Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

7. Современные методы индивидуального дозиметрического контроля внешнего облучения: ионизационные камеры, полупроводниковые, фотографические, термолюминесцентные детекторы, трековые и пузырьковые камеры (для нейтронов), электронные прямопоказывающие дозиметры.

ЛИТЕРАТУРА

1.Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

2.Кутьков В.А., Ткаченко В.В., Романцов В.П. Радиационная безопасность персонала атомных станций. – Москва-Обнинск,

2003.

3.Кутьков В.А., Ткаченко В.В., Романцов В.П. и др. Основы радиационного контроля на АЭС. – Москва-Обнинск, 2008.

РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ В ВОЗДУХЕ И ОЦЕНКА ГОДОВОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ДОЗЫ ВНУТРЕННЕГО ОБЛУЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ

Известно, что в своей повседневной жизни человек подвергается воздействию радиоактивного излучения. Немалая доля облучения человека (до 70 %) обусловлена поступлением в организм радиоактивных аэрозолей, содержащихся во вдыхаемом воздухе. Аэрозоль это дисперсная система, состоящая из твердых или жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газе (обычно в воздухе). Радиоактивный аэрозоль это аэрозоль, в дисперсную фазу которого входят радионуклиды.

РАДИОАКТИВНЫЕ АЭРОЗОЛИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Естественный радиационный фон. Основную часть облу-

чения (~ 70 %) население Земного шара получает от естествен-

ных источников радиации. Естественными источниками ради-

ации принято считать такие радиоактивные вещества, которые образовались (и продолжают образовываться) без участия человека. Естественными источниками радиации являются космические лучи и радионуклиды, содержащиеся в земной коре. Когда

91

радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают человека снаружи это внешнее облучение человека. Если радиоактивные вещества попадают внутрь организма (вместе с воздухом, водой и пищей) и облучают человека изнутри это

внутреннее облучение.

Расчетные значения годовых эффективных доз от естественных (природных) источников излучения приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Годовая индивидуальная эффективная доза естественного радиационного фона, мЗв/год

Компонент		Среднее
Космическая радиация
Непосредственно ионизирующая		0,28
и фотонная компоненты
Нейтронная компонента		0,1
Космогенные радионуклиды		0,01
Всего		0,39
Внешнее облучение от земной коры
Вне помещений		0,07
В помещениях		0,41
Всего		0,48
Ингаляция
Урановые и ториевые ряды		0,006
Радон (222Rn)		1,15
Торон (220Rn)		0,1
Всего		1,26
Заглатывание
40К		0,17
Урановые и ториевые ряды		0,12
Всего		0,29
Всего		2,4

Космическое излучение21, взаимодействуя с ядрами азота,

21 Первичное космическое излучение, как галактическое, так и солнечное, в основном состоит из высокоэнергетичных протонов (~ 90 %) и-частиц (~ 10 %). Взаимодействуя с ядрами атомов, присутствующими в воздухе, частицы первичного космического излучения образуют

92

кислорода и водорода, присутствующими в атмосферном воздухе, образует так называемые космогенные радионуклиды, которые могут создавать внутреннее облучение человека, поступая в организм с воздухом, водой и пищей. Можно сказать, что космогенные радионуклиды являются продуктами активации ядер элементов, составляющих воздух, вторичным космическим излучением. Среди большого числа космогенных радионуклидов лишь четыре нуклида (3Н, 7Ве, 14С и 22Na) вносят некоторый вклад в суммарную дозу внутреннего облучения.

К радионуклидам земного происхождения относятся долгоживущие радиоактивные элементы, присутствующие в различных объектах внешней среды с момента образования Земли, а также их дочерние продукты распада (время образования земной коры составляет ~ 4,5 109 лет). Наибольшей удельной активностью обладают 40К, 238U и 232Th в равновесии со своими дочерними продуктами.

Содержание радионуклидов земного происхождения в почве определяется как составом исходных горных пород, слагающих земную кору, так и характером процессов почвообразования (выщелачивание почв грунтовыми водами, сорбция радионуклидов почвами и т.д.). Диапазон содержания радионуклидов для

почв разного состава составляет примерно (100 – 800) Бк/кг для

40К, (10 – 60) Бк/кг для 238U, (7 – 60) Бк/кг для 232Th, (3 – 50) Бк/кг для 226Ra.

Если говорить о внешнем облучении, то естественный радиоактивный изотоп 40К и дочерние продукты распада радия и тория являются основными -излучающими веществами, создающими ионизацию над поверхностью Земли22. Значения естественного радиационного фона в различных регионах земли ва-

лавины из электронов, протонов, нейтронов и мезонов вторичное космическое излучение.

22 Энергия -излучения, испускаемого этими радионуклидами, не превышает 2,6 МэВ, поэтому это излучение поглощается почвой и основной вклад в дозу излучения над поверхностью Земли вносят нуклиды, содержащиеся только в верхнем 30-сантиметровом слое от поверхности. Среднее значение мощности поглощенной дозы в воздухе вне помещений с «нормальным» радиационным фоном составляет ~ 0,05 мкГр/ч.

93

рьируются в очень широких пределах: величины максимального

иминимального значений мощности поглощенной дозы в воздухе от естественных радионуклидов, находящихся в почве, могут различаться в 500 раз.

Но все-таки наиболее весомый вклад (до 70 %) в эффективную дозу облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, дает внутреннее облучение, обусловленное радиоактивными веществами, содержащимися в земной коре

ипопавшими в организм с воздухом, пищей и водой. Естественные аэрозоли. Наиболее существенный вклад во

внутреннее облучение человека вносят продукты распада радона, которые поступают в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом.

Большинство радиоактивных элементов, встречающихся в природе, можно расположить в виде трех последовательных цепочек, они называются радиоактивными семействами. Эти три семейства радиоактивных изотопов в основном и обуславливают радиоактивность, с которой связано облучение человека в естественных условиях его существования. Радиоактивное семей-

ство 23892 U изображено на рис. 4.123. В скобках указаны первоначальные названия членов ряда, показывающие их генетическую связь, без скобок общепринятые обозначения изотопов24.

Семейство урана-радия имеет 19 нуклидов и начинается с изотопа 23892 U (содержание которого в природной смеси изотопов

урана составляет 99,28 %), заканчивается стабильным изотопом свинца. Второе семейство – актиноурана – начинается с другого

изотопа урана 23592 U . Содержание 23592 U в естественной смеси со-

23 Горизонтальные стрелки означают радиоактивные превращения, имеющие выход, близкий к 100 %, а наклонные имеющие очень незначительный выход. В рамках обозначены долгоживущие изотопы, в двойных рамках конечные стабильные изотопы.

24 RaA, RaB, RaC и т.д. условные обозначения дочерних продуктов распада радия, введены до того, как был выяснен их состав (до открытия английским радиохимиком Ф.Содди правила сдвига, позволившего выяснить природу элементов при радиоактивных превращениях). Аналогичные обозначения приняты для ThA, ThB, ThC.

94

ставляет 0,71 % (именно этот изотоп используется в управляемых реакциях деления на АЭС). Среди элементов этого ряда

есть актиний 22789 Ac наличие радионуклида актиния и дало название этому ряду.

Третье семейство тория начинается с радиоактивного изотопа тория 23290T h , также имеет в своем составе изотоп радия ( 22488Ra ), превращающийся в радиоактивный газ радон (220Rn).

Этот изотоп радона 220Rn, учитывая его происхождение, называют тороном.

234m

238

234

234

230

226

92

U (U1)

Th

(UX1)

Pa (UX2)

92

U (U2)

Th (Io)

88

Ra (Ra)

90

91

90

4,5 109 лет

24 сут

1,2 мин

2,5 105 лет

8 104 лет

1602 года

ип

0,13%

23491Pa (UZ)

6,7 ч

222

218

214

214

214

(RaC )

86Rn

(Rn)

84Po

(RaA)

82Pb (RaB)

83Bi (RaC)

84Po

3,8 сут

3 мин

27 мин

19,7 мин

1,64 10-4 с

0,02%

0,02%

21885At

21081Tl (RaC )

2 с

1,3 мин

21082Pb (RaD)

21083Bi (RaЕ)

21084Po (RaF)

20682Pb (RaG)

21 год

5 сут

138 сут

0,0013%

		206Tl (RaE )
		81
		4,2 мин

Рис. 4.1. Ряд урана-радия

95

Все три радиоактивных семейства имеют одну особенность наличие в цепочке распада радиоактивного газа радона, который

вотличие от своих предшественников (уран, торий, радий), способен выйти из почвы наружу в атмосферный воздух. Сам радон

ввоздухе находится в атомарном состоянии, его атомы не присоединяются к ядрам конденсации, например, пылинкам или тяжелым ионам, поэтому сами непосредственно аэрозоли не образуют. Получившиеся из радона атомы Po, Bi, Pb притягиваются и прилипают к пылинкам, которые всегда присутствуют в воздухе. Таким образом, инертный газ за сравнительно короткое время превращается в тонкодисперсный аэрозоль, который прекрасно адсорбируется и в верхних дыхательных путях, и в альвеолярном отделе легких человека. Радиационная опасность вдыхаемой смеси радона и продуктов его распада более чем на 95 % обусловлена аэрозолями дочерних продуктов.

В наиболее значительной концентрации в воздухе находится

радон 222Rn с продуктами его распада, слабо заметен торон (220Rn) со своими продуктами распада. Актинон же (219Rn) при-

сутствует в воздухе в ничтожных количествах и практически не создает дозы внутреннего облучения.

Т.к. радон высвобождается из земной коры повсеместно, то образуется он и в грунте под жилыми и промышленными зданиями, поступая затем в подвальные и другие, более высоко расположенные помещения. Поэтому (хоть это и непривычно, на первый взгляд) основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом помещении. Это усугубляется еще и тем, что радон выделяют почти все строительные материалы производство и кирпича, и бетона основано на использовании глины, цемента, щебня и других материалов, полученных из различных месторождений и также содержащих радий.

Средняя концентрация радия в строительных материалах составляет примерно (30 50) Бк/кг, но существуют материалы, содержащие радий в значительно больших количествах: это бетоны на основе промышленных отходов, например, золы (до 3000 Бк/кг), фосфогипс (до 1500 Бк/кг), доменный шлак, хвостовые пески – отходы после добычи урановой руды и др.

96

Таблица 4.2 Содержание радона в жилых помещениях, обусловленное

различными источниками, Бк/м3

Источник	Одноэтажный	Многоэтажный
	коттедж	дом
Почва	55	40
Наружный воздух	10	10
Строительные материалы	4	4
Вода (наземные источники)	1,3	1,3
Средняя наблюдаемая концен-	55	12
трация в помещении

В табл. 4.2 представлено содержание радона в одном из типичных жилых помещений, обусловленное различными источникам. Из данных табл. 4.2 видно, что основным источником радоновыделения в домах являются почва и стройматериалы. В среднем в кирпичных, каменных, бетонных зданиях мощность дозы в (2 3) раза больше, чем в деревянных домах и в домах из синтетических материалов. Хотя радиационный контроль строительных материалов требует самого тщательного рассмотрения, не следует забывать, что главным источником радона в закрытых помещениях является грунт.

Искусственные аэрозоли, образующиеся при работе АЭС.

При ядерной реакции деления в твэлах образуется большое число (около 600) радионуклидов – продуктов деления, которые в зависимости от физико-химического состояния можно разделить на следующие группы: благородные газы (аргон, ксенон, криптон), летучие соединения (йод) и нелетучие вещества (стронций, барий, цирконий, церий, лантан и т.д.). Газообразные продукты деления и летучие вещества через трещины и микротрещины в оболочках твэлов могут выходить наружу, в теплоноситель, а затем и в атмосферный воздух. Выходя из микротрещин твэлов, короткоживущие благородные газы продуктов деления распадаются и образуют мелкодисперсные радиоактивные аэрозоли: например, газообразный 137Хе с периодом полураспада 3,9 мин переходит в образующий радиоактивный аэрозоль 137Cs с перио-

дом полураспада 30 лет, газообразный 90Kr (T1/2 = 33 с) в создающий радиоактивный аэрозоль 90Sr (T1/2 = 28 лет), газообраз-

ный 140Хе (T1/2 = 16 с) в образующий радиоактивный аэрозоль

97

140Ва (T1/2 = 13 сут.) и т.д. Особо опасными являются радиоактивные изотопы йода, которые могут находиться частично в па-

рообразной фазе, частично в виде тонкодисперсных аэрозолей. Другим источником радиоактивных аэрозолей на АЭС явля-

ются радионуклиды, получающиеся при активации нейтронами примесей теплоносителя первого контура и конструкционных материалов активной зоны. Примеси теплоносителя первого контура, циркулирующего через активную зону реактора это, в первую очередь, продукты коррозии внутренних поверхностей трубопроводов и различного оборудования первого контура, омываемого теплоносителем. При активации этих продуктов в

теплоносителе образуются такие радионуклиды, как 51Cr, 54Mn,

58Со, 59Fe, 60Со, 65Zn, 95Zr, 110mAg.

Аэрозоли, содержащие радионуклиды, образующиеся при активации примесей теплоносителя, чаще всего появляются в воздухе помещений АЭС при плановых ремонтах и перегрузках топлива. При этих операциях (особенно при различных работах по зачистке, сварке и шлифовке труб) суммарная концентрация аэрозолей, обусловленных активацией, в реакторном помещении достигает (70 3000) Бк/м3. Аэрозоли, возникающие при таких работах, крупнодисперсные (6 12 мкм), и (60 – 80) % из них задерживаются в верхних дыхательных путях, часть их затем заглатывается, попадает в желудочно-кишечный тракт и потом выводится из организма. Именно эти аэрозоли, возникающие при ППР (планово-предупредительных ремонтах), чаще всего обнаруживаются на установках СИЧ (счетчик излучения человека), которые установлены на АЭС для контроля за содержанием радионуклидов, поступивших в организм человека. Концентрация радиоактивных аэрозолей, возникающих при выходе газообразных продуктов деления через микротрещины твэлов в помещения при нормальной работе АЭС очень мала и редко регистрируется установками СИЧ.

Типичный состав радиоактивных аэрозолей по активности радионуклидов в выбросе АЭС с РБМК-1000, проработавшей несколько лет, представлен в табл. 4.3. При аварийных ситуациях (нарушение целостности защитной оболочки тепловыделяющих элементов) существует реальная опасность загрязнения воздуха радиоактивными продуктами деления урана (144Ce, 144Pr,

98

90Sr -90Y, 89Sr, 140Ba, 140La, 95Zr, 95Nb и т.д.)

Таблица 4.3 Нуклидный состав аэрозолей выброса АЭС с РБМК-1000,

% активности

Нуклид	Сод., %	Нуклид	Сод., %
131J	16,5	59Fe	1,0
133J	16,5	137Cs	5,0
51Cr	42,0	134Cs	3,5
60Co	3,0	99Mo+99Tc	13,5
58Co	1,5	95Zr	2,0
54Mn	1,5	95Nb	1,5

Величина выбросов и их радионуклидный состав зависят от типа реактора, состояния активной зоны и оборудования (т.е. времени эксплуатации), эффективности очистки газообразных выбросов. Так, для реакторов ВВЭР величина выбросов инертных радиоактивных газов (ИРГ) примерно на порядок ниже, чем для реакторов РБМК. Это обусловлено тем, что у РБМК – один контур теплосъема, а у ВВЭР – два, причем первый (активный) контур замкнутый и герметичный – в нем радиоактивные вещества могут задерживаться на длительное время.

Радиоактивные аэрозоли на АЭС могут образоваться также в результате активации нейтронами неактивной пыли. Крупнодисперсная пыль, содержащая радиоактивные аэрозоли, возникает также в результате процессов выветривания кладки реактора при ее выветривании.

ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ

Кинетика радионуклидов в организме при ингаляционном поступлении. При одних и тех же количествах радионуклидов внутреннее облучение существенно опаснее для человека, чем внешнее. Это обусловлено тем, что при внутреннем облучении нет возможности применить те способы защиты, которые используются при внешнем облучении нельзя ни удалиться от источника облучения, ни защититься от него, ни сократить время облучения. К тому же при внутреннем облучении радио-

99

нуклиды могут накапливаться избирательно в каких-то органах, усиливая облучение этих органов.

Радионуклиды, которые попали внутрь организма, называют инкорпорированными радионуклидами. Существует три пути попадания радионуклидов из внешней среды внутрь человеческого организма: с воздухом через органы дыхания (ингаляционное поступление), с водой и пищей через органы пищеварения (пероральное поступление) и через кожу25. При поступлении радионуклида внутрь организма степень его опасности для человека определяется скоростью его всасывания в кровь, скоростью выведения из организма, а также способностью этого нуклида накапливаться в том или ином органе. Эти процессы зависят от следующих важных факторов: химической формы соединения радионуклида и степени растворимости этого соединения в той жидкой среде, в которую он поступил, от времени нахождения этого радионуклида в органе, от состояния организма (например, если аналога поступившего радионуклида в организме не хватает, радионуклид будет откладываться именно в местах концентрации недостающего аналога) и, конечно, от функциональных особенностей органа, в который радионуклид поступил.

Считается, что из трех возможных путей поступления радионуклидов в организм (ингаляционный, пероральный и через кожу) наибольший вред человеку причиняет вдыхание загрязненного радионуклидами воздуха. Это обусловлено, во-первых, большим количеством потребляемого воздуха (через легкие за сутки проходят большие объемы воздуха, около 20 м3, воды же всего около 2 л). Во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее ингаляционным путем в организм человека, имеет возможность поступать непосредственно в кровь26, и, в-третьих, органы дыхания обладают прекрасной адсорбирующей способ-

25Возможно еще раневое поступление через открытые раны и ожоговые поверхности и внутривенное введение при проведении радионуклидной диагностики.

26При пероральном поступлении радиоактивных аэрозолей внутрь организма радиоактивность поступает в кровь в значительно меньших количествах, т.к. для органов желудочно-кишечного тракта коэффициент резорбции, выражающий собой долю активности, переходящей в кровь, относительно невелик.

100