отходов не обходится и здесь. Они здесь образуются как в газообразном, так и в жидком состоянии. На этой стадии радиация от данных отходов – радиоактивных веществ – меньше, чем на предыдущих стадиях – в рудниках и на фабрике. Полученное на заводе ядерное топливо поступает по назначению – на атомные электростанции. Здесь величина радиоактивных выбросов зависит от того, какой реактор используется на данной атомной электростанции. На сегодняшний день находятся в эксплуатации в разных странах пять основных типов энергетических реакторов. Водо-графитовые канальные реакторы эксплуатировались только в России и странах СНГ. Наиболее распространенные сейчас водо-водяные реакторы с водой под давлением и водо-водяные кипящие реакторы, которые разработаны в США. В Великобритании и Франции разработаны реакторы с газовым охлаждением. В этих странах они и эксплуатируются. В Канаде широко распространены реакторы с тяжелой водой. Ядерными реакторами следующего поколения являются реакторы на быстрых нейтронах. Четыре таких реактора сейчас функционируют в Европе. Примерно одна десятая часть топлива, которое уже использовано на АЭС, поступает на вторичную переработку с целью извлечения из него урана и плутония. Заводов, на которых производится такая переработка, единицы. Естественно, и здесь имеется проблема утечки радиоактивных веществ. Последнюю стадию представляет захоронение радиоактивных отходов. Все этапы этого производства способствуют загрязнению окружающей среды естественными и искусственными радиоактивными веществами. Уран получают из руды, добываемой в различных странах (Канада, Франция, ЮАР, США, Россия и др.). При добыче урана извлекается большое количество руды с концентрацией урана от 0,1 до 3 %. Концентрации активности в руде в тысячи раз превышают значения, характерные для окружающей среды. Основным компонентом загрязнения является выделяемый газ радон. При работе АЭС попадание радиоактивных веществ в биосферу связано с возможной разгерметизацией отдельных реакторов. Некоторые радионуклиды быстро распадаются, другие живут долго. Величина радиоактивных выбросов у разных реакторов колеблется в широких пределах. В последнее время наблюдается тенденция к уменьшению количества выбросов из ядерных реакторов. В 1989 г. под эгидой Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) была разработана Международная шкала уровня опасности происшествий на АЭС, которая с 1990 г. внедряется и в России. Шкала МАГАТЭ содержит 7 уровней: 1-й уровень – незначительные происшествия на АЭС; 2-й уровень – происшествия средней тяжести; 3-й уровень – серьезные происшествия; 4-й уровень – аварии в пределах АЭС; 5-й уровень – аварии с риском для окружающей среды; 6-й уровень – тяжелые аварии; 7-й уровень – глобальная авария (катастрофа). Первые три уровня называют происшествиями (инцидентами), а последние четыре – авариями. Чернобыльская катастрофа – беспрецедентная авария в атомной энергетике, приведшая к крупномасштабным воздействиям на окружающую среду и здоровье населения в целом регионе. Поэтому она относится к наивысшему, седьмому уровню шкалы. Компоненты дозы облучения населения. Наибольший вклад в дозу техногенного облучения дают рентгенологические процедуры (в среднем ~87%). Эта компонента дозы варьирует от 0,1 до 10,0 мЗв/год при среднем значении 0,4 мЗв/год. При этом жители крупных городов получают значительно большие дозы. По мере совершенствования диагностических процедур (самих процедур и системы организации обследования) эти дозы снижаются. Так, в середине 70-х годов в СССР она была в среднем 2,5 мЗв/год, а в 1980 г. соответствующая доза облучения была 0,9 мЗв/год, в т.ч. за счет рентгеноскопии 0,510 мЗв/год (57%), рентгенографии 0,100 мЗв/год (11%) и флюорографии 0,290 мЗв/год (32%). Известно, что генетически значимая доза от рентгенологических обследований составляет при рентгеноскопии 0,080 мЗв/год; при рентгенографии 0,15 мЗв/год и при флюорографии 0,001 мЗв/год. Таким образом, в 1980 г. в СССР и некоторых других странах практически при всех видах рентгенологических обследований превышалась генетически значимая доза (особенно при флюорографии). Доза облучения за счет глобальных выпадений осадков со временем постепенно снижается, так как ядерные взрывы практически прекращены. Доза за счет сжигания угля для отопления жилищ также будет постепенно снижаться за счет развития систем централизованного теплоснабжения, замены угля на газ и др. Использование фосфогипса (отходов производства минеральных удобрений) в строительстве практически прекращено. Значительно сократилось использование бытовых приборов, содержащих радиоактивные источники. Дозы от предприятий ядерного топливного цикла в 1990 г. с учетом выбросов от АЭС (в т.ч. аварийных) не превышали в среднем 0,001 мЗв/год. В отдельных районах Европы (северная, южная и центральная Европа) дополнительные дозы облучения, связанные с чернобыльскими выпадениями, достигали 1,0 ÷ 1,2 мЗв/год (~50% естественного радиационного фона), в Юго-Западной Азии - 0,35 мЗв/год, в Западной Европе до 0,15 мЗв/год. В большинстве районов северного полушария дополнительная доза за счет чернобыльских выпадений не превышала 0,03 мЗв/год (1,5% естественного радиационного фона). Для сравнения – годовые дозы облучения производственного персонала в некоторых видах деятельности. Для экипажей авиатранспорта 1-2 мЗв/год; для работников предприятий ядерного топливного цикла – не более 50 мЗв/год, для шахтеров (угольные и другие не урановые шахты) – 50 мЗв/год, для персонала курортов с радоновыми ваннами – более 300 мЗв/год. РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА Рентгеновская аппаратура широко используется в медицине и технике. В промышленно развитых странах рентгенологическим обследованиям и процедурам подвергаются в течение года от 300 до 900 человек на тысячу населения. Рентгенография, флюорография, рентгенотерапия – эти процедуры стали ординарными. Как правило, они необходимы или даже неизбежны, но сопровождаются облучением тех или иных участков или органов человека. Для сравнения следующие цифры: 0,005–0,01 мЗв – ежедневный 3-часовой просмотр ТВ в течение года, 1,5–2,0 мЗв – годовая доза за счет естественного радиационного фона, 3,7 мЗв – флюорография (одна процедура), 30 мЗв – однократное облучение при рентгенографии зубов, 300 мЗв – рентгеноскопия желудка (одна процедура), 300 мЗв – обслуживание радоновых ванн, 85 мЗв – радиофармацевтическая процедура. Со времени открытия рентгеновских лучей самым значительным достижением в разработке методов рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Ее применение при обследовании почек позволило уменьшить дозы облучения кожи в 5 раз, яичников – в 25 раз, семенников – в 50 раз по сравнению с обычными методами. Рентгеновская аппаратура используется также при рентгеноскопии сварных швов ответственных узлов металлоконструкций. С некоторого времени рентгеновские аппараты стали использоваться в аэропортах для проверки багажа. Опасности для пассажиров эта процедура не представляет, так как облучение, с ней связанное, очень мало. С каждым годом растет применение в медицине радионуклидов и меченных радиоактивных атомов в диагностических и радиофармацевтических целях. Количество процедур и обследований с использованием радионуклидов в развитых странах достигло 10–40 в год на тысячу человек. При этом, конечно, облучаются не только пациенты, но также медицинские работники, сотрудники реакторных установок, на которых производятся радионуклиды, и цехов, где они обрабатываются и фасуются. Средняя доза облучения пациента при этих процедурах невелика по сравнению с процедурой рентгеноскопии. Радоновые ванны приносят людям исцеление от некоторых заболеваний и не приводят к заметному облучению больных. Этого не скажешь об обслуживающем персонале. Доза облучения в год одного сотрудника достигает 300 мЗв. Цветной телевизор стал членом почти каждой семьи, число телезрителей исчисляется многими миллионами. А между тем телевизор тоже является источником ионизирующего излучения, правда, довольно слабого. Тем не менее, трехчасовое «дежурство» в день у телевизора приводит к облучению дозой около 0,01 мЗв в год. В приборостроении и в часовой промышленности часто применяются люминофоры. Светящиеся радиолюминесцентные циферблаты приборов и часов имеют известные достоинства, но для их изготовления применяются радиоактивные материалы. Коллективная эффективная доза населения, полученная от радиолюминесцентных циферблатов часов и приборов, близка к той, которую получают работники атомной промышленности или экипажи авиалайнеров. В этой связи можно напомнить ситуацию, сложившуюся на первых американских атомных подводных лодках. В первый период эксплуатации, при нормальной работе реакторных установок, дозиметристами было отмечено некоторое превышение нормы облучения экипажа лодок. Обеспокоенные специалисты проанализировали радиационную обстановку на корабле и пришли к неожиданному выводу: причиной переоблучения экипажа являлись радиолюминесцентные циферблаты приборов, которыми в избытке были оснащены многие корабельные системы. После сокращения количества приборов и замены радиолюминофоров радиационная ситуация на лодках заметно улучшилась. В последнее время производственные помещения стали оснащаться противопожарной сигнализацией. В детекторах дыма системы сигнализации используются альфа-излучатели. При правильном хранении и эксплуатации детекторы не представляют радиационной опасности. Но при безграмотном и безалаберном пользовании они могут причинить вред здоровью.
