Účinky ionizujícího záření a radiační ochrana Karel Katovský Ústav elektroenergetiky Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 2 PŘEDNÁŠKA  Motivace  Interakce ionizujícího záření s látkou  Jednotky a veličiny  Účinky záření na materiál  Účinky záření na živé organizmy  Stínění a ochrana před zářením Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 3 ALFA VLASTNOSTI ZÁŘENÍ ALFA  silně ionizující záření  těžké nabité částice (náboj +2e, hmotnost 4u)  krátký dolet závisející na energii  alfa částice z rozpadu cca 5 MeV  dolet ▪ jednotky cm ve vzduchu ▪ desetiny mm v pevných látkách  „Podobně“ se chovají všechny těžké nabité částice i protony – Braggova křivka STÍNĚNÍ ZÁŘENÍ ALFA  Jakýkoliv materiál, kovy, voda apod.  podobně lze stínit i těžší ionty  Protony nutno stínit větší vrstvou materiálu  Nutno dostínit brzdné záření (zejména u p+) a buzené roentgenovské záření (u větších toků)  U lidí - rukavice, rouška Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 6 BETA VLASTNOSTI ZÁŘENÍ BETA  lehká nabitá částice (náboj 1e, hmotnost 1/2000 u)  spojité spektrum (různé energie)  v rozpadech stovky keV, urychlovače >MeV  „cik-cak“ zákon  v blízkosti jádra intenzivní brzdné záření (nabitá částice v el.-mag. poli) a charakteristické zář. X  dolet závisí na čísle Z a hustotě materiálu ▪ až desítky cm ve vzduchu ▪ desetiny až jednotky mm v materiálech  Beta mínus vs. Beta plus – pozitrony anihilují a emitují 511keV STÍNĚNÍ ZÁŘENÍ BETA  Vhodné jsou kovy – hliník, měď nebo tvrzené plasty  čím těžší, tím lépe stíní beta, ale tím více se emituje brzdné záření (nevýhoda olova)  Ideálně tedy materiály s vysokou hustotou, ale s malým Z  Nutné je odstínit brzdné záření a charakteristické roentg. záření  U lidí - rukavice, brýle, rouška  „Nedívej se tak zblízka“ – starší TV mohly emitovat elektrony Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 9 GAMA VLASTNOSTI ZÁŘENÍ GAMA A X  silně pronikavé, elektricky neutrální záření  pronikavost závisí na energii  a velmi silně na Z materiálu – čím větší, tím lepší  koeficient zeslabení (attenuation factor) Energie gama (keV) Polotloušťka (mm) Desetinotloušťka (mm) 200 0,5 2 300 1,5 5 400 2,5 8,7 500 3,6 12,6 1000 7,9 25,3 STÍNĚNÍ ZÁŘENÍ GAMA A X  co „nejtěžší“ materiály – olovo, bismut, wolfram (vysoká hustota, vysoké Z), uran (vlastní měkké záření)  Nutno dostínit char. roentgenovské X a anihilační píky; nutno přidat další vrstvy z lehčích kovů – sendvičové stínění (olovo, kadmium, měď, hliník, plast, dřevo, beton…)  U lidí – vzdálenost, čas, stínění – dálkové manipulátory, olověné zábrany, boxy, horké komory s manipulátory apod., rouška, rukavice (gama je většinou doprovodné k alfa, beta) NEUTRONOVÉ „ZÁŘENÍ“ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 12 4-Be-9 + 2-He-4 → → 6-C-12 + 0-n-1 Reakce (alfa,n) (gama,n) (p,n) (n,štěpení) d+t – fúze VLASTNOSTI NEUTRONOVÉHO ZÁŘENÍ  neutrony nemají elektrický náboj (hmotnost 1u)  nepřímo ionizující záření – ionizuje až produkt reakce s neutronem, ne sám neutron  reaguje rozptylem nebo absorpcí  ve vodě až desítky rozptylů před absorpcí – při každém rozptylu může předávat energii  pronikavost závisí na energii, materiálu a hustotě ▪ složitá závislost, liší se materiál od materiálu – většinou desítky cm (i metry a desítky m) STÍNĚNÍ NEUTRONŮ  Obecně: ▪ zpomalit ▪ absorbovat  Zpomalují nejlépe lehké prvky – H, C, Be  Zachycují speciální materiály – B, Cd (ale i H)  voda, polyethylen (dopovaný bórem – C3)  olovo je pro neutrony jako máslo pro nůž  dostínit záchytové píky gama záření (Pb)  U lidí – vzdálenost, čas, stínění (voda...) POLOČAS PŘEMĚNY (ROZPADU) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 15 RADIAČNÍ OCHRANA  Atomový zákon a prováděcí vyhlášky SÚJB (zejména vyhláška o radiační ochraně)  Princip ALARA  Vzdálenost  Stínění  Čas  Princip zdůvodnění  Princip optimalizace  Dozor a regulace DEFINICE VELIČIN A JEDNOTEK  Aktivita (veličina, radioaktivita je jev!) (obecná, plošná, objemová, měrná, nasycená)  Kerma (+příkon)  Expozice (ozáření) (+příkon)  Absorbovaná dávka  Dávkový příkon  Lineární přenos energie  Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka) (+příkon)  Efektivní dávka (+příkon)  Dávkový úvazek (radiotoxicita)  Poločas rozpadu, střední doba života, biologický poločas  Kolektivní dávka JEDNOTKY Bequerel (1/s) přesně Curie (1/s) 1 Ci = 3.7E10 Bq Gray (J/kg) přesně rad (J/kg) 1 rad = 0.01 Gy Sievert (J/kg) radiační váh. faktory Roentgen (C/kg) 1 R = 0.000258 C/kg ... 8.69 mGy (~1rad) rem (J/kg) 1 rem = 0.01 Sv (Roentgen equivalent man) LIMITY A DÁVKY  Obyvatelstvo 1mSv/rok  Pracovníci 100mSv/5 let, 50mSv/rok  Studenti a učni  Těhotné ženy  Přírodní radiační pozadí/rok ... 3 mSv (0.1-0.4mSv/h)  RTG střev ... 4 mSv  RTG žaludku ... 2.4 mSv  RTG kyčlí ... 1.7 mSv  Pracovník JE Dukovany/rok ... 0.4 mSv  3 lety nadzvuk. letadlem Praha - USA ... 0.38 mSv  Obyvatelstvo v okolí JE Dukovany/rok ... 0.005 mSv ÚČINKY ZÁŘENÍ  prvek (monoatomární)  molekula, chemická látka  biologická živá tkáň ÚČINKY ZÁŘENÍ NA MATERIÁL zejména gama záření a neutrony omezeně beta alfa se zachytí na povrchu materiálu Nejhorší je směsné pole n-g (reaktor), zejména rychlé neutrony Horší pro krystalické látky ▪železo, grafit Atestační plus svědečný program (zejména TN) ÚČINKY ZÁŘENÍ NA MATERIÁL Gama ▪zejména radiační ohřev Neutrony ▪poruchy krystalické mřížky ▪změny v chemické struktuře mřížky (záchyt n) – Mn, Co, Ni ▪změna pružnosti – zvyšuje se pevnost a křehkost ▪creeping, swelling ▪možnost spontánní rekrystalizace nebo křehkého lomu BIOLOGICKÉ ÚČINKY ZÁŘENÍ Vnější ozáření (gama, neutrony) Vnitřní ozáření (alfa, beta) Kritická cesta radionuklidu, kritický orgán Ozáření buňky ▪Fyzikální stádium ▪Fyzikálně-chemické stádium ▪Chemické stádium ▪Biologické stádium ▪Reparační stádium FYZIKÁLNÍ STÁDIUM absorpce energie v buňce - excitace a ionizace atomů a molekul interakce, které nevedou přímo k ionizacím a excitacím (tvorba párů, jaderné reakce) produkují částice, které také excitují a ionizují atomy a molekuly Vzniká tzv. stopa částice (závisí na LET)  Tento primární proces trvá cca 10-16 – 10-14 s FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÉ STÁDIUM Pří interakci iontů s molekulami dochází k disociaci molekul a vzniků radikálů Z vody vznikají např. kationty H+, hydroxylové anionty OH- a další nestabilní produkty H2O2, HO2 Tento proces trvá cca 10-14 – 10-10 s CHEMICKÉ STÁDIUM Ionty, radikály a excitované atomy interagují s molekulami buňky Vznikají jednoduché a dvojité zlomy DNA a RNA Tento proces trvá cca 10-3 – 10 s BIOLOGICKÉ STÁDIUM Buňky se dále dělí Změny na DNA a dalších částech buňky mohou způsobit změny na jednotlivých orgánech a organizmu jako celku By-standers effect – poškození neozářených Biologické stádium trvá od stovek sekund (při akutním poškození) až roky REPARAČNÍ STÁDIUM působí antioxidanty dochází k enzymatickým procesům, jimiž jsou napravovány poškozené struktury DNA buňka může během několika hodin od ozáření obnovit svou schopnost dělení může dojít k chybné reparaci a vzniku mutací apoptóza – řízený zánik buňky (gen p53) (mrtvá buňka – dobrá buňka) KŘIVKA PŘEŽITÍ MIKROBŮ Haloferax volcanii (●) Halobacterium salinarium (■) Escherichia coli (▲) VLIVY ZÁŘENÍ NA ORGANIZMUS  Deterministické účinky  Stochastické účinky • časné účinky • pozdní účinky ÚČINKY ZÁŘENÍ NA DNA ZDRAVOTNÍ ÚČINKY ZÁŘENÍ  detekovatelné individuálně od 500 mSv  Dávky > 2 Sv ▪ kostní dřeň ▪ žaludek, tlusté střevo ▪ kůže ▪ dočasná sterilita u mužů (roky) ▪ poškození plodu (od desítek mSv) ▪ nádorová onemocnění ▪ kostní dřeň, žaludek, tlusté střevo, štítná a mléčná žláza JEVY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINKY ZÁŘENÍ Teplota Předchozí ozáření Přítomnost kyslíku v tkáni Radioprotektika Stáří jedince Nejasný vliv malých dávek - hormese RADIOAKTIVITA PŘIROZENÁ A UMĚLÁ 35 36 1997-vyznamenán 1998-kritika FSB 1999-zatčen 2000-utekl do UK 2001-azyl UK Označil FSB zodpovědnou za atentáty atp. V říjnu 2006 získal britské občanství. 1.11.2006 první příznaky neznámé nemoci 17.11. hospitalizace, 20.11. JIP, 23.11. zemřel Teprve těsně před smrtí potvrzeno Po-210. Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 37 POROVNÁNÍ RADIOAKTIVITY V PROSTŘEDÍ ČR Radon v atmosféře 5 - 10 Bq/m3 Radon v budově 10 -1000 Bq/m3 Hornina/půda : 10 000-1000 000 Bq/m3 226Ra, 232Th, 40K Stavební materiál 10 000-1000 000 Bq/m3 226Ra, 232Th, 40K Radon ve výšce 1m: 10 000 – 100 000 Bq/m3 (ale i >1 000 000 Bq/m3) Černobyl 10-100 Bq/m3 137Cs…5 000 Bq/m2 V těle 40K ~ 4000 Bq přírodní ozáření v ČR ~ 3 mSv/ročně (max 1000 mSv/ročně) Lékařské ozáření Diagnostika (nucl. medicína) 1 000 000 - 100 000 000 Bq Terapie štítné žlázy 10 000 000 000 Bq (131I) ROZDĚLENÍ ZDROJŮ OZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 39 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 40 AKTIVITA - PŘÍKLADY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 41 1 dospělý člověk (100 Bq/kg) 7000 Bq 1 kg kávy 1000 Bq 1 kg superfosfátového hnojiva 5000 Bq Vzduch v průměrném domě (100 m2) v Austrálii (radon) 3000 Bq Vzduch v průměrném domě (100 m2) v Evropě (radon) až 30 000 Bq 1 domácí požární detektor kouře (obsahuje americium) 30 000 Bq Radioisotopový zářič pro lékařskou diagnostiku (příklad) 70 millionů Bq Radioisotopový zářič pro lékařskou terapii (příklad) 100 000 000 millionů Bq (100 TBq) 1 kg vitrifikovaných vysokoaktivních odpadů po 50 letech 10 000 000 millionů Bq (10 TBq) 1 luminiscenční světelné znamení „Exit“ (obsahuje tritium) 1 000 000 millionů Bq (1 TBq) 1 kg uranu 25 millionů Bq 1 kg uranové rudy (naleziště Kanada, 15 %) 25 millionů Bq 1 kg uranové rudy (naleziště Austrálie, 0.3 %) 500 000 Bq 1 kg nízkoaktivních jaderných odpadů (příklad) 1 millionů Bq 1 kg uhelného popílku 2000 Bq 1 kg granitu (žuly) 1000 Bq Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 42 Spaní vedle druhé osoby 0,05 mikro Sv Bydlení jeden rok 75 km od jaderné elektrárny 0,09 mikro Sv Snědení jednoho banánu 0,1 mikro Sv Bydlení jeden rok 75 km od uhelné elektrárny 0,3 mikro Sv Rentgen ruky 1 mikro Sv Roční používání starého monitoru (CRT) 1 mikro Sv Rentgen zubu 5 mikro Sv Průměrná denní dávka z přírodního pozadí 10 mikro Sv Rentgen hrudníku 20 mikro Sv Let z NY do LA 40 mikro Sv Bydlení jeden rok v domě z kamene nebo betonu 70 mikro Sv Celková střední dávka od havárie Three Mile Island pro obyvatele bydlícího15 km od elektrárny 80 mikro Sv Roční dávka od draslíku (biogenní prvek obsahující izotop 40K) obsaženého v lidském těle 390 mikro Sv Povolený roční limit pro ozáření jednotlivce z veřejnosti nad dávku z přírodního pozadí 1 000 mikro Sv = 1 mSv Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 43 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 SMRTELNÉ (LETÁLNÍ) DÁVKY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 44 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 PŘÍRODNÍ ANOMÁLIE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 45 Přírodní pozadí 175 mSv/rok – Guaraparí, Brazílie Přírodní pozadí 400 mSv/rok – Ramsar, Irán VNÍMÁNÍ RIZIKA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 46 VNÍMÁNÍ RIZIKA VS. STATISTIKA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 47 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 http://nextbigfuture.com/2011/03/deaths-per- twh-by-energy-source.html • Ozáření 1 mSv • Vykouření 30 cigaret • Ujetí 5000 km autem v běžném provozu QUIZ Představte si, že pracujete se zdroji ionizujícího záření. Máte před sebou na stole zdroj alfa záření, beta záření, čistý gama zdroj a neutronový zdroj. Najednou na dveře klepe paní Drábová, neohlášená kontrola z SÚJB. Máte čas tak akorát na to, abyste jeden ze zdrojů zahodili, druhý schovali před sebe na poličku za pohlednici od kamaráda, třetí strčili do kapsy a čtvrtý spolkli. Jaký postup vyberete, abyste minimalizovali efektivní dávku na svůj organizmus? 1. Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a ion. záření 2. Tomáš Čechák: Biologické účinky záření 3. Josef Hógel: Základy radiační bezpečnosti 4. Antonín Kolros: Dozimetrie 5. Marie Dufková: Radioaktivita 6. Dana Drábová: Stres v jádře, jádro ve stresu 7. UNSCEAR, NEA, IAEA, IEA, WNA, WNN, Paulo’s Corner, SÚRO, NRC 8. Jana Vaňková, FBMI ČVUT, DP 2017 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 50 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! 51 Czech politics European „friends“ Technology and personal challenges DUKOVANY-5