Ionizující záření a jeho účinky http://www.periodictable.com/Isotopes/001.1/index.full.dm. html http://www.periodictable.com/ http://astronuklfyzika.cz/RadiacniOchrana.htm Radioaktivita —Vlastnost některých jader atomů podléhat samovolnému rozpadu. Vznikají tak jádra jednodušší a uvolňuje se energie ve formě záření. Nestabilní nuklid podléhající přeměně. Radionuklid Počet existujících atomů N je nepřímo úměrný jeho λ Předpokládejme, že za časový interval dt dojde k rozpadu dN atomů radioaktivní látky. Počet rozpadlých atomů dN je úměrný počtu částic v daném časovém okamžiku, Počet existujících atomů je nepřímo úměrný jeho λ. Radioaktivní rozpad — N0 – počet radioaktivních jader v čase t=0 — N – počet zbylých jader v libovolném t — —Poločas rozpadu — — — [T1/2] = s — l - konstanta rozpadu, [l] = s-1 — Aktivita —podíl počtu radioaktivních přeměn radionuklidu za časový interval — Aktivita souvisí s počtem atomů !!! — —jednotkou v soustavě SI – bequerel (Bq) —1 Bq = 1 rozpad za sekundu —1 curie = 1Ci = 3,7.1010 Bq Aktivita vyhořelého jaderného paliva Graph8.JPG První je limit pro používání vody dospělými, která je 300 Bq/kg. Přísnější pak platí pro kojence, která je 100 Bq/kg. „Potraviny si testují jak koncoví spotřebitelé, tak zemědělci. Zatím se daří obavy rozptylovat a většina testů je pod hranicí 20 Bq. Bezpečnostní normy přitom povolují hranici 200 až 500 Bq podle typu potravin,“ Opatrnost je na místě - testy cesia 137 v půdě. I když v naprosté většině Japonska naměřily aktivitu jen 25 Bq/kg, tak ve Fukušimě a sousedních prefekturách vědci zjistili hodnoty překračující limit 5 tisíc Bq. Ionizující záření —Ionizujícím zářením nazýváme takové záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat. Dávka —pohlcená energie na jednotku hmotnosti — — — — —jednotkou v soustavě SI je gray (Gy) — —starší jednotka rad (radiation absorbed dose) — —1Gy = 1J/kg = 100 rad absorbovaná dávka 10 Gy způsobí akutní nemoc z ozáření. 800/80 Pro muže o hmotnosti 80 kg to představuje energii 800 J. Letální dávky pro různé organizmy Organismus Dávka (kGy) Vyšší živočichové včetně savců 0,005 - 0,01 Hmyz 0,01-1 Plísně 2,5 - 6 Kvasinky 5 - 20 Nesporulující baktérie 0.5 - 10 Sporulující baktérie 10 - 50 Viry 10 - 1500 Kerma —Akronym: kinetic energy released in material - kinetická energie uvolněná v materiálu — má velmi podobou definici a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka — —Rozdíl vynikne pro nepřímo ionizující záření — (fotony g, neutrony) —Kerma charakterizuje energii předanou nabitým částicím v látce (e, jádrům, p) především při první srážce —U kermy se specifikuje, k jaké látce se vztahuje (kerma ve vzduchu či kerma v tkáni). — — — — Kerma (zkratka z angl.: kinetic energy released in material - kinetická energie uvolněná v materiálu) má velmi podobou definici K = DE/Dm a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka, přičemž za DE se bere (zkratka z angl.: kinetic energy released in material - kinetická energie uvolněná v materiálu) má velmi podobou definici K = DE/Dm a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka. Kerma se zavedla proto, že základní definice dávky, zahrnující jen přímo ionizující částice, nedávala informaci o tom, co se děje v okolí sledovaného objemu látky, zvláště v případě nepřímo ionizujícího záření. Pro nabité primární částice není mezi kermou a dávkou rozdíl. I u nepřímo ionizujícího záření v rovnovážném stavu, kdy se sekundárně vznikající záření absorbuje, platí K=D; pouze v nerovnovážných procesech, v blízkosti povrchu látky či při vysokých energiích, kdy může část záření unikat, bude KąD, přičemž rozdíly nebývají v praxi velké. U nepřímo ionizujícího záření (fotony g, neutrony) kerma charakterizuje energii předanou nabitým částicím v látce (elektronům a protonům) především při první srážce. U kermy je třeba specifikovat, k jaké látce se vztahuje (např. kerma ve vzduchu či kerma v tkáni). Pro záření gama o energii menší než 3MeV hodnoty obou veličin (kermy a dávky) prakticky splývají. Dávkový příkon —Podíl přírůstku dávky dD a časového intervalu dt — — — —jednotkou je Gy.s-1 —S maximálním zevním ozářením na povrchu země se můžeme setkat např.: — §v Guarapari (Brazílie), thoriové písky 50 μGy/h § §v íránském Ramsaru, 10 μGy/h. § §v radonových lázních — – český Jáchymov, — rakouský Bad Gastein — země dávkový příkon gama (nGy/h) Francie 68 Finsko 65 Norsko 73 Dánsko 38 Polsko 34 Kanada 38 Rakousko, Belgie, USA 43 globální půměr 55 Příklady dávkových příkonů z terestriální složky přírodního pozadí v některých zemích Ekvivalentní dávka —bere ohled na rozdílné působení odlišných druhů ionizujícího záření —pohlcená dávka vynásobená jakostním faktorem (faktorem kvality záření) — — —jednotkou v soustavě SI je sievert (Sv) —starší jednotka rem: 1 rem = 0,01 Sv — — Jakostní faktor Alfa záření 20 Beta záření 1 Gama záření 1 protony 5 neutrony 5-20 (závisí na energii) Dálkové lety letadlem ve výšce 10 km představují cca 4 μSv/hod airplane Biologický poločas přeměny —charakterizuje vylučování daného radioaktivního prvku z organismu — —doba, za kterou se z organismu vyloučí polovina přijatého množství radionuklidu — — — —kombinace biologického a fyzikálního poločasu přeměny — Efektivní poločas přeměny Ozáření člověka zdroj ekvivalentní dávka (mSv/rok) podíl na celkovém ozáření (%) radon a produkty přeměny radonu 1300 43,1 lékařství 660 20,6 vnější ozáření přírodními radionuklidy (mimo radon a jeho produkty) 460 15 kosmické záření 380 12,5 vnitřní ozáření přírodními radionuklidy (mimo radon a jeho produkty) 230 7,5 těžební průmysl 24 0,75 radionuklidy kosmogenního původu 12 0,4 jaderná energetika 8 0,2 výroba radionuklidů 0,8 0,02 radioaktivní spotřební produkty 0,4 0,01 Přírodní zdroje zapříčiňují ozáření obyvatelstva ČR 3–3,5 mSv/ ročně. Umělé zdroje záření přispívají k celkovému ozáření přibližně jednou šestinou. Povolený roční limit pro ozáření jednotlivce z veřejnosti nad dávku z přírodního pozadí 1 000 mikro Sv = 1 mSv Mammogram 3 mSv Normální celoroční průměrné ozáření průměrného jednotlivce. Cca 85 % z toho je od přírodních zdrojů, zbytek většinou z medicínských aplikací. 3,5 mSv CT scan hrudníku 5,8 mSv Celodenní dávka z pobytu v černobylské elektrárně v r. 2010 6 mSv Průměrná roční dávka pro pilota na pravidelné lince NY – Tokyo 9 mSv Povolená roční dávka pro profesionálního pracovníka se zářením 50 mSv Dávkový limit pro pracovníky ve Fukušimě při likvidaci následků tsunami 250 mSv Dávka, od které se projeví lékařsky zjistitelné změny po ozáření 500 mSv Smrtelné ozáření jednorázovou dávkou 8 000 m Sv = 8 Sv Porovnání radiačních dávek Zdroj: www.nrc.gov Orientační dávkové ekvivalenty a příkony —Přírodní pozadí cca 3 mSv/rok —Kosmické záření 0,3 mSv/rok —Rentgen zubů 0,1 mSv —Sledování televize 0,002 mSv/hod —Rentgen vnitř. orgánů 1-2 mSv —Let letadlem Praha - New York a zpět 0,5 mSv —Lékařsky zjistitelné účinky 0,5 Sv —Černobylští hasiči 5,6-13 Sv — —Radioterapie nádoru prostaty až 80 Sv —Spad ze zkoušek N zbraní (70. léta) 0,01 mSv/rok Šíření radionuklidů v životním prostředí Co se sleduje ve vzorcích životního prostředí (např. v okolí jaderných zařízení) —Dávkové příkony —Kvalitativní a kvantitativní stanovení radionuklidů: —Vzduch 131J, 134Cs, 137Cs —Voda 3H, 89Sr, 90Sr, 131J, 134Cs, 137Cs —Mléko 89Sr, 90Sr, 131J, 134Cs, 137Cs —Maso 134Cs, 137Cs —Ostatní potraviny 89Sr, 90Sr, 134Cs, 137Cs —Vegetace 89Sr, 90Sr, 95 Zr, 95 Nb, 103Ru, 131J, 134Cs, 137Cs, 141Ce, 144Ce —Půda 90Sr, 134Cs, 137Cs, 238Pu, 239+240Pu, 241Am, 242Cm — — —Více než 50 % kolektivního dávkového úvazku je z globálního rozptýlení 14C, 85Kr, 3H http://www.periodictable.com/Isotopes/001.1/index.full.dm. html Biologické účinky vybraných radionuklidů —beta zářič —poločas přeměny12,4 let —biologický poločas přeměny je 10–20 dní —z plynné formy a vzniká HTO – v podobě vodní páry nachází v atmosféře —vzniká také působením kosmického záření —v těle se chová jako H2O – rozšiřuje se do všech měkkých tkání —způsobuje vnitřní kontaminaci — Tritium 3H (T) Tritium je beta zářič (β-), při svém rozpadu produkuje elektron (e-) a antineutrino a vzniká 3He. Poločas rozpadu je 12,32 let. Někdy mu bývá přiřazována i chemická značka T, přestože se nejedná o jiný prvek. Ve sloučenině s kyslíkem tvoří tritiovou vodu T2O. Tritium se vlivem ionizujícího záření z vesmíru vyskytuje ve vrchních vrstvách atmosféry a ve stopovém množství i v běžné vodě Krypton 85Kr —beta a gama zářič —poločas rozpadu 10,8 let —hromadí se v atmosféře —nízká rozpustnost a chemická aktivita – proniká minimálně do potravních řetězců —zanedbatelné zdravotní důsledky Plyn do žárovek apod. Stroncium 90Sr —beta zářič —poločas rozpadu 28,1 let —biologický poločas – 104 let —tvorba rozpustných sloučenin —chemické vlastnosti podobné vápníku – nahrazuje vápník v kostech a chrupavkách —důsledkem ozáření kostní dřeně dochází k poruchám krvetvorby — Poměrně měkký, lehký, reaktivní kov, stroncium reaguje za pokojové teploty s vodou i kyslíkem. Na vzduchu se okamžitě pokrývá vrstvou nažloutlého oxidu, práškové stroncium je na vzduchu schopno samovolného vznícení. Jód 129I —beta zářič —poločas rozpadu 1,6.107 let —absorbuje se ve štítné žláze, v sliznici žaludku a v mléčných žlázách Jod je velmi vzácný[zdroj?] prvek, který se v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách Elementární jod je tmavě fialová až černá látka, která za atmosférického tlaku přechází přímo do plynné fáze, sublimuje. Její páry mají fialovou barvu a charakteristický dráždivý zápach. Ve vodě se rozpouští velmi slabě, lépe je rozpustný v ethanolu Cesium 137Cs —beta a gama zářič —poločas rozpadu je 30 let —biologický poločas rozpadu 50–150 dní. —metabolismus odpovídá draslíku – hromadí se ve svalstvu a měkkých tkáních —vysoký obsah vykazují ryby Cesium je měkký, lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Je velmi měkký, ještě měkčí než vosk. má nízký bod tání a varu. V jeho parách se kromě jednoatomových částic vyskytují i dvouatomové molekuly. Páry mají modrozelenou až zelenošedou barvu Jeho nízký ionizační potenciál dává možnost jeho uplatnění ve fotočláncích, sloužících pro přímou přeměnu světelné energie v elektrickou. Uran 238U —alfa a gama zářič —poločas rozpadu je 4,5.108 let —biologický poločas rozpadu pro ledviny 15 dní a pro celé tělo 100 dní — Plutonium 239Pu —alfa zářič —poločas rozpadu je 2,4.104 let —biologický poločas 7,3.104 dní pro kosti. —v atmosféře jako aerosol nebo PuO2 —koncentruje se v plicích, játrech nebo kostech —vyšší toxicita než ostatní těžké kovy —důsledky se projeví až po letech, kdy je prvních asi 15 let obdobím latentním a po něm následuje přibližně 30 let zvýšeného rizika vzniku rakoviny Je to Transuran Transuranyy jsou prvky, které následují v Mendělejevově periodické soustavě za uranem. V přírodě se běžně nevyskytují, všechny se připravují uměle. Lehčí transurany, jako je neptunium, plutonium, americium a curium, jsou produkovány v lehkovodních jaderných reaktorech. Mají poměrně dlouhé poločasy rozpadu a můžeme je tedy extrahovat z vyhořelého jaderného paliva chemickou cestou. Biologické účinky záření —DNA buňky může být poškozeno zářením přímo, nebo nepřímo prostřednictvím reaktivních iontů OH-, které zanechalo záření díky ionizaci okolních molekul —zasažení genu vede až k úmrtí buňky (schopnost nahrazení) —pokud nastane mutace genu, může dojít k nekontrolovatelnému dělení —v každé buňce denně vzniká asi 107 poškození nukleotidů DNA způsobených volnými radikály —poškození DNA radioaktivním zářením – častější poruchy obou vláken DNA (problematičtěji opravitelné) —mutace vzniklé důsledkem metabolismu až desetmilionkrát častější než mutace vzniklé působením běžné radiace —v blízkosti DNA působí pouze 1 % vzniklých volných radikálů —lidské tělo složeno z 1014 buněk Každodenní události v buňce metabolismus radioaktivní záření (mGy/rok) volné radikály v blízkosti DNA 108 změny DNA 106 (1 %) 5.10-3 změny neopravené nebo chybně opravené 102 (100 ppm) 10-5 (2 ‰) mutace (neodstraněné změny, které nebyly opravené nebo byly opravené chybně) 1 (1 %) 10-7 (1 %) poměr počtu mutací vzniklých metabolismem k mutacím zapříčiněných radioaktivním zářením 107:1 Účinky záření —Deterministické – dochází ke smrti buněk —zřejmá souvislost s ozářením —charakteristický průběh — —Stochastické – nahodilé —nelze prokázat souvislost se zářením — Deterministické účinky —deterministické účinky jsou charakteristické prahovou dávkou a pod ní pásmem nulové odezvy —intenzita projevů je popsána esovitými křivkami — — Nemoc z ozáření —pozorována na lidech, kteří byli vystaveni velkým dávkám záření — —čtyři stádia: ◦stádium počátečních příznaků – po několika hodinách až dnech, nevolnosti, průjmy, zvracení, bolesti hlavy ◦období latence (při vysokých dávkách nenastává) ◦plný rozvoj příznaků ◦pozvolné uzdravování, mohou zůstat trvalá poškození krvetvorby, neplodnost, poškození gastrointestinálních funkcí, častá nádorová onemocnění, slabost a únava — Stochastické účinky —předpokládaná bezprahová lineární závislost pravděpodobnosti vzniku nádoru a genetických poruch na dávce ozáření Karcinogeneze —nejdůležitější stochastický účinek záření —tři fáze: iniciace rakoviny, propagace nádoru a maligní průběh —klinicky nelze stanovit důvod vzniku nádoru – ani jeho souvislost s ozářením —může vzniknout po letech až desetiletích od ozáření —epidemiologické studie populací – u populací vystavených vysokým dávkám ionizujícího záření byl zvýšen výskyt a úmrtnost důsledkem nádorů plic, žaludku, jater, tlustého střeva, prsu, vaječníku, močového měchýře a několika forem leukémie — např. epidemiologické údaje z Japonska z let 1950–1987: 75 případů z 230 úmrtí na leukémii lze přičíst následkům ozáření — Rakovina štítné žlázy —typický pozdní následek ozáření u dětí —u dospělých nebyla souvislost se zářením prokázána —pravděpodobnost vzniku závisí na věku, ve kterém byl jedinec záření vystaven – s přibývajícím věkem pravděpodobnost vzniku klesá Další stochastické účinky —velmi citlivé na ozáření – krvetvorné orgány (poškození vede ke vzniku leukémie) —nejvyšší výskyt v období 5–15 let od ozáření —rakovina močového měchýře u mužů a rakovina prsu u žen — Dědičné vlivy —při neletální změně DNA zárodečné buňky —nebyly u lidí prokázány, lze je předpokládat —dominantní mutace —recesivní mutace – hromadí se v genofondu populace —mírný, spekulativní vliv na multifaktoriální onemocnění — Účinky na embryo —negativní účinky ve všech fázích vývoje —vznik rakoviny, mentální retardace a jiných vad, včetně smrtelných — Statistické údaje —odhad pravděpodobnosti vzniku leukémie celoživotním ozáření 1000 mSv – 1,1 %, — vzniku nádoru – 10,9 %, — vzniku fatálního nádoru – 4–5 % na 1000 mSv —pravděpodobnost vzniku dědičných onemocnění je 1,2 % na 1000 mSv, v prvních dvou generacích pak 0,3 % —pokud je dávce 1000 mSv vystaveno embryo v období mezi 8.–15. týdnem vývoje dochází k posunu inteligenčního koeficientu o 30 IQ bodů směrem dolů Nízké dávka záření —účinky zjistitelné pouze prostřednictvím epidemiologických studií velkých populací —experimentálně prokázáno – v buňce dochází k adaptacím na ionizující záření —nízké dávky ionizujícího záření mohou způsobit změny v buňkách a zvýšit tak schopnost vyrovnat se se stochastickými účinky záření — Adaptace —dochází ke stimulaci reparačních mechanismů v buňkách —principem adaptace je rychlejší syntéza enzymů zodpovědných za opravu DNA —pokud jsou tyto enzymy v dostatečné koncentraci v době obdržení vyšší dávky (tzv. provokační), jsou opravy rozsáhlejší a snižuje se riziko vzniku mutace —prokázána v lidských lymfocytech —buněčná odpověď – přechodná, existují individuální rozdíly — Stochastické účinky —první žena, která mohla studovat na Sorboně —1903 Nobelova cena —pokusy s radiem a poloniem —zajímala se i o účinky na člověka – např. 10 hodin měla na ruce připevněnou špetku radiové soli (během 3 týdnů vznikla hluboká hnisavá rána, hojila se 2 měsíce) —zemřela na leukémii Marie Curie-Sklodowská (1867–1934) Marie Curie-Sklodowská [16] Deterministické účinky —Louis Slotin (1910–1946) — —ruští židé, kanadský Winipeg —univerzita v Manitobě – chemie —doktorát v Londýně —Chicago – vývoj cyklotronu —1944 pracuje v Los Alamos na vývoji atomové bomby – vrchní zbrojmistr spojených států — Louis Slotin [15] Los Alamos —Harry Daghlian – spolupracovník ◦nehoda při experimentu – za 24 dní umírá na akutní nemoc z ozáření (jako první Severoameričan) — —21.5. 1946 – vědecká konference ◦Alvin Graves požádal o předvedení experimentu, Slotin souhlasil Princip experimentu —experiment: plutoniové jádro, vážící 6,2 kg, potažené niklem,uloženo v beryliových polokoulích —přibližování vrchní polokoule beryllia ke spodní – se zmenšující se štěrbinou mezi beryliovými polokoulemi se zvyšuje počet neutronů odražených zpět do plutoniového jádra —v okamžiku, kdy je počet neutronů v jádru větší než jejich ztráta, začíná řetězová reakce, které je však kontrolovaná a pomalá —pokud se štěrbina mezi polokoulemi sníží na 0,32 cm, jsou neutrony v kritickém přebytku a dojde k rychlé řetězové reakci, která je již nekontrolovatelná —Geigerův počítač zaznamenával radiaci-prudké zvýšení = přiblížení se kritickému bodu — Průběh experimentu —Slotin odstranil bezpečnostní pojistky —horní polokouli držel v levé ruce, v pravé ruce šroubovák – reguloval jím velikost štěrbiny — — — — Průběh experimentu [15] —šroubovák se smeknul a beryliové polokoule se spojily, objevil se modrý záblesk a místností proběhl žár —Slotin shodil vrchní polokouli na podlahu —všichni vyběhli ven z laboratoře, Slotin zavolal ambulanci a začal sestavovat plán rozmístění osob pro stanovení obdržené dávky — Laboratoř po nehodě [32] Průběh nemoci —Slotin zvracel již cestou do nemocnice —Graves čekal stejný průběh, ale Slotin ho při nehodě ochránil svým tělem —za 3 hod. – oteklá a zarudlou levá ruka, palec znecitlivělý se zčernalým nehtovým lůžkem —za 24 hod. – levá ruka již extrémně oteklá, pravá začíná otékat, dostává morfium, rudne spodní část břicha, přestává zvracet a cítí se dobře; v noci se mu na palci objevil velký puchýř; následující den další puchýře a otoky —od 2. dne – ledové obklady a morfium přestávají působit, dostává krevní transfúze; stále v latentní fázi nemoci, dokázal logicky uvažovat —na jazyku v blízkosti zlatého zubu vřed —od 6. dne – stoupá teplota, zrychluje se puls, žaludek a střeva selhávají, pokožka rudo–hnědý odstín —7.den klesl počet trombocytů - vnitřním krvácení; Slotin byl chvílemi duševně pomatený a 8. den upadl do kómatu, musel připojen na kyslíkový přístroj —Louis Slotin zemřel devátý den po ozáření – 30.května 1946 v 11 hodin dopoledne jako jediná oběť nehody — Dávka záření —chemici, fyzici a biologové – pokoušejí se stanovit dávku záření, pomáhají jim kovové předměty —lidé v místnosti obdrželi přibližně tyto dávky: — — — — — — — — — — — — Ekvivalentní dávka (Sv) 21 3,6 2,5 1,6 1,1 0,65 0,47 0,37 Rozmístění osob při nehodě [15] Porovnání jaderné a uhelné elektrárny elektrárna o výkonu 1000MW v tunách/rok na černé uhlí jaderná spotřeba paliva 2,0.106 3,5.101 spotřeba kyslíku 6,2.106 0 emise CO2 6,6.106 0 emise NOx 2,8.104 4,0.101 emise SO2 5,7.104 0 ostatní plyny 2,0.103 zanedbatelné pevné odpady 4,2.105 0 nízkoaktivní odpady 0 6,0.102 středně aktivní odpady 0 4,0.102 vysoce aktivní odpady 0 1,0.101 Porovnání „nebezpečnosti“ energetických zdrojů ve světovém energetickém mixu (Zdroj: http://nextbigfuture.com/2011/03/deaths-per-twh-by-energy-source.html) Energetický zdroj Počet úmrtí na TWh Uhlí (světový průměr) 161 Uhlí (Čína) 278 Uhlí (USA) 15 ropa 36 plyn 4 Biopalivo, biomasa 12 rašelina 12 FV panely na střeše 0.44 vítr 0.15 voda 1.4 jádro 0.04