pgsž^ť > : - CTÍ Reakce íjj ' Reakce v Jaderne reaktory Termojaderné štěpením ^^^^£$'^0^^^^^É^^l^'í^kf:Í:" ■ slučovaní'. ^ r "í:'-- ■■- . • - 2. Jednotky použív : Jednotka pr ' ■■ ■:■ ■ •- '. • ■ ..■•" Jednotky pro • • : v. : rychlost) i! ť-' :-v^/:^v^ Přehled zařízení používaných k detekci částic . . :- ';- 4. Radioaktivní odpady. Odpady vznikající při provozu jad. a termoj. zařízení. Ukládání odpadů. Dozimetrická měření. Literatura: Abramov A.i.:Osnovy jadernoj fyziki, Moskva, Energoatoraizdat 1983 Příslušné 5s. normy. ■ r- li.:-: ,-fv ■ 4- * - - • ■ Působení radioaktivního záření na živé organismy V.Kapička, KFE PřF MU Brno Úvod Před lety došlo k havárii reaktoru v Černobylu. Tehdy byly uváděné v tisku následující údaje. Počet lidí ozářených 6 ■ - 16 Sv bylo 24, zemřelo 24 4 ■ - 6 Sv 24 7 1 • - 4 Sv 240 1 0,1- - 1 Sv 24000 - do 0,1 110000 - I když nešlo o údaje konečné, bylo z nich možné usuzovat, že exposice kolem 4-10 Sv způsobuje smrt. Jaké jsou jedndtky exposice, případně další jednotky? Jaké je působení záření na lidské tělo a živé organismy vůbec? Jednotky používané v dozimetrii Dozimetrie, která se zabývá působením radioaktivního záření na živé látky, nepoužívá zavedených fyzikálních jednotek pro množství radioaktivní látky a exposice (dříve dávku záření), protože necharakterizuje vůbec toto působení. Proto jsou používány jiné jednotky. Jednotka Curie, Ci udává množství radioaktivní látky jako oočet ropadů za l/sec, které v ní nastávají. 1 Curie je 3,7.10 rozo./sec, menší jednotky jsou mCi, íiCi, pCi apod. ú Jednotka pro expozici D, nebo též dávku je dána hodnotou energie pohlcené v jednotce hmoty, nikoliv tedy energií procházející, tj. procházející jednotkovou plochou umístěnou kolmo k šíření záření za 1 sec. Jednotkou exposice je proto IJ/lkg = 1 Grey. Protože nepříznivé účinky záření na živé organismy jsou dány především počtem vytvořených iontů, jsou tyto účinky u různých druhů záření různé(počet iontů vytvořených na celkové dráze záření je přibližně stejný, ale vzhledem k různým délkám doběhu záření je počet iontů vytvořených o<- zářením na 1 cm dráhy největší, u (i záření menší a u y záření ještě menší, záleží však i na energii záření). Proto různé účinky záření jsou charakterizovány tzv. jakostním faktorem Q majícím pro různé záření tyto hodnoty: ď~ j x záření elektrony 1 pomalé neutrony T £- O.leV 2,3 n ostatní neutrony, protony a částice s nábojem q mle 10 O- částice a částice s nábojem q^le 20 Dávkový ekvivalent H pak stanovuje energii vystihující stejná účinky různého záření na tkáň, tj. H = Q . D Jednotkou je 1 Sievert, 1 Sv. Hodnota Q tedy závisí na hustotě předávané energie tkáni, zahrnuje tedy i procesy, které v ní záření vyvolává. Starší používané jednotky jsou uvedeny v dodatku článku. Účinky záření mohou být popsány bud teorií přímého účinku záření, k t e r ^ o řcdoc k1&dé zasažení zářením aktivního c biem u b u ň k v (např. kritickou strukturou je chromozonální DNA kódující genetickou informaci. Při velkých dávkách se mění genetický kód, při velmi vysokých nastává smrt buněk a při malých nastává indukce mutací), nebo teorii nepřímého účinku /!/, předpokládající, že místem chemická reakce nemusí být místo počáteční absorpce energie (dochází k přenosu energie v rámci molekuly i mezi molekulami). Biologické účinky se projevují bud jako nestochastická poškození (kdy je nutná minimální dávka, tj. práh, aby !< poškození došlo) a stochastická, kdy výskyt poškození roste s dávkou (práh zde neexistuje, patří sem karcinogenní a genetické účinky) - viz dále str. 6 ). -3- U stochastických poškození se udává počet onemocnění na -3-1 lSv (tj. např. pro leukémii 2.10 Sv ). Proto se zavádí také kolektivní dávkový ekvivalent S s jednotkou: (manSv) /2/. S = 21 H P i- i i Zde H je dávkový ekvivalent, který obdrželo počet lidí P, i tj. P . Počet onemocnění např. pro leukémii oři S=500 manSv i je -3-1 S.pravděpodobnost onemocněni= 500 .2.10 Sv = 1 man, manSv tj.l člověk. Protože pro různé živé orgány je pravděpodobnost a závažnost poškození jiná, bere se v úvahu tzv. váhový faktor w tohoto orgánu. Místo celkového dávkového ekvivalentu í , dostáváme tak efektivní dávkový ekvivalent H = £ w H ef . \ i i {váhový faktor např. pro gonády je 0,25 pro kostní dřeň 0,12, pro štítnou žlázu 0,03, stejně jako pro povrch kostí. Pro ostatní části těla je 0,3. Experimentálně lze jednotky Curie i Sievert určovat detektory záření /4/. V současné době nejpoužívanější jsou ■plynové (Geiger-Mullerovy trubice), scintilační a polovodičové, EU. Expozice ozařující člověka [$\ 40 14 . Přírodní izotopy K. a i prvky uranové a thoriové řady mohou být zdrojem ozáření. Podobně kosmické záření: s ním se počítá ročně asi s expozicí 230/uSv/rok (na úrovni moře, každých 100 metrů se zvyšuje o 10 iiSv/rok). Většina ale 40 , ' r jde na účet K rozptýleného v těle. V USA se počítá s tímto ozářením: Kosmické záření ' 280 ^iSv/rok záření z přír.izotopů 260 40 Vnitřní zdroje (např.K ) 270 Medicínské zdroje 380 Rad.záření z voj.výbuchů 40 1230 £iSv/rok = 1,23 mSv/rok Hraniční expozice v mSv/rok: Stochastické efekty Pracující záření Ostatní celé tělo 50 5 Nestochastické čočka v oku 150 15 ostatní tkáně 500 50 Příklad: Pracovník je ozářen po celém těle lOmG záření, 5 mG pomalých neutronů a 2 mG rychlých. Kolik může vyčerpat za rok? H =D.Q=10.1=10 mSv H = 5 . 3 = 15 mSv H = 2 .10 = 20 rnSv 45 mSv, tj. při stochastických efektech pracovník může být ozářen ještě 5 mSv. Které nejčastější prvky nohou být zdrojem ozáření v reaktorech - viz Tab.l. Pokud skončí kampaň reaktoru (chlazeného vodou) o výkonu 1000 MW, v aktivní zóně reaktoru je aktivita 12000MCÍ 20 (4,4.10 Becquerell). V palivu je ještě cca 4000 MCi od těžkých prvků, které při záchytu neutronů vznikají a jsou (Aktivita náplně reaktorů - tyčí -10 radioaktivní po skončení kampaně až 1,4.10 - je 300 Ci, Ci) Tab.1. Tritium 83 Kr metastab. 85 Kr metastab. 85 Kr 87 Kr 88 Kr 89 Kr 90 Kr 129 I 131 I 132 I 133 I 134 I 135 I 136 I 131 Xe metastab 133 Xe metastab 133 Xe 135 Xe metastab, 135 Xe 137 Xe 138 Xe 139 Xe 3 H 16 N 17 O 1,86 hod 4,4 hod 10,76 r 76 min 2,8 hod 3,18 min 33 s 7 I, 7.10 r 8,05 den 2,26 hod 20,3 hod 52,2 min 6,68 hod 83 dnu II, 8 dne 2.26 dne 5.27 dne 15,6 min 9,14 hod 3,9 min 17,5 min 430 83 Ar 40 12,3 let 7,1 s 4,1 s 29 s 1,83 hod vzniká rozpadem Boru f {} má energii nab. 42 keV vzniká v orim.okruhu 16 16 O (n,p)N vzniká v orim.okruhu 17 17 O (n,p)N vzniká v prim.okruhu 18 „ 19 O in,f) kde je stopa Ar, 40 41 C 5730 let vzniká reakcemi: 14, 14 17 14 N (n,p)C , O (n, )C kde je grafit 13 14 C ( n C Aktivita ve vzdušných prostředích u vodních reaktorů je 2000 Ci/rok, ve vodách 100-200 Ci/rok. Pokud reaktor pracuje, dostává se toto i mimo reaktor. Vliv ionizujícího záření na živé organismy je somatický (vliv vzniká hned) a genetický (může se projevovat po pokoleních). qÍ. - částice pronikají do malé hloubky ( 35 xim při energii 5 MeV) (5 - (Tiim při energii lMeV) í*- hluboko C*-- ztrácejí svoji energii při srážkách s lehkými prvky, mohou u atomu H vznikat protony Výsledné působení závisí na pohlcené energii. Je bud přímé (narušení chemických vazeb v molekule) nebo nepřímé: často u molekuly H^O to vede k vytvoření chemicky aktivních iontů nebo radikálů, které mohou migrovat v buňce a mít vliv na složité molekuly. U vody může jít o tři reakce: HO —> H + (OH) ■ - + H O H + (OH) 2 H O -» H*+ (OH)* 2 V prvních dvou vznikají ionty, v poslední vysoce aktivní svobodné radikály. Při jejich rekombinaci mohou vznikat chemické jedy pro tělo, jako kysličník vodičitý. Vliv na molekulu DNK (dezoxyribonukleová kyselina) Tato molekula sestává z genů a vytváří chromozony, upravující činnost buňky (Při vzniku života vzniká 23 párů chromozonů -1/2 z každého rodiče - které se pak dělí mitosou na dvě skupiny - duplikují se. Každá větev se rozdělí na dvě -vodíkové vazby mezi A,C,G,T se přerušují a každá větev se doplňuje o ô a o DNK molekula tvoří dvojitou spirálu - rozvinutá je A adenin C citosin G guanin T timin dezoxyribóza O kyselina fosforová Jsou to jediné možné vazby, jiné jsou mutace (některé vedou ke zkáze buňky). Vznik rakovinných buněk je snad dán mutací vnitrobuněčných virusů - toto se může předávat budoucím pokolením, až mutanty vyhynou v procesu přirozeného výběru. Při ozáření vyšším než 1 Sievert u celého těla je pravděpodobnost nemoci rakoviny vvšší než přirozená o -5, -1 10 " (clovek . mSv) - A -T- 6> > A -T - A- A -ô-c- 6 -T - A- 6; oAč> -a -t- 0>X> -8- Největěí záporný vliv na obyvatelstvo mají prvky s 3 ' 14 85 129 dlouhým poločasem rozpadu H , C , Kr ,1 Jestliže vzniká množství těchto prvků lCi/rok, pak se mění expozice (Sv/rok) v závislosti na čase (při stálé rychlosti vzniku) takto: 85 -16 14 3 -14 3 -15 129 -10 T Kr .10 C H .10 H .10 I .10 roky vmoři v oceáně ve štít.žl. -13 1 0 , 5 9 .10 .0 , 2 .0 ,1 0,3 -12 10 4 8 . 10 0,8 0,7 2 -11 50 8 2 .10 1 1,5 7 -11 100 9 3.10 1 1,6 8 -9 500 9 5 .10 . - 1 1 , 6 1 Největěí problémy jsou u zpracovatelských závodů, kter: způsobují i po 500 letech exoosici obyvatelstva z 70?» od C 3 85 12% od H a 182 od Kr Od celé činnosti energetického atomového průmyslu za 500 let lze očekávat expozici: člověk.MSv /na MW el.výkonu/rok/ Odhad 1(E.E.Pochin} Odhad 2(skupina odb.) obyvatel personál obyvatel personál Dobývání rudy Práce reaktoru Přepracování celkem 1 13,5 14 , 5 < 22 20 20 r* 42 <1,4 1 4 r-6 , 4 2 11 1-6 14-20 Předpokládáme-1i energetický výkon lkW na člověka, pak údaje v tabulce jsou i expozice ^Sv/rok - podle předešlého, přirozené pozadí je 1200 ^jSv/rok Pravděpodobnost smrti z rakoviny na jednotku pohlcené -9- — 8 — 1 expozice je 10 ^Sv . Pravděpodobnost úmrtí přirozeného na rakovinu je 2.10 rok . Při výkonu jaderných zařízení -7 -1 lkW/člověka bude tedy pravděpodobnost úmrtí 10 rok , t j. cca 20000 x menší než přirozené úmrtí na rakovinu. Nejčastější havárie u reaktorů mohou nastat 1) vlivem změn reaktivity 2) vlivem havárie na chlazení(oběhy jsou zdvojeny, při ooruše jednoho automaticky se včlení další apod.) 1 j Při odstavení vodního reaktoru 1100MW v el. výkonu dochází ke změně radioaktivity v MCi i výkonu v kw takto: Den J,Brom Vzác.plyny Celkem Akti- Mate- Celkem Výkon produkty noidy riál rádio- zbytek aktivita 0 1435 1240 13800 3450 10 , 6 17250 225000 1 265 221 2890 1330 9,19 4 2 30 17400 5 101 105 1870 432 8 ,42 2310 9720 15 28 , 7 29 1280 39 , 7 7,5 1330 5600 30 6 , 74 4,77 947 9,35 6,4 963 4060 60 0 , 494 0 , 784 655 6 , 32 4 , 70 666 2350 120 2,82.10~ •o 0 , 659 401 5,90 2 , 76 410 1740 210 3 ,09.10~ D r 0 ,648 244 5,56 1 ,36 250 1100 365 2,18.10~ 0 c 0 ,630 146 5,17 0,614 152 659 1097 2,18.10* b r 0,553 47,3 4 ,45 0 , 324 52 204 3653 2,18.10~ D 0,353 17,9 3 ,27 0 ,132 21, 3 67 Při celkové havárii tohoto reaktoru by bylo možné předpokládat souhrnné: Smrt z rakoviny ' v počtu případů: ^ záření(ze spadu i zamoření vzduchu) 10.000 ozáření při vdechování 600-100 za 40 let štítná žláza - ozáření 500-4000 za 30 let 22.500-300.000 případů zvětšení št.žlázy 3.000-20.000 gen.defektů Pravděpodobnost události se smrtelným koncem je ze všech činností lidí-i přírodních událostí nejmenší. Onemocněni štítná žláza( ^ záření) Genetické defekty Celkové ozáření Přepracování paliva Vezmeme-li reaktor s hloubkou vyhoření 33GW-den/tuna 2^ obohaceného uranu 3,3% U , v každé tuně oaliva je 33 kg 235 238 Uranu . 25 kg "shoří". "Shoří" i 25 kg U . Palivo po skončení karnoaně bude mít 35 kg zbytků štěoení, 8,9 kg 239 236 plutonia (obyčejně PU ) a 4,6 kg U Několik měsíců jsou tyče umístěny v bazénu, aby krátkodobé prvky "vyhořely". Pak se palivo rozpustí v kyselině k získání 99,5% uranu a plutonia. Zbytek se umístí do borosylikátových kontejnerů ze skla a umístí cca 600 m v dolech. Sklenené tyče jsou 3 m dlouhé a 30 cm v průměru, vše je uloženo v krytu z nerezavě jící oceli. Tyče jsou umístěny 10 m od sebe, roční výkon je 1000MW(el.). 10 roků se udržuje odvod tepla. Vliv produktů štěpení v jednotlivých letech od jejich vzniku je následující: Průměrně okolo 90% produktů štěpení nepotřebuje delší doby skladování, protože t je menší než 4 10 roky, nebo naopak je větší než 4.10 roků ( a jsou málo aktivní ) . Prvých několik stovek roků hraje největší roli 90 137 Sr ( = 29 roků) a Cs ( =30 roků) a jejich dcerinne orodukty 137M 90 Ba a Y . To je zřejmé z obrázku, začátek časové osy je v době přeoracování. Po 500 letech hlavní vliv mají Pu, Am, po 5 213 229 90 137 10 letech Po , Th . Počáteční vklad Sr a Cs je větší než odpovídá obrázku, protože jsou aktivní (tj.menší energie než o- záření). , v 237 Závěr: Kromě Np , které je dlouhožijící} ( i vzhledem k možnostem difúze) ostatní prvky nevyžadují zvláštního 237 ochranného krytu - kromě stávajícího Np , který je nebezpečný tím, že je to oí. zářič a 45% množství, které se dostane do lidského organismu, se ukládá v játrech. Celková rizika i^mi n»n?í ne? při činnosti jaderných elektráren. Poslouonost nebezpečnosti onemocnění je dána: 200 let 90 137, 241 Sr , Cs , dalších 1500 r Am , mezi 1500-10000 r 243 237 238 Am . Do 20.000.000 r Np a dále transmutacemi U . Za 50000 roků se nebezpečnost jaderných zbytků rovná nebezpečnosti jaderného paliva z uranu. Dodatek -AZ- Jednotka 1 rentgen =1 r byla definována pro rentgenovo 3 záření tímto způsobem: lr/s je enrgie záření, která v 1 cm 9 vzduchu za normálních podmínek vytvoří za sekundu z 2,03.10 párů iontů (to je vlastně náboj 1 elektrostatické jednotky). Energie absorbovaná látkou byla nazývána dávka. Byla to hodnota "f D = J i. d t, [r] D Hodnota 1 rad byla absorbovaná energie záření 100 ergů v lg látky. Jednotka pro jiné druhy záření než rentgenovo se nazývala 1 rep (z anglického názvu fyzikálni ekvivalent rentgenu). Byla to tatáž jednotka jako 1 r. Různou škodlivost záření vystihoval koeficient biologické účinnosti (nyní jakostní koeficient): Q Jednotka 1 rem x Q = 1 rem V nynějších jednotkách 1 rem = 0,01 Sv Pro jednotku množství se používala ještě jednotka 1 6 rutherford = 10 rozp/sec a 1 becquerell = 1 rozpad/sec. Polovrstvou byla definována taková tloušíka ochranného materiálu, která intenzitu záření zeslabí na 1/2 (např pro záření 1,33 MeV je to 0,011 m). Literatura /l/ Fremuth F.: Účinky záření a chemických látek na buňky a organismus, SPN, Praha 1931. 121 Janča J., Kapička, V., Trka Z., Štěrba F. : Obecná fyzika IV, Atomová fyzika, SPN Praha 1986. /3/ Cameron J.R.: Nuclear Fission reaktors, New York Plenum Press, 1987. /4/ Delaney C.F.G.: Finch E.C. Radiation Detector, Clarendon Press Oxford 1992. /5/ Úlehla I., Suk M.f Trka Z.: Atomy, jádra, částice. Academia Praha 1990. Výkon ■_i-1-—' * 1 10° 101 102 103 10* 10s 10s t,roky Vliv jednotlivých radioisotopu, nn celkový tepelný výkon ( oů doby přepr-<--cov.::n " i /' )