Záření kolem nás. Jaroslav Šoltés, Milan Štefánik Katedra jaderných reaktorů FJFI ČVUT v Praze

Transkript

1 Záření kolem nás Jaroslav Šoltés, Milan Štefánik Katedra jaderných reaktorů FJFI ČVUT v Praze

2 Elektromagnetické záření q Pohybující se elektrický náboj vyzařuje elektromagnetické záření q Vlastnosti záření jsou charakterizovány vlnovou délkou q Rozdělení elektromagnetického záření: o Záření gama o Rentgenové záření o Ultrafialové záření(uv) o Viditelné světlo o Infračervené záření (IR) tepelné záření o Rádiové vlny - mikrovlny, velmi krátké vlny, krátké vlny, střední vlny, dlouhé vlny

3

4 Druhy záření UV záření IR záření RTG záření Zdroj mikrovlnného záření Radar Čerenkovo záření v reaktoru

5 Atom q Nejmenší jednotka chemického prvku q Skládá se jádra a elektronového obalu q Jádro neutron, proton q Atomový obal elektron q V elektricky neutrálním atomu je počet elektronů roven počtu protonů

6 Druhy záření q Neionizující záření o Ultrafialové záření o Viditelné světlo o Infračervené záření o Mikrovlny o Radiové vlny q Ionizující záření o Přímo ionizující záření alfa, beta, gama o Nepřímo ionizující fotony a neutrony Hvězdna obloha pozorovaná ve spektru gama záření

7 Radioaktivita q Radioaktivita je schopnost atomu (přesněji atomového jádra) přeměnit se na jiný atom vysláním radioaktivního záření q Radioaktivní rozpad je samovolná přeměna nestabilních jader q Jednotka Becquerel (dříve Curie)

8 Objev radioaktivity q 1896 H. Becquerel pozoroval radioaktivitu q Název radioaktivita zavedli P. Curie a Marie Curie- Sklodowska q 1903 Nobelova cena pro uvedené fyziky Henri Becquerel Marie Curie-Sklodowska Pierre Curie

9 Symboly radioaktivity Výstražný symbol označující radioaktivní materiál Doplňkový výstražný symbol ionizujícího záření Ukázka označení radioaktivních materiálů

10 Druhy radioaktivního záření q V přírodě se nachází asi 50 radionuklidů q Jejich radioaktivitu nazýváme přirozenou radioaktivitou q U přirozených radionuklidů byly zjištěny tři druhy pronikavého neviditelného záření: o Záření alfa o Záření beta o Záření gama Částice alfa záření v mlžné komoře Částice beta záření v mlžné komoře

11 Záření alfa q Proud jader atomů helia q Alfa částice mají velkou energii, ale velmi krátký dolet q Může být pohlceno listem papíru nebo k zeslabení stačí několik centimetrů vzduchu q Má silné ionizační účinky q V případě vnitřního ozáření je nejvíce problematické, protože veškerá energie záření je předána živé tkáni

12 Záření beta q Proud elektronů letících téměř rychlostí světla q 100krát pronikavější než záření alfa q Slabší ionizační účinky než záření alfa q Vyzařovaný elektron vzniká v jádru rozpadem neutronu q Může být pohlceno hliníkovou fólií

13 Záření gama q Proud fotonů, které se pohybují rychlostí světla. q Nejpronikavější jaderné záření q Nejslabší ionizační účinky q Lze jej zeslabit vrstvou olova nebo železobetonu q Obecně se pro stínění používají materiály s vysokou hustotou

14 Srovnání pronikavosti záření Průchod radioaktivního záření různými materiály Chování jednotlivých druhů záření v elektromagnetickém poli

15 Zdroje záření q Přírodní o Součástí přírodního ekosystému o Jejich působení lze eliminovat pouze v omezené míře q Umělé o Vytvořené člověkem q Princip radioaktivního rozpadu je však shodný pro přírodní i uměle vyrobené radionuklidy

16 Přírodní zdroje záření q Pozemské: o Záření ze zemské kůry o Radioaktivita atmosféry o Radioaktivita vody q Mimozemské: o Kosmické záření

17 Přírodní radionuklidy q Těžké prvky: o Rádium a radon q Rozpadové řady: o Uranová řada o Thoriová řada o Aktiniová řada q Další prvky: o Draslík 40 K, rubidium 87 Rb

18 Příklad uranové rozpadové řady

19 Přirozené radionuklidy q Zemská kůra obsahuje asi 30 radioaktivních nuklidů s poločasem rozpadu delším než 10 9 let q Většina z nich má velmi malé zastoupení o 40 K, 87 Rb, 115 In, 186 W, 209 Bi, 232 Th, 235 U, 238 U q Draslík je součástí minerálů a hornin, v přírodě je velmi rozšířen q Aktivita 40 K v zemské kůře je vyšší než aktivita všech ostatních přírodních radionuklidů q Uran a thorium jsou obsaženy v půdách a ve všech horninách q Na 1 kg zemské kůry připadá průměrně 6 mg uranu a 12 mg thoria

20 Kosmogenní a krátkodobé radionuklidy q Kosmogenní radionuklidy vznikají v důsledku interakce dopadajícího kosmického záření s zemskou atmosférou o např. 3 H, 14 C, 10 Be, 22 Na, 32 Si, 33 P, 38 Cl q Radionuklidy s krátkým poločasem rozpadu jsou součástí rozpadových řad a jsou v rovnováze s mateřským izotopem

21 Radon q Radon 222 Rn - je přírodní radioaktivní plyn a člen rozpadové řady uranu q Vzniká alfa rozpadem 226 Ra q Vzniká v horninách, prostupuje na povrch do atmosféry nebo proniká do podzemních vod. q Hromadí se v uzavřených prostorech q Nevětrané místnosti jsou proto významným zdrojem záření!

22 Radon v bytech v ČR q Ve většině bytů v ČR je hladina radonu nízká q Zvýšený výskyt 222 Rn s radioaktivními horninami v půdě středočeský žulový masiv q Zvyšuje riziko vzniku rakoviny plic q Opatření pro snížení 222 Rn v domech: o Dostatečné větrání o Odsávaní ventilátory o Lepší izolování základů o Vzduchotěsné tapety

23 Radioaktivita půdy v ČR q Na ozáření z přírodních zdrojů se podílí draslík, thorium a uran q Zvýšenou pozornost je potřeba věnovat i radonu z podloží q Nejvyšší koncentrace uranu a radonu jsou v žulách

24 Radioaktivita atmosféry q Radioaktivita atmosféry je způsobená radioaktivními plyny a aerosoly o Přechod prvků z půdy do atmosféry o Hlavně radon 220 Rn a 222 Rn o Nízký podíl kosmogenních prvků uhlíku 14 C a tritia 3 H

25 Radioaktivita vody q Radioaktivita vody je daná rozpuštěním nerostných látek o Objemová aktivita radonu o Draslík 40 K se uvolňuje do vody poměrně málo o Do vody se dobře louhuje uran o Koncentrace radioaktivních látek je vyšší v mořské vodě než ve sladké

26 Radioaktivita potravin q Všechny potraviny jsou mírně radioaktivní. q Nejvíce zastoupeny radioizotopy v potravinách: o 40 K, 3 H, 226 Ra, 228 Th, 210 Pb a 210 Po q Radioaktivita vstupuje do potravinového řetězce hlavně přes rostliny q Potraviny nejvíce obsahující radioaktivitu: o Některé druhy ořechů, káva, čaj, houby a mořští živočichové

27 Potrava Obsah 40 K Obsah 226 Ra (Bq/kg potravy) (Bq/kg potravy Mléko 44 0,01 Sýry 30 Maso 123 0,066 Mořské ryby ,1-0,24 Jablka 23 0,03 Banány 130 Mrkev 126 Brambory 164 Špenát 240 Luštěniny Bílý chléb 56 Paraořechy 207

28 Kosmické záření q 1912 rakouský fyzik Victor Hess objevil záření přicházející ze shora (Ústí nad Labem) q 1938 Pierre Auger detekoval spršky kosmického záření v atmosféře (Alpy) Victor Franz Hess Pierre Auger František Běhounek

29 Kosmické záření primární složka q Solární složka o Tvořená protony (90 %) a jádry helia (10 %) částice slunečního větru q Galaktická složka o Protony (88 %), jádra helia (10 %), elektrony a fotony (1 %) a lehké prvky až po železo (1 %). q Extragalaktická složka o Pravděpodobně vysoce energetické protony q Atmosféra nás částečně chrání

30 Zdroje kosmického záření Slunce Země a Slunce Krabí mlhovina Mlhovina Kočičí oko Binární systém Cyg. X-1 Galaxie Centaurus A

31 Kosmické záření sekundární složka q Interakcí primárního kosmického záření s atmosférou vznikají spršky sekundárního kosmického záření

32 Umělé zdroje záření q Lékařské aplikace o Medicínská diagnostika, terapie q Jaderná energetika o Jaderné elektrárny, palivový cyklus q Průmysl o Sterilizace potravin, geologické průzkumy, kontrola stavebních materiálu, defektoskopie odlitků q Testy jaderných zbraní

33 Umělé zdroje záření Rentgen plic Radioterapie Jaderná elektrárna Testy jaderných zbraní Defektoskopie materiálu

34 Umělá radioaktivita q 1919 prvá uměle vyvolaná jaderná reakce (Ernest Rutherford) a objev protonu q 1934 Irena Joliot Curie a Fréderic Joliot Curie objevili umelou radioaktivitu Ernest Rutherford Irena Joliot Curie Fréderic Joliot Curie

35 Rentgenové záření q 1895 Záření objeveno německým fyzikem Wilhelmem Conradem Röntgenem. q Úspěšně se využívá v lékařství od roku q Vytváří se uměle ve speciální lampě rentgence. Wilhelm C. Röntgen RTG snímek ruky První rentgenový přístroj

36 Neutronové záření q 1932 James Chadwick objevil neutron q Zdroj jaderný reaktor, neutronový generátor q Pronikavé nepřímo ionizující záření q Odstínění pomocí materiálů obsahujících vodík, absorpce pomocí bóru a kadmia James Chadwick První jaderný reaktor

37 Lékařství q Průměrná dávka z lékařského ozáření: o Rentgenové záření o Diagnostika podáváním radiofarmak o Radiační terapie (léčení rakoviny) q Asi 95 % dávky je od užití RTG záření q Stomatologie: o Nejčastěji používané RTG vyšetření q Podávání radiofarmak ( 131 I a 90m Te)

38 Další umělé zdroje q Jaderná energetika o Radioaktivita se vyskytuje ve všech částech palivového cyklu q Průmyslové využití radionuklidů o Významným zdrojem je spalování přírodních paliv (zejména uhlí) q 200 jaderných výbuchů v atmosféře o Dodnes významné izotopy: 14 C, 137 Cs, 90 Sr, 3 H

39 Záření přírodní a umělé Zastoupení přírodního a umělého záření Zastoupení složek přírodního záření

40 Srovnání zdrojů přírodního a umělého záření 1. Kosmické záření 2. Radon 3. Záření zemské kůry 4. Vnitřní zdroje (potraviny) 5. Průmyslové zdroje 6. Lékařské aplikace 7. Jaderná energetika

41 Hodnocení celkové dávky q Jednotka aktivity becquerel charakterizuje pouze fyzikální charakter radioaktivního rozpadu q Pro zahrnutí biologických účinků záření se používá jednotka Sievet q Z definice v sobě zahrnuje vliv jednotlivých druhů záření na organismus q Je rozdíl zda jde o kumulativní dávku nebo jednorázové ozáření q Jednorázová dávka 1 Sv způsobí nemoc z ozáření q Více než 1 Sv může zabíjet

42 Limity pro ozáření q Obdržené dávky a limity jsou udávány v tisícinách sievertu, tj. msv q Limit pro obyvatelstvo (pouze od umělých zdrojů, bez lékařských ozáření): o 1 msv/rok q Limit pro pracovníky se zářením (pouze od umělých zdrojů, bez lékařských ozáření): o 20 msv/rok

43 Ozáření obyvatelstva z přírodních zdrojů Zdroj ozáření Průměrná roční efektivní dávka (msv/rok) Kosmické záření Primární složka a fotony 0,28 Neutrony 0,10 Kosmogenní radionuklidy 0,01 Celkové ozáření z kosmického záření 0,39 Inhalace Uranová a Thoriová řada 0,006 Radon ( 222 Rn) 1,15 Radon ( 220 Rn) 0,1 Celkové ozáření z inhalace 1,26 Přírodní záření Zemský povrch 0,07 Stavební materiály 0,41 Celkové přírodní ozáření 0,48 Ingesce Draslík ( 40 K) 0,17 Uranová a Thoriová řada 0,12 Celkové ozáření z ingesce 0,29 Celková suma 2,4

44 Srovnání zdrojů přírodního a umělého záření Přírodní zdroj záření Kosmické záření při mořské hladině Roční dávka (msv/rok) 0,3 Kosmické záření 300 m n. m. 0,325 Kosmické záření 600 m n. m. 0,375 Kosmické záření 1000 m n. m. 0,45 Záření z půdy 1,35 Bydlení v dřevěném domu 1,215 Bydlení v žulovém domě 2,7 Bydlení v nevětraném žulovém domě 4,05 Bydlení ve stanu 1,08 Potraviny 0,35 Umělý zdroj záření Roční dávka (msv/rok) Radiofarmaceutické vyšetření 0,3 Rentgenové vyšetření trávícího traktu 4 Rentgenové vyšetření plic 0,08 Spad po zkouškách jaderných zbraní 0,01 Cesta letadlem (vzdálenost 4000 km ve výšce km) 0,025 Bydlení u jaderné elektrárny 0,001 Spalování uhlí 0,04 Sledování televize (1 hodina) 0,002

45 Další příklady Spaní vedle další osoby Sníst jeden banán Používaní CRT monitoru po dobu 1 rok Průměrná denní dávka od pozadí Let z New Yorku do Los Angeles Průměrná dávka obdržena obyvateli v okolí JE Three Mile Island v době nehody Roční dávka od přírodního draslíku v organismu Limit pro obyvatelstvo Roční dávka od přírodního pozadí Dávka obdržena za 1 den v místě 50 km SZ od JE Fukušima 16. března 2011 Rentgen hrudníku Dávka za 1 hodinu strávenou v Černobylské JE v roce 2010 Maximální povolená roční dávka pro pracovníky se zářením Limit pro pracovníky se zářením v havarijních situacích při ochraně majetku Nejnižší roční dávka spojená s nárůstem rizika rakoviny Limit pro pracovníky se zářením v havarijních situacích při záchraně života Jednorázová dávka způsobující nemoc z ozáření Vážné jednorázové ozáření, může způsobovat smrt Velmi vážné jednorázové ozáření, při včasném lékařském zásahu nemusí znamenat smrt Velmi vážné jednorázové ozáření, které vede i při včasné léčbě ke smrti 0,00005 msv 0,0001 msv 0,001 msv 0,01 msv 0,04 msv 0,07 msv 0,17 msv 1 msv 2,4 msv 3,6 msv 5,8 msv 6 msv 50 msv 100 msv 100 msv 250 msv 400 msv 2000 msv 4000 msv 8000 msv

46 Vliv záření na obyvatelstvo q Vnější ozáření zdroje ionizujícího záření mimo ozářenou osobu q Vnitřní ozáření zdroje záření se dostali do lidského organizmu o Inhalace (dýchání): aerosoly, 14 CO 2, 1 H 3 HO o Ingesce (potravou): přes rostliny a živočichy

47 Rozsah poškození při vnitřním ozáření q Závisí od absorbované dávky záření q Přírodní nuklidy 40 K, 14 C a 226 Ra jsou v organizmu přítomné ve stále koncentraci q Nedochází k rovnoměrnému ozáření všech orgánů (hromadění v určitých orgánech) q Pokles aktivity v organizmu se řídí biologickým poločasem q Kritický orgán orgán s největším ozářením