Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики - Ян Мархоцкий

Рис. 4. Деление ядер

После акта деления ядер рожденные при этом осколки, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают «запаздывающие» нейтроны, большое число α-, β- и γ-излучений. С другой стороны, некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

Разветвления реакций деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которых число последних возрастает и может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления, получили название цепных ядерных реакций. Выделяющаяся при этом огромная энергия как раз и является тем мощным источником, который широко используется в атомной энергетике.

Энергия деления тяжелого ядра (примерно 200 МэВ) состоит из кинетической энергии пары разлетающихся осколков деления (165 МэВ), мгновенных нейтронов деления (5 МэВ), энергии мгновенных γ-квантов (7 МэВ), энергии нейтрино (10 МэВ), энергии p-распада осколков деления (16 МэВ), энергии запаздывающего γ-излучения (6 МэВ).

Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер атомов тяжелых элементов.

Основы радиационной дозиметрии и единицы γ-радиоактивности

Количественной характеристикой радиоактивного препарата является его активность. Активностью называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

За единицу активности в системе СИ принята активность препарата, в котором происходит 1 распад в 1 секунду. Эта единица называется беккерелем (Бк) по имени французского ученого А. Беккереля, открывшего в 1896 г., что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью (1 Бк = 1 расп/с). Используются также: единица в 1 тыс. раз большая – килобеккерель (кБк), единица в 1 млн раз большая – мегабеккерель (МБк).

В настоящее время еще используется устаревшая единица – кюри (Ки). Ее происхождение относится к тому периоду, когда в распоряжении ученых был единственный радиоактивный источник – радий, впервые выделенный из продуктов распада урана в лаборатории супругов Кюри. В 1 г чистого радия распадается ежесекундно 37 млрд ядер. Поэтому радиоактивность 1 г радия и была принята за единицу; один кюри – очень большая величина, поэтому применяются производные величины в тысячу и миллион раз меньшие – милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи).

Зная радиоактивность в беккерелях, нетрудно перейти к активности в кюри и наоборот:

1 Ки = 3,7 1010 Бк;

1 мКи = 3,7 107 Бк;

1 мкКи = 3,7 104 кБк.

Производными единицами являются:

1 пКи = 1 10-12 Ки;

1 нКи = 1 10-9 Ки;

1 мкКи = 1 10-6 Ки;

1 мКи = 1 10-3 Ки;

1 кКи = 1 103 Ки;

1 МКи = 1 106 Ки.

Дозы облучения

Излучение и ионизация. По масштабам времени α-, β-частицы и γ-кванты существуют мгновение. Как они пропадают и куда девается их огромная энергия? Согласно закону сохранения энергии, она не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. При любых превращениях часть ее теряется в виде тепла. Энергия излучений передается веществу, в которое попала излученная из ядра элементарная частица или γ-квант. Для облученного вещества это не проходит бесследно:

• нарушаются кристаллические решетки;

• образуются отрицательные и положительные заряды;

• разрываются молекулы с наименее прочными связями.

Характерно, что α- и β-частицы растрачивают свою энергию в отдельных актах ионизации – образовании пар ионов заряженных частиц, на которые распадаются атомы. На каждую ионизацию требуется около 30 эВ. Можно подсчитать, что частица с энергией 600 КэВ на своем пути в воздухе способна создать примерно 20 тыс. пар ионов.

Радиационный эффект и дозы. В одной из своих лекций А. Беккерель заявил, что очень любит радий, но на него в обиде, так как на руках у ученого появились незаживающие язвы. Как видно, первые опыты с радиоактивными веществами были небезопасны. Не знали об опасности невидимых лучей М. Кюри и ее дочь Ирен, выделившие в чистом виде радий и полоний. Обе умерли от лейкоза. Большое количество рака легких отмечалось у шахтеров, добывающих уран. Работницы часовых заводов, раскрашивающие циферблаты часов люминесцентной краской, содержащей радий, смачивали кисточки во рту для придания им остроконечной формы. Как следствие, работницы часто заболевали лейкозом и раком костей.

Проведенные исследования позволили установить, что факторов для неблагоприятного радиационного воздействия множество:

• радиоактивность снаружи и внутри организма;

• пути ее поступления;

• вид и энергия излучения при распаде;

• биологическая роль органов и облучаемых тканей.

Показателем, связующим их, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую энергия производит в рассматриваемой массе вещества. Данная величина называется дозой.

Экспозиционная доза и ее мощность. Экспозиционная доза – это поле радиации воздуха вокруг объекта, что указывает на количественную оценку радиационной обстановки дозы излучения в воздухе. Поскольку человеческое тело имеет линейные размеры, сравнимые с пробегом частиц, необходимо учитывать пространственное распределение экспозиционной дозы каким-либо физическим методом. Оказалось, что эффективные атомные номера воздуха и мягких тканей практически совпадают. Это позволило, измеряя ионизационный эффект, производимый радиационным излучением в воздухе, оценивать ионизацию в мягкой ткани, помещенной в ту же зону излучения.

Человек может находиться на местности, загрязненной разными радионуклидами. Короткопробежные α-частицы поглотятся нижней поверхностью обуви, одежды, не затрагивая жизненно важных органов. Учитывая проникающую способность β-излучения, большая часть его поглотится одеждой и кожей. Облучение организма γ-квантами и рентгеновскими излучениями будет равномерным. Таким образом, экспозиционная доза определяется только для воздуха и только для квантового излучения (γ-кванты и рентгеновские лучи).

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг); 1 Кл/кг – это экспозиционная доза излучения, при которой в 1 кг массы сухого воздуха при нормальных условиях создаются ионы, несущие заряд в 1 Кл (каждого знака).

В медицинской практике используется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген; 1 Р = 1000 мР или 1 000 000 мкР. Это такая доза рентгеновского или γ-излучения, которая в результате своего ионизирующего воздействия образует 2·109 пар ионов в 1 см3 чистого сухого воздуха при нормальных условиях.

1 Р = 2,58 10-4 Кл/кг;

1 Кл/кг ≈ 3880 Р.

Уровень радиации может изменяться, поэтому для количественной характеристики излучения введено понятие мощности экспозиционной дозы, которую определяют как величину дозы за определенный промежуток времени (Р/ч, мР/ч, мкР/ч). В системе СИ мощность экспозиционной дозы выражают в амперах, деленных на килограмм (А/кг). Экспозиционная доза и ее мощность используются только для измерения степени ионизации воздуха.

В случае, когда воздух загрязнен одновременно α-, β- и γ-излучением (выпадение радиоактивных осадков после взрыва или аварии), можно воспользоваться единицами концентрации радиоактивности, например Бк/м3 воздуха, а для мощности экспозиционной радиации во внешней среде применяют Бк/(м3 с) или Бк/(кг воздуха • с).

Поглощенная доза и ее мощность. В настоящее время используются новые мощные источники излучений. Кроме рентгеновских и γ-квантов, нашли применение потоки ускоренных электронов, позитронов, тяжелых заряженных частиц, а также потоки нейтронов. Поэтому необходимо знать поглощенную энергию в различных средах. При расчете дозы, полученной человеком, необходимо учитывать как внешнее, так и внутреннее облучение, так как радионуклиды могут попадать в организм с пищей, водой, вдыхаемым воздухом, при некоторых диагностических процедурах. Значит, поражающее действие будет от трех излучений, которые вызвали ионизацию в организме.

Поглощенной дозой называют энергию излучения, переданную массе вещества, т. е. количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого вещества. Единицей поглощенной дозы в системе СИ служит грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг; 1 грей – это доза, при поглощении которой 1 кг вещества получает 1 Дж энергии. Внесистемной единицей измерения энергии является 1 рад (Ірад = 10-2 Гр, 1 Гр = 100 рад).

В воздухе и в мягких тканях организма человека одинаковая мощность экспозиционной дозы рентгеновского или γ-излучения (с энергией не более 3 МэВ) создает примерно одинаковое число ионов в 1 см3. Поэтому можно оценивать поглощение энергии мягкими тканями не по поглощенной дозе, а по мощности экспозиционной дозы.