5. RADIAČNÍ OCHRANA I Jiří Konečný

Transkript

1 5. RADIAČNÍ OCHRANA I Jiří Konečný 5.1 Před čím chceme člověka ochránit Živé organismy na Zemi vznikly a vyvíjely se v podmínkách stálého působení přírodnino radioaktivního pozadí. Zdroje záření můžeme přitom rozdělit na vnější a vnitřní. Vnější se nacházejí mimo organismy, vnitřní v samotných živých organismech. Venkovním zdrojem záření je kosmické záření a záření emitované radionuklidy nacházejícími se v našem okolí /horniny, vzduch/. V přírodě bylo nalezeno asi 340 nuklidú, z nichž asi 70 je radioaktivních. Nalézají se hlavně mezi těžkými kovy. Nejrozšířenějším radioaktivním prvkem je draslík, jehož aktivita v zemské kůře je větší než aktivita všech ostatních přirozeně radioaktivních prvků dohromady. Ionizující záření nečinilo lidstvu do konce minulého století žádné problémy. Neexistovala žádná lidská činnost využívající záření a neexistovaly ani možnosti jeho detekce. Ionizující záření bylo objeveno v roce 1896 H. Becquerelem v souvislosti s objevem rentgenových paprsků a výzkumem fluorescence uranových solí. Následoval rozvoj rentgenové techniky v lékařství, využívání uranových solí ve fluorescenční technice, rozvoj těžby uranové rudy, výroba paliva pro jaderné reaktory, výroba jaderných zbraní a rozvoj doprovodného průmyslu /přepracování vyhořelého paliva/. Tím rostl a nadále roste nejen počeť pracovníků profesionálně v prostředí ionizujícího radioaktivního záření pracujících, ale obyvatelstvo se dostává do zvýšeného vlivu tohoto záření následkem zvýšené lékařské péče /rentgenová vyšetření/ a obecně zvýšené drovně radiace v životním prostředí vlivem jaderných zkoušek a provozem jaderných zařízení /hlavně prepracovatelské závody/. Působení ionizujícího záření na lidský organismus se stalo známé od počátku objevu záření a prací s ním. Protože tehdy nebyly známy možné následky, první normy přípustného ozáření byly z našeho dnešního pohledu velmi vysoké. První podložená stanoviska byla navržena roku 1925 /Mutscheller, Sievert/. Povolené ozáření bylo 0,2 R/den, což je o 1 řád vyšší než dnešní hodnota. x ' Později byly zpracovávané mnohé epidemiologické studie týkající se následků ozáření např. velké skupiny amerických rentgenologů, pracovníků s fluorescenčními barvami obsahující radium atd. Vyvrcholením byly studie následků výbuchů jaderných zbraní v Hirošimě a Nagasaki, kde dodnes na následky ozáření lidé umírají. Následkem nerovnoměrného rozdělení prvků jsou na Zemi místa, kde přirozené záření terestrické je řádově vyšší než jinde. Na těchto místech /v Indii a Brazílii/ žijí desetitisíce lidí. Prozatím vykonané studie však neprokázaly žádný vliv zvýšeného pozadí na lidský organismus. V současné době je věda o vlivu a následcích ionizujícího záření na organismy živočichů včetně lidí na vysoké drovni a převyšuje svými poznatky jiné podobné obory. x ' Dřívější jednotka rentgen /R/ je nyní nahrazena coulombem na kilogram /C/kg/. 1 R = 2,58 x 1O" 4 kg

2 5.2 Základní vlastnosti ionizujícího záření a nejdůležitější pojmy Při průchodu ionizujícího záření hmotou dochází k r.jioha efektům vzáiemnéi^o působení /interakce/. Tyto efekty závisí na druhu záření, i.a vlastnostech prostředí, přes které prochází, a vedou k fyzikálním, chemickým nebo i biologickým zmenám prostředí. Fyzikální procesy jsou prvotní, druhotné jsou procesy chemické a biologické. Název ionizující záření vznikl ze základní schopnosti tohoto záření ionizovat prostředí, přes které prochází. Je to fyzikální jev, při kterém záření odevzdává látkovému prostředí svoji energii tak, že ionizuje nebo excituje atomy č\ molekuly. Ionizující záření rozdělujeme na přímo a nepřímo ionizující. Přímo ionizující záření tvoří elektricky nabité částice jako alfa, Uta, protony nebo těžší ionty. Podél dráhy nabité částice tak vzniká řada iontových párů a excitovaných atomů. Oba procesy mohou u vyšších molekulárních iítvarú vést k rozbití důležitých chemických vazeb a následně k poškození organismu - djmě. Obecně je djma v populaci definována jako matematická naděje, že dojde k poškození z ozáření. Tyto škodlivé dčinky zahrnují jak účinky na zdraví, tř-k i jiné účinky. Účinky na zdraví představují zdravotní újmu. Nepřímo ionizující částice nemají elektrický náboj /gama záření, neutrony/ a nejčastějším výsledkem interakce je emise sekundárních nabitých částic do prostoru od dráhy takové částice, které pak okolní prostředí ionizují stejně, jako kdyby do látky vstupovaly přímo ionizující částice. Interakce záření s hmotou je velmi složitý jev, jehož popis překračuje možnosti tohoto příspěvku. Ale i tak je ze stručného popisu zřejmé, ře prapůvodce všech efektů je prvotní absorpce energie záření v hmotě, kterou charakterizujeme jako dávku. Dávka je definována jako podíl energie de, kterou sdělí ionizující zářerí látce v daném objemovém elementu o hmotnosti dm: D - de/dm /J.kg" 1 / Jednotka dávky je gray /Gy/, která je ke starší jednotce rad vázaná vztahem 1 Gy rad. Časový přírůstek dávky dd za časový interval dt je dávkový příkon /dávková rychlost/ - dd/dt. Absorbovaná dávka D ale není sama o sobě postačující k přepovědi ani závažnosti, ani pravděpodobnosti škodlivých líčinků na zdraví. Proto byla zavedena veličina dávkový ekvivalent H, která významnější škodlivé dčinky lépe charakterizuje. H = D.Q.N /J.kg" 1 / Jednotkou je sievert /Sv/ a platí 1 Sv = 100 rem /starší jednotka/. Q je jakostní faktor, který bere do úvahy vliv mikroskopického rozdělení absorbované energie na djmu. V hrubých rysech platí: druh záření Q gama, elektrony 1 neutrony, pxotony 10 částice alfa 20 44

3 Pro ijouz í vái.: tohoto faktoru lze pouze říci, že jej nelze použít pro hodnocení paušálně a už vůbec ne pro případy určení pravděpodobných časných následků závažných expozic človeka při nehodách. N je součin všech dalších faktorů /které berou do úvahy např. velikost dávkového příkonu a frakcionaci dávky/, který je v současné době brán za rovný jedné. Vztah mezi újmou a rozložením dávkového ekvivalentu v ozářené populaci není jednoduchý. Nejvýhodnější je použití veličiny kolektivního dávkového ekvivalentu /KDE/., která je definovaná v hrubé poloze jako součet dávkových ekvivalentů všech exponovaných osob. Úvazek dávkového ekvivalentu H_ je dávkový ekvivalent kumulovaný během 50 let, které představují pracovní období života, od příjmu vnitřního ozáření radionuklidy organismem. Důležitou veličinou charakterizující zdroj záření je aktivita. Představuje takové množství radioaktivní látky, ve které proběhne jeden radioaktivní rozpad za sekundu. Jednotka je becquerel, takže platí, že 1 Bq - 1 rozpad za sekundu. 5.3 Biologické účinky ionizujícího záření Mechanismus působení ionizujícího záření na organismus není doposud dostatečně prozkoumán a není odvozen jednotný model, který by účinky popisoval. Je známé, že smrtelná /letální/ dávka pro člověka je 5 Gy. Složitost procesu působení si můžeme představit na dvou příkladech: - v 1 ml tkáně s počtem atomů 8.10 nastává při této dávce ionizace v každém stomiliontém atomu, - energie 5 Gy není schopna ohřát 1 vody ani o 0,1 C. Z toho vyplývá, že samotný prvotní fyzikální proces ionizace by neměl být příčinou tak závažných biologických poškození. Proto se předpokládají následné etapy chemické a biologické. Mechanismy účinků můžeme rozdělit na přímé a nepřímé. Při přímém účinku se předpokládá, že ionizace vyvolá rozpad chemické vazby molekuly, která je součástí některé důležité buněčné struktury, a tak vznikne poškození. U látek /organismů/ s nízkým obsahem vody je to pravděpodobně hlavní způsob poškození /teorie přímého zásahu/. U organismů, které obsahují až 7O % vody, tato teorie neuspěla. Byla rozpracována tzv. radikálová teorie. Podstata je v tom, že při radiolytickém rozkladu vody vznikají tzv. radikály, což jsou velmi reaktivní produkty, které následně reagují s aktivními skupinami biologicky důležitých proteinových makromolekul v jejich blízkosti. Tak nastává destrukce složek biologických látek a následně změny v metabolických procesech. Časy trvání fyzikálních a chemických procesů jsou ve všeobecnosti velmi malé - zlomky sekund. Tato etapa biologické přeměny může trvat sekundy až léta. Všimněme si ještě jedné velmi důležité vlastnosti buněk. Buňka zasažená zářením je často schopna v krátkém čase škody způsobené zářením odstranit /tzv. reverzi- 45

4 bilní zněny/. Změnám trvalým říká.ne ireverzibilní. V této souvislosti je důležité uvědomit si i to, že různé druhy buněk jsou různě citlivé /nebo odolné/ vůči záření /radiosenzitivita, r^diorezistence/. Radiosenzitivní jsou zpravidla ty buňky, které S3 rychleji rozmnožují 5.4 Cíle radiační ochrany Ochrana před zářením se zabývá ochranou jednotlivců, jejich potomků a lidstva jako celku. Účinky záření se nazývají somatické, jestliže se projeví přímo na exponovaném jedinci, a dědičné /jenetické/, jestliže postihnou jeho potomky. Stochastické účinky jsou takové, pro něž pravděpodobnost, že účinek nastane, je považován za oezprahovou funkci dávky. Nestochastické účinky jsou takové, pro něž se závažnost účinku mění s dávkou a které proto mohou mít práh. Jinými slovy stochastické dčinky /mezi něž patří dědičné ííčinky a některé somatické - hlavně karcinogeneze/ mohou nastat i vlivem velmi malých dávek s velmi malou pravděpodobností a se vzrůstající dávkou piavděpodobnost účinku roste. Nestochastické účinky při n'zkých dávkách nenastávají. Překročí-li však dávka určitou prahovou hodnotu specifickou pro ten který druh poškození, toto poškození vždy nastane a se vzrůstající dávkou se prohlubuje /např,. poškození oční čočky/. Cílem ochrany před zářením má být zabránit vzniku škodlivých nestochastických účinků a omezit pravděpodobnost stochastických účinků na úroveň, kterou lze považovat za přijatelnou. Doplňujícím cíleir je zajistit, aby každá činnost způsobující ozáření byla odůvodněna. 5.5 Vnější a vnitřní ozáření Vnějšímu ozáření jsme vystaveni všude tam, kde se vyskytuje pole záření. Toto pole, jak již víme, existuje všude kolem nás /a představuje dávku přibližně 1 msv za rok/. Navíc je každý z nás ozařován při lékařských vyšetřeních /v průměru méně než 0,5 msv za rok/ a někteří z nás při výkonu svého povolání. Jsme tedy trvale ozařováni přirozeným pozadím, zatímco při odchodu od rentgenového vyšetření nebo z pracoviště, kde se záření vyskytuje, tento přídavný účinek mizí. Charakteristickým rysem vnitřního ozáření je to, že pokud jsou v organismu přítomné radionuklidy, účinek jejich záření je trvalý nezávisle na místě pobytu. Radionuklidy se z organismu vždy vylučují rychlostí podle své chemické povahy. Pokud je příjem stálý a trvalý, může se ustavit v organismu jejich rovnovážná aktivita. 5.6 Základní metody ochrany - limitování v radiační ochraně Jedním z nejstarších a doposud platných ochranních faktorů je čas, tedy doba setrvání v prostředí ionizujícího záření. Čím kratší dobu budeme v rizikovém prostředí pracovat, tím menší riziko podstupujeme. Pod tímto faktorem nesmíme ale vidět zkrácenou pracovní dobu /i když i toto hraje svoji roli/, ale hlavně efektivní metody organizace práce. Nejrizikovější pracovní postupy je nutné dopředu detailně prostudovat, předem nacvičit resp. realizovat nejprve v neaktivních podmínkách. 46

5 Není možné ho uplatnit vždy, ale ir.usíme dbát o to, ahvchom se ke zdroji zářen:' nepřibližovali zbytečně blízko a tam, kde je to možné, používali dálkové manipulator^'. Pro představu - od bodového zdroje ubývá velikost dávkového příkonu se čtvercem vzdálenosti. Vhodné stínění je faktor, bez něhož by mnohé práce hlavně opravárskeho charakteru nebylo možné vůbec realizovat. Výpočty stínění jsou velmi složité a vycházejí ze znalostí interakce záření s hmotou. Není univerzálního stínicíhc materiálu. Tak např. proti tvrdému gama záření se používají materiály s obsahem prvků o vyšším atomovém čísle jako např. olovo, železo, barytové betony atd. Proti účinkům alfa záření nás ochrání již vrstva vzduchu několik cm silná. Naproti tomu neutrony nezachytí ani silná vrstva olova; v tomto případě je nutné použít vhodné vrstvy vody, parafínu, obecně látek s prvky o nízkém atomovém čísle. Jak lze tušit, mnohá stínění musí být kombinovaná z různých materiálů. Nelze podcenit ani jejich tlouš ku. Tak v případě beta záření může v nevhodně zvoleném stínícím materiálu vzniknout tzv. brzdné záření, které může být za stíněním dosti významné. Proto je ve složitých případech nutné navržené stínění před jeho použitím odzkoušet změřením dávkových příkonů před i za ním. Proti vnitřnímu ozáření se chráníme blokádou příjmu radionuklidů dýchacími cestami, a to použitím vhodných účinků filtračních masek. V prostředí, kde se radioaktivní aeroscly vyskytují, je jejich použití nevyhnutelné. Cesta příjmu potravou nebo pitnou vodou je vyloučena zákazem jejich požívání v prostředí s ionizujícím zářením. Dávky musí být omezovány systémem limitování dávek, který má zahrnovat: a/ zdůvodnění činnosti, b/ optimalizaci radiační ochrany a c/ roční limity dávkových ekvivalentů. Ad a/ Příslušný kompetentní orgán nemá schválit žádnou činnost způsobující expozici ionizujícímu záření, pokud zavedení této činnosti nevytváří pozitivní čistý přínos. Tím se předejde zbytečné expozici. Ad b/ Zdroje a činnosti způsobující expozici mají být navrhovány, konstruovány a následně využívány a provozovány tak, aby expozice byly tak nízké, jak lze rozumně dosáhnout při uvážení ekonomických a společenských faktorů. Ad c/ Při praktické regulaci dávek vycházíme hlavně z limitů. Limit dávkového ekvivalentu pro profesionální pracovníky činí 50 msv/rck. V závislosti na okolnosti expozice může být tento limit překročen /např. v odůvodněných případech poruch a havárií/, ale další regulace dávek je složitá a má řadu podmiňujících faktorů. Pro obyvatelstvo je stanoven dávkový ekvivalent 5 msv/rok. 5.7 Zdroje záření v iaderných elektrárnách Zdroje záření v jaderných elektrárnách jsou: a/ štěpná reakce uranu jako paliva v reaktoru b/ radionuklidy vyprodukované touto reakcí. Jaderné palivo v aktivní zóně reaktoru podléhá štěpení neutrony, přičemž kromě potřebného tepla vznikají radioaktivní štěpné produkty a uvolňují se další neutrony. 47

6 'ľy.' r.i.....:.- jiisoi.-jj ;<.-.::..i-,.-.'. i.s:lj.-i.-r. í 'jrts;.- /řetězová reakce/, jednak aktiv ;.:::.. s: o: saze:.ó. c:.', adic; vo>:e, ai ;u jde o příměsi, které voda obsahovat musí r.elc c t zv. :.rcd.ik ty. :. - J ic 'ZĽÍUZO, kobalt, mangan atd./, které jsou ve vodě neiľis'.-.tá.-i.?;'~ se..'.avä c:.ladicí voda radioaktivní a celý primární okruh je nositele: zr.acr.chc r.j-.c z j i. ; te-chto produktů. Průběžně jsou z vody nežádoucí elementy odst rař.cv.íny..?.ie úr.ir.e je odstranit nelze. Navíc při drobných netěsnostech palivovyci". clii-:'. ::e do vody vymývají i štěpné produkty z paliva. Technológiu provozu předpokládá, že v někteřích částech primárního okruhu bude docházet k únikům vody, a tím i radioaktivních látek. Proto jsou vybudována sběrná zařízeni, aby tyto tzv. organizované úniky odvedla ke zpracování. Přesto však v provozu vznikají drobné netěsnosti na různých místech, a tak dochází k tzv. neorganizovaným únikům, které mohou mít za následek kontaminaci sekundárního okruhu resp. některých prostorů v okolí primárního okruhu. Veškeré zařízení je proto umístěno v hermetických boxech opatřených účinnou ventilací a filtry. Také je vymezeno tzv. kontrolované pásmo, ve kterém probíhají všechny práce organizovaně a je zamezeno náhodnému rozšíření kontaminace mimo něj. Z toho důvodu je zřízena hygienická smyčka, přes kterou pracovníci procházejí a kde jsou kontrolováni. V těchto prostorech se kontrolují i vynášené předměty na radioaktivní zamoření. 5.8 Dozimetrický systém v jaderných elektrárnách a kontrola expozice Dozimetrický systém v každé jaderné elektrárně je budován tak, aby bylo možné v každém okamžiku znát radiační situaci v celé elektrárně. V dozimetrické dozorně se soustředují údaje o dávkových příkonech, úrovních objemových aktrvit radioaktivních plynů a aerosolů resp. vod v důležitých prostorách. V každé dozorně je soustředěno cca 400 těchto údajů ze dvou provozovaných bloků. Údaje se doplňují měřeními radiační situace na potřebném místě přenosnými dozimetrickými zařízeními. Tak je možné vyhodnotit radiační situaci na pracovním místě komplexně a uráat jak potřebnou dobu práce, tak i příslušné ochranné pomůcky. Dodržení všech předepsaných pravidel a norem práce je možné kontrolovat pomocí sledování osobních dávek pracovníků. Pravidelně /měsíčně/ se vyhodnocují filmové /nebo i termolur.úniscenční/ dozimetry a po každé náročnější operaci je možné vyhodnotit operativní dezimetr /obvykle termoluminiscenční/. Vnitřní kontaminace pracovniků se hlídá celotělovým počítačem nebo analýzou exkretů. V jaderných elektrárnách je organizována i služba vnější dozimetrie, která kontroluje úroveň radioaktivní kontaminace v okolí do vzdálenosti cca 25 km ve vybraných složkách životního prostředí /vody, mléka, zemědělských produktů v těsné blízkosti atd./. Ze znalostí velikosti výpustí radioaktivních látek z ventilačního komínu pomocí matematických modelů lze vypočítat dávkovou zátěž obyvatelstva- Příspěvek z vlivu normálního provozu jaderné elektrárny je zanedbatelný a neměřitelný, 5.9 Snižování expozice-ale až kam? 0 problému snižování expozice na rozumně dosažitelnou úroveň při uvážení ekonomických a společenských faktorů již byla zmínka. Jde o optimalizaci radiační ochrany a zároveň o hlavní úkol praktické radiační ochrany. Biologické podklady nás dostatečně informují o pravděpodobnosti vzniku poškození a o jejich klinické závažnosti. Samy o sobě však nemohou vést k rozhodnutí, jaké 48

7 je pro společnost přijatelné rizikc. V současné dobé máme k dispozici dostatek údajů umožňujících odhad koeficientů rizika / pravděpodobnost nastoupení účinku - zhoubného nádoru nebo snrti v důsledku tohoto onemocnění \>o jednotkové dávce/. Tento koeficient v důsledku všech somatických stochastických změn při celotělovém rovnoměrném ozáření je 10 Sv. Koeficient rizika pro genetické důsledky v prvních dvou -3-1 generacích je 4.10 Sv.V určení přijatelnosti rizika stochastických důsledků expozice se berou v úvahu tyto aspekty: a/ riziko přijatelné pro jednotlivce nemusí být přijatelné pro společnost /součet rizik ve větším koxektivu může klást na společnost neúměrné nároky/; b/ celkové riziko spojeni s užitím zdrojů záření může být vzhledem k přínosům pro společnost přijatelné, ale riziko pro některé jednotlivce může být vyšší, než je společností pokládané za únosné. Zmíněné dávkové limity byly odvozeny s přihlédnutím na rizika jiných lidských činností. Tyto limity vyr.iezují horní mez, pod kterou je třeba hledat přijatelné dávky na základě analýzy konkrétní situace. Platí rovnice: P» C-/N + X + Y/, kde: P... čistý přínos činnosti využívající ionizující záření, C... hrubý prínos této činnosti /nejen finanční, ale i zlepšení životního prostředí, zdraví atd./, N... náklady spojené s touto činností, X... náklady na ochranu před zářením /včetně nákladů na kvalifikaci, organizaci práce apod./, Y... hodnota zdravotní újmy v důsledku expozice Grafické znázornění vztahu: ionizujícímu záření /Kčs/ X,Y Y - zdravotní újma X - náklady na ochranu S /Sv/ Obr. 12 Takto odvozené náklady lze charakterizovat jako náklady, které je společnost ochotna na daný účel investovat Péče o pracovníky Kromě kontroly expozice pracovníků se zaměřuje péče o pracovníky na tyto oblasti: a/ preventivní lékařská péče, při které pracovníci alespoň jednou za rok absolvují kompletní lékařské vyšetření /při mimořádných expozicích rovněž/. Těmito prohlíd- 49

8 >. a:\i Sť sa:-.ozi o j:v.ť r.ezjis' 1. 1^- vliv záření na lidský organismus, coz by nebyle a::: r.ozr.c, ale r.á so za to, že fvzicky a psychicky zdravý člověk víeibecné lŕpe odolává škoclivyrr vlivún rizikových prostřed;'; b/ kompletní sociální program zaměřený na ozd^avr.é pobyty, výběrovou rekreaci atd.; c/ zvýhodnění důchodového zabezpečení v I. nebo II. kategorii a finanční ocenění formou rizikových příplatků Legislativa Pro splnění cílů radiační ochrany byla vydána celá řada mezinárodních doporučení, na kterých staví také naše legislativa. Z vydaných dokumentů se opíráme hlavně o: - Zákon č. 20/1966 o péči o zdraví lidu, - Vyhlášku 59/72 /v SSR 65/72/ o ochraně zdraví před ionizujícím zářením, - ČSN ; ředpisy pro pracoviště s radioaktivními látkami. Dozorčím orgánem v oblasti dodržování pravidel radiační bezpečnosti je příslušná krajská hygienická stanice. S jejími pracovníky jsou konzultovány zásadní provozní předpisy, ke kterým je pak vydáváno stanovisko. 6. RADIOAKTIVNÍ ODPADY Z JADERNÝCH ELEKTRÁREN Leo Neumann 6.1 Jaderná energetika a radioaktivní odpady Široké veřejnosti je dobře známo a není proto třeba dokládat, že přechod od energetiky založené na spalování uhlíkatých paliv na energetiku jadernou je dnes jedinou možností, jak odvrátit ekologickou katastrofu, na jejíž hrozbě má výrazný podíl stále rostoucí množství spalovaných nekvalitních paliv. Neexistuje však žádná lidská činnost, která by nebyla zdrojem nějakých rizik. Skutečnost, že lidstvo je již na pokraji ekologické katastrofy, vede k bezpodmínečnému požadavku tato rizika snižovat. Neoddělitelnou součástí fyzikálního principu, na němž je založena jaderná energetika, je tvorba radioaktivních látek, tj. látek, které jsou zdrojem ionizujícího záření. V množstvích a foriách, ve kterých tyto látky vznikají, nebo do nichž se v důsledku dnešních technických řešení dostanou, jsou při současném stavu techniky /až na malý podíl/ nevyužitelné. Stávají se tedy odpadem. Protože - jak je rovněž všeobecně známo - radioaktivní látky nejsou neškodné, je nutné realizovat taková technická a organizační opatření, aby se míra rizika, vyplývající z tvorby radioaktivních odpadů, snížila na víroveň pro společnost přijatelnou. Současná koncepce zneškodňování radioaktivních odpadů je založena na tzv. nekolikabariérovém principu, tj. na vytvoření systému několika překážek, z nichž každá - i když v odlišném rozsahu - brání možnosti průniku radioaktivních látek do životního prostředí. Tím je celý systém několikanásobně jištěn. 50