Учебное пособие москва «маршрут» 2009 удк 656. 225. 073. 4: 656. 073. 436 Ббк 0284. 8
| Вид материала | Учебное пособие |
- Удк 656 08; 629 072 ббк 52. 5: 88., 1958.04kb.
- Учебное пособие Москва, 2009 ббк-63. 3 /2/я 73 удк-930. 24 Степнова Л. В. Россия, 242.42kb.
- Учебное пособие Томский политехнический университет 2009 удк 000000 ббк 00000, 1895.66kb.
- Учебное пособие Москва, 2008 удк 34 ббк 66., 20999.29kb.
- Учебное пособие / Н. А. Соловьева, В. И. Грешных, А. А. Дружинина, 275.16kb.
- Курс лекций уфа 2006 удк 576. 4 Ббк 28. 073, 2080.69kb.
- Учебное пособие Москва 2010 удк 001(09) ббк 72., 823.15kb.
- Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета, 5335.58kb.
- Москва 2011 ббк 63. 3 (2)я 7 к 90 удк 947 (075) История России, 110.08kb.
- Учебное пособие Москва «мартит» 2009 удк 347 ббк 67. 99/2/01, 1117.07kb.
РАДИАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (РМ). КЛАСС 7
При современных объемах потребления электрической энергии значительная часть ее производства приходится на долю атомных электростанций. В связи с этим возрастает добыча радиоактивных руд и производство ядерного топлива, следовательно, и объем перевозок радиоактивных грузов. Радиоактивные вещества используются и в других отраслях техники и производства. Железнодорожный транспорт является связующим звеном между изготовителями и потребителями изотопной продукции и ядерного топлива.
Перевозка радиоактивных грузов в России строго регламентирована соответствующими правилами. Вместе с тем большая роль в обеспечении защиты населения и окружающей среды от радиоактивного излучения принадлежит работникам транспортных профессий. Однако, несмотря на комплекс мер, принятых для обеспечения безопасности при перевозке радиоактивных грузов, иногда случаются аварии, приводящие к облучению людей и заражению окружающей среды. В США сделаны вероятностные оценки возникновения транспортных происшествий при перевозке радиоактивных грузов.
Происшествие Вероятность происшествия
Незначительное 2.10-6
Умеренное 3.10-7
Серьезное 8.10-9
Очень серьезное 2.10-11
Чрезвычайное 1.10-12
Следует, однако, помнить, что аварии возможны и случаются также и на атомных электростанциях. При этом наиболее опасны аварии с выбросом радиоактивного горючего, как это было в 1986г. на Чернобыльской АЭС. В результате большое число людей получило радиоактивное облучение и произошло загрязнение территории ряда областей Украины, Белоруссии и России.
Учитывая сказанное, необходимо иметь в виду возможность аварийных ситуаций, в том числе и на железнодорожном транспорте. Уменьшить ущерб и воздействие ионизирующих излучений на человека в аварийной ситуации можно лишь при грамотных и своевременных действиях работников, связанных с транспортированием, погрузочно-разгрузочными работами и хранением радиационных грузов.
8.1. Радиоактивность
Естественная радиоактивность. К настоящему времени известно 111 химических элементов. Их них только 81 элемент имеет стабильные изотопы. Наиболее тяжелым из этих элементов является висмут (Z = 83). Для остальных 28 элементов известны только нестабильные, самопроизвольно распадающиеся изотопы, причем уран (Z = 92) является самым тяжелым элементом, встречающимся в природе (массовые числа изотопов урана 235 и 238, а самое большое для природных изотопов массовое число - 240).
Атомы или ядра с данным числом нуклонов и данным зарядом ядра называют нуклидами. В общей сложности в настоящее время доказано существование около 2000 нуклидов этих 111 элементов, причем число изотопов, известных для отдельных элементов, колеблется от 3 (у водорода) до 29 (у платины). Из 2000 нуклидов только 271 нуклид стабилен.
Свойство тяжелых ядер природных атомов урана, тория, радия и других элементов самопроизвольно распадаться с образованием новых ядер и выделением α-, β-частиц, n-нейтронов и γ-квантов называют естественной радиоактивностью. Это явление было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем. В 1898 году Мария и Пьер Кюри открыли новые радиоактивные химические элементы - полоний и радий.
Искусственная радиоактивность. В 1934 году Ирэн Кюри и Фредерик Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, которая является следствием распада нестабильных нуклидов в результате их возникновения в ядерных реакциях.
Например, при взаимодействии алюминия с α-частицами образуется радиоактивный изотоп фосфора 1530Р, который с периодом полураспада в 3,2 мин превращается в кремний 1430Si:
1327А1(α, n)1530Р;
1530Р → 1430Si + β+
В результате этой реакции было также установлено излучение позитронов. Искусственная радиоактивность возникает при реакциях синтеза новых элементов, термоядерных взрывах.
Радиоактивный распад элемента обладает практически одинаковой интенсивностью независимо от того, находится элемент в свободном виде или он химически связан, и не зависит от температуры и давления.
Правило сдвига. Период полураспада. В 1913 году Фредерик Содди и Казимеж Фаянс установили, что при радиоактивном распаде испускание α-частицы приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на две клетки от исходного к началу Периодической системы (и имеющего массовое число на четыре единицы меньше), а β-распад приводит к возникновению изотопов элемента, смещенного на одну клетку от исходного к концу Периодической системы (и с тем же массовым числом). Это правило, называемое правилом сдвига, хорошо иллюстрируется распадами соответствующих изотопов в радиоактивных рядах, например в ряду тория.Продолжительность жизни радиоактивных элементов ограничена и колеблется в очень широких пределах - от долей секунды до миллиардов лет. Характерной величиной для радиоактивного элемента является константа распада λ; при этом 1/λ имеет размерность времени и представляет среднюю статистическую продолжительность жизни неустойчивого элемента.
Чаще, чем константой распада, пользуются другой характерной для каждого радиоактивного изотопа величиной - периодом полураспада (τ1/2 или Т1/2). Эта величина соответствует времени, за которое число радиоактивных атомов, или радиоактивность, уменьшается наполовину по отношению к первоначальному значению. Радиоактивные элементы распадаются с испусканием α-частиц , β-частиц, β+ частиц, n-нейтронов, γ-квантов.
Альфа-излучение. α-излучение представляет собой поток ядер гелия или ионов Не2+. Эти частицы обладают энергией от 4,2 до 8,8 МэВ и скоростями от 15 до 20 тыс. км/с. Наличие и величина электрического заряда были установлены по отклонению, которое претерпевают α-частицы под действием электрического или магнитного полей. Хотя α-частицы обладают большой энергией, они очень неглубоко проникают в вещество: лист бумаги их задерживает полностью. В газах проникающая способность частиц характеризуется большей длиной пробега и составляет несколько сантиметров. Это расстояние является константой, характерной для каждого радиоактивного вещества. Частицы, проникающие через газ, теряют свою кинетическую энергию в результате ионизации молекул газа. Чем больше число образующихся ионов, тем меньше, следовательно, будет длина пробега частицы. Например, α-частица с энергией 3 МэВ обладает длиной пробега в воздухе при 15 °С и 760мм рт. ст., равной 1,7см, и образует ~ 4000 пар ионов газов на каждый миллиметр пройденного пути.
Бета-излучение. β-излучение представляет собой поток электронов. Скорость их значительно больше, чем α-частиц, и составляет величину, достигающую 0,99 скорости света, т.е. ~ 297000 км/с. β-частицы обладают значительно большей проникающей, но меньшей ионизирующей способностью. Например, β-частица с энергией 3 МэВ образует только 4 пары ионов на 1мм пути и имеет длину пробега в воздухе 13м. β-частицы проникают и через твердые вещества, например через алюминиевый лист толщиной до 0,5мм.
Гамма-излучение. γ-лучи (γ-кванты) представляют собой электромагнитные колебания той же природы, что свет и рентгеновские лучи. Длина волны γ-лучей значительно меньше, чем у последних, и, следовательно, они проникают более глубоко в вещества, распространяются со скоростью света и не отклоняются в магнитном и электрическом полях. Вследствие своей большой энергии γ-лучи имеют проникающую способность гораздо большую, чем α- и β-излучения. Многие из γ-лучей (в зависимости от их энергии) проходят через свинцовые пластины толщиной несколько сантиметров или бетонные сооружения толщиной в несколько метров; в воздухе длина пробега γ-лучей составляет сотни метров.
Глубоко проникая в различные вещества, в том числе и в биологические ткани, γ-лучи вызывают в них химические изменения. Первоначально образующиеся ионы превращаются в свободные радикалы, которые различным образом становятся устойчивыми.
γ - лучи никогда не излучаются отдельно, они сопутствуют α- или β- излучению. Следовательно, они имеют побочный характер.
8.2. Характеристика и единицы радиоактивного излучения
В соответствии с Международной системой единиц утвержден ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Введением этого ГОСТа изымаются из обращения все остальные широко использовавшиеся ранее единицы активности и дозовых характеристик поля излучения. Среди них единицы кюри для активности радионуклида в источнике, рад для поглощенной дозы, бэр для эквивалентной дозы, рентген для экспозиционной дозы фотонного излучения, а так же барн для макроскопического сечения взаимодействия. Указанные единицы следует считать внесистемными. Однако в литературе они широко распространены в силу действовавшего ГОСТ 8848-63, поэтому здесь приведены и их значения.
Активность радионуклида, А в источнике (образце) - отношение числа dN0 спонтанных ядерных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклида, происходящих в данном его количестве за интервал времени dt, к этому интервалу:
.Отношение активности радионуклида в образце (материале) к массе, объему, площади поверхности или длине образца называется соответственно удельной, объемной, поверхностной или линейной активностью радионуклида.
Единицей активности радионуклида в источнике является распад в секунду. Эту единицу называют беккерель. Для применения рекомендуются и кратные единицы: экса-, пета-, тера-, гига-, килобеккерели (ЭБк, ПБк, ТБк, ГБк, кБк). Приборами регистрируется количество испускаемых препаратом частиц в единицу времени и выражается числом импульсов в единицу времени, которое при всех прочих равных условиях обычно пропорционально абсолютной активности препарата. Абсолютная активность препарата - это число актов распада в единицу времени.
Внесистемной единицей активности является кюри ( Кu) - активность препарата, в котором происходит 3,7∙1010 актов распада в секунду. Применяются также дробные и кратные единицы, например: Кu = 3,7∙1010 Бк; кКu =103Кu = 3,7.1013 Бк; МКu =10бКu = 3,7∙1016Бк и т.д.
Следует подчеркнуть, что число ядерных превращений не всегда совпадает с числом испущенных частиц и еще реже - с числом γ-квантов. Поэтому справедливо лишь выражение «активность столько-то Бк», выражения «α-, β- или γ-активность столько-то Бк» не являются строгими и недопустимы. Для того чтобы связать активность изотопа с числом испускаемых частиц или γ-квантов, необходимо знать схему распада изотопа.
Поглощенная доза D - отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dт вещества в этом объеме:
В другой формулировке поглощенная доза излучения - поглощенная энергия любого ионизирующего излучения, отнесенная к единице массы облучаемой среды.
Единица поглощенной дозы излучения - грэй (Гр). Грэй соответствует поглощению 1 Дж энергии любого вида ионизирующего излучения в 1кг облученного вещества. Рекомендуются для применения следующие кратные и дольные единицы: ТГр, ГГц, МГр, кГр, мГр, мкГр.
Внесистемная единица поглощенной дозы - рад. Рад соответствует поглощению 100 эрг энергии любого вида ионизирующего излучения в 1г облученного вещества. Таким образом, 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.
Эквивалентная доза. Для оценки биологического эффекта воздействия излучения произвольного состава в задачах радиационной безопасности при облучении малыми дозами (дозами, не превышающими пяти предельно допустимых доз) введено понятие эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза излучения - произведение поглощенной дозы D излучения в биологической ткани на коэффициент качества К этого излучения в данном элементе биологической ткани:
Dэкв = D .K
Для смешанного излучения:
Здесь индексы i относятся к компонентам излучения разного качества.
Безразмерный коэффициент качества К (табл. 8.1) определяет зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах от линейной передачи энергии излучения и представляет собой регламентированные значения относительной биологической активности излучения, установленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом облучении.
Таблица 8.1
Значение К для разных видов излучения
| Вид излучения | К |
| Рентгеновское и γ-излучение | 1 |
| Электроны, позитроны, β-излучение | 1 |
| Протоны энергией меньше 10 МэВ | 10 |
| Нейтроны с энергией меньше 20 кэВ | 3 |
| Нейтроны с энергией 0,1-10 МэВ | 10 |
| α-излучение с энергией меньше 10 МэВ | 20 |
Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), равный одному грэю, деленному на коэффициент качества
1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг·( К).
Внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр. Один бэр численно равен одному раду, деленному на коэффициент качества К. Бэр - единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад рентгеновского или γ-излучения. Таким образом, 1 Зв =100 бэр.
Экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения выражает энергию квантового излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза является количественной характеристикой рентгеновского и γ-излучения, которая основана на ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выражена отношением суммарного электрического заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе и поглощенных некоторой его массой dт, к этой массе dт воздуха в этом объеме:
.Единица экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучения - кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон на килограмм - это такая единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 1кг воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.
Рентген Р - внесистемная единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 грамма воздуха (1 см3 при нормальных условиях) в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Таким образом, 1 Кл/кг = 3,88∙103 Р. Понятие экспозиционной дозы рекомендовано для фотонного излучения с энергией до 3 МэВ.
Мощность поглощенной дозы Р излучения - поглощенная доза излучения, отнесенная к единице времени:
.Единицей мощности поглощенной дозы является грей в секунду (Гр/с), равный одному джоулю на килограмм в секунду (Дж/(кг∙с)).
Внесистемная единица мощности поглощенной дозы - рад в секунду (рад/с). 1 Гр/с = 100 рад/с.
Мощность эквивалентной дозы Рэкв - эквивалентная доза излучения, отнесенная к единице времени:
Единицей эквивалентной дозы является зиверт в секунду (Зв/с). Внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр в секунду (бэр/с). 1 Зв/с = 100 бэр/с.
Мощность экспозиционной дозы Рэкс - экспозиционная доза излучения, отнесенная к единице времени:
.Единицей мощности экспозиционной дозы является кулон на килограмм в секунду (Кл/кг.с).
Внесистемная единица мощности экспозиционной дозы - рентген в секунду (Р/с). 1 Кл/(кг.с) = 3,88.103 Р/с.
8.3. Категории облучаемых лиц и группы критических органов
Нормами радиационной безопасности установлены следующие категории облучаемых людей:
категория А - персонал;
категория Б - ограниченная часть населения;
категория В - население области, края, страны.
На транспорте к категории А можно отнести людей, постоянно занятых упаковкой, погрузкой, выгрузкой, перегрузкой, перевозкой и временным складированием перевозимых радиоактивных веществ.
К категории Б на транспорте следует относить пассажиров и работников, профессии которых могут потребовать эпизодического контакта с радиационными грузами. В категорию Б входят багажные раздатчики, ремонтники, осматривающие или ремонтирующие транспорт с радиационным грузом, приемщики грузов и многие другие работники станций, которые по роду своей деятельности могут столкнуться с транспортированием радиоактивных веществ.
К категории В относится население области, края, страны, которое непосредственно не связано с какими-либо работами или контактами с радиоактивными веществами, материалами, отходами и пр.
Ткани человека обладают разной чувствительностью по отношению к радиоактивному излучению. Критическим органом называется орган, ткань, часть тела или все тело, облучение которого в данных условиях причиняет наибольший ущерб здоровью данного лица или его потомства.
В порядке убывания радиочувствительности установлены три группы критических органов:
I группа - все тело, гонады, красный костный мозг;
II группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, почки, печень, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза и другие органы, за исключением тех, которые относятся к I и III группам;
III группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, лодыжки и стопы.
Для каждой категории облучаемых лиц установлены три класса нормативов: основные дозовые пределы, допустимые уровни, контрольные уровни.
Рассмотрим лишь основные дозовые пределы, как наиболее важные при работе с радиоактивными веществами на транспорте.
В качестве основных дозовых пределов для лиц категории А установлена предельно допустимая доза (ПДД) за год, для лиц категории В - предел дозы (ПД) за год.
Под предельно допустимой дозой (ПДД) понимается наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала категории А неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.
Под пределом дозы понимается предельная эквивалентная доза за год для ограниченной части населения (категории Б). Предел устанавливается меньше ПДД для предотвращения необоснованного облучения этого контингента людей. Предел дозы контролируется по усредненной для критической группы дозе внешнего облучения и уровню радиоактивных выбросов и радиоактивного загрязнения объектов внешней среды.
Установленные Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) для различных групп критических органов основные дозовые пределы приведены в табл. 8.2.
Таблица 8.2
Основные дозовые пределы для различных групп критических органов
| Группа критических органов | ПДД для категории А | ПД для категории В | ||
| мЗв/год | бэр/год | мЗв/год | бэр/год | |
| I II III | 50 150 300 | 5 15 30 | 5 15 30 | 0,5 1,5 3,0 |
Приведенные величины дозовых. пределов не включают дозу, получаемую пациентом при медицинском обследовании и лечении, и дозу, обусловленную естественным фоновым облучением.
В общем случае эквивалентная доза, накопленная в критическом органе за время Т лет, с начала профессиональной работы, не должна превышать значения:
Дэкв ≤ ПДД Т,
где ПДД - годовая предельно допустимая доза, измеряемая в тех же единицах, что и Дэкв.
В табл. 8.3 представлен вклад естественных и искусственных источников в дозу облучения населения.
Таблица 8.3
Вклад естественных и искусственных источников в дозу облучения
| Источник излучения | Эквивалентная доза на все тело, | Вклад в дозовый предел естественных и искусственных источников, % | |
| мЗв/год | мбэр/год | ||
| 1. Медицина и стоматология | 0,73 | 73,0 | 20…50 |
| 2. Выпадения | 0,04 | 4,0 | - |
| 3. Профессиональное обучение | 0,01 | 1,0 | 1 |
| 4. Ядерные энергетические установки | 0,00003 | 0,003 | 2 |
| 5. Облучение от ядерных взрывов (до 1970г.) | - | - | 3…6 |
| 6. Космические лучи | 0,44 | 44,0 | - |
| 7. Радионуклиды в теле | 0,18 | 18,0 | - |
| 8. Радионуклиды в почве, сооружениях | 0,40 | 40,0 | - |
| 9. Прочие | 0,02 | 2,0 | - |
Таким образом, облучение людей искусственными и естественными источниками категории А составляет ~ 4% от предельно допустимой дозы, а категории Б ~ 40% от предела дозы.
Для категории А (за исключением женщин репродуктивного возраста - до 40 лет) распределение дозы внешнего излучения в течение года не регламентируется.
Для женщин репродуктивного возраста доза на область таза не должна превышать 10 мЗв (1 бэр) за любые два месяца.
Изложенные в настоящем разделе Нормы радиационной безопасности установлены Национальной комиссией по радиационной защите при Министерстве здравоохранения России на основе большого числа научных исследований, анализа аварийных случаев и многолетних работ с радиоактивными веществами.