Ionizující záření a jeho účinky

Radioaktivita

Vlastnost některých jader atomů podléhat samovolnému rozpadu. Vznikají tak jádra jednodušší a uvolňuje se energie ve formě záření.

Nestabilní nuklid podléhající přeměně.

Radionuklid

Radioaktivní rozpad

N0 – počet radioaktivních jader v čase t=0

N – počet zbylých jader v libovolném t

Poločas rozpadu

[T1/2] = s

- konstanta rozpadu, [] = s-1

Aktivitapodíl středního počtu radioaktivních

přeměn radionuklidu za časový interval

jednotkou v soustavě SI – bequerel (Bq)1 Bq = 1 rozpad za sekundu

1 curie = 1Ci = 3,7.1010 Bq

Aktivita vyhořelého jaderného paliva

Ionizující zářeníIonizujícím zářením nazýváme

takové záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat.

Druhy ionizujícího záření

Záření

Záření

Záření α

Elektromagnetické vlnění

Jádra helia

Záporné elektrony nebo kladné pozitrony

Druhy záření [29]

Stínění Alfa částice – malá

pronikavost, zachytí je lidská pokožka nebo papír

Beta částice – neprojdou tenkou vrstvou hliníku

Gama částice – velká energie, proniknou lidským tělem, zachytí je silná olověná nebo betonová deska

Pronikavost záření [29]

Dávkapohlcená energie na jednotku hmotnosti

jednotkou v soustavě SI je gray (Gy)

starší jednotka rad (radiation absorbed dose)

1Gy = 1J/kg = 100 rad

Dávkový příkon Podíl přírůstku dávky dD a

časového intervalu dt

jednotkou je Gy.s-1

Ekvivalentní dávka bere ohled na rozdílné působení odlišných druhů

ionizujícího záření pohlcená dávka vynásobená jakostním faktorem

(faktorem kvality záření)

jednotkou v soustavě SI je sievert (Sv) starší jednotka rem: 1 rem = 0,01 Sv

Jakostní faktor

Alfa záření 20

Beta záření 1

Gama záření 1

protony 5

neutrony 5-20 (závisí na energii)

Biologický poločas přeměnycharakterizuje vylučování daného

radioaktivního prvku z organismu

doba, za kterou se z organismu vyloučí polovina přijatého množství radionuklidu

kombinace biologického a fyzikálního poločasu přeměny

Efektivní poločas přeměny

Ozáření člověka

zdroj

ekvivalentní dávka (mSv/rok)

podíl na celkovém ozáření (%)

radon a produkty přeměny radonu 1300 43,1

lékařství 660 20,6vnější ozáření přírodními radionuklidy (mimo radon a jeho produkty) 460 15

kosmické záření 380 12,5vnitřní ozáření přírodními radionuklidy (mimo radon a jeho produkty) 230 7,5

těžební průmysl 24 0,75

radionuklidy kosmogenního původu 12 0,4

jaderná energetika 8 0,2

výroba radionuklidů 0,8 0,02

radioaktivní spotřební produkty 0,4 0,01

Přírodní zdroje zapříčiňují ozáření obyvatelstva České republiky 3–3,5 mSv. Umělé zdroje záření přispívají k celkovému ozáření přibližně jednou šestinou.

Šíření radionuklidů v životním prostředí

Biologické účinky vybraných radionuklidů

beta zářičpoločas přeměny12,4 letbiologický poločas přeměny je 10–20 dníz plynné formy a vzniká HTO – v podobě vodní

páry nachází v atmosféřevzniká také působením kosmického zářenív těle se chová jako H2O – rozšiřuje se do

všech měkkých tkání způsobuje vnitřní kontaminaci

Tritium 3H (T)

Krypton 85Krbeta a gama zářičpoločas rozpadu 10,8 lethromadí se v atmosféře nízká rozpustnost a chemická

aktivita – proniká minimálně do potravních řetězců

zanedbatelné zdravotní důsledky

Stroncium 90Srbeta zářičpoločas rozpadu 28,1 let biologický poločas – 104 lettvorba rozpustných sloučenin chemické vlastnosti podobné

vápníku – nahrazuje vápník v kostech a chrupavkách

důsledkem ozáření kostní dřeně dochází k poruchám krvetvorby

Jód 129I

beta zářičpoločas rozpadu 1,6.107 letabsorbuje se ve štítné žláze,

v sliznici žaludku a v mléčných žlázách

Cesium 137Cs

beta a gama zářičpoločas rozpadu je 30 let biologický poločas rozpadu 50–

150 dní.metabolismus odpovídá draslíku

– hromadí se ve svalstvu a měkkých tkáních

vysoký obsah vykazují ryby

Uran 238Ualfa a gama zářičpoločas rozpadu je 4,5.108 let biologický poločas rozpadu pro

ledviny 15 dní a pro celé tělo 100 dní

Plutonium 239Pualfa zářičpoločas rozpadu je 2,4.104 letbiologický poločas 7,3.104 dní pro kosti. v atmosféře jako aerosol nebo PuO2

koncentruje se v plicích, játrech nebo kostech

vyšší toxicita než ostatní těžké kovydůsledky se projeví až po letech, kdy je

prvních asi 15 let obdobím latentním a po něm následuje přibližně 30 let zvýšeného rizika vzniku rakoviny

Biologické účinky záření

DNA buňky může být poškozeno zářením přímo, nebo nepřímo prostřednictvím reaktivních iontů OH-, které zanechalo záření díky ionizaci okolních molekul

zasažení genu vede až k úmrtí buňky (schopnost nahrazení)

pokud nastane mutace genu, může dojít k nekontrolovatelnému dělení

v každé buňce denně vzniká asi 107 poškození nukleotidů DNA způsobených volnými radikály

poškození DNA radioaktivním zářením – častější poruchy obou vláken DNA (problematičtěji opravitelné)

mutace vzniklé důsledkem metabolismu až desetmilionkrát častější než mutace vzniklé působením běžné radiace

v blízkosti DNA působí pouze 1 % vzniklých volných radikálů

lidské tělo složeno z 1014 buněk

Každodenní události v buňce

metabolismus

radioaktivní záření (mGy/rok)

volné radikály v blízkosti DNA

108

změny DNA 106 (1 %) 5.10-3

změny neopravené nebo chybně opravené

102 (100 ppm) 10-5 (2 ‰)

mutace (neodstraněné změny, které nebyly opravené nebo byly opravené chybně)

1 (1 %) 10-7 (1 %)

poměr počtu mutací vzniklých metabolismem k mutacím zapříčiněných radioaktivním zářením

107:1

Účinky záření

Deterministické – dochází ke smrti buněk

zřejmá souvislost s ozářenímcharakteristický průběh

Stochastické – nahodilénelze prokázat souvislost se

zářením

Deterministické účinky

deterministické účinky jsou charakteristické prahovou dávkou a pod ní pásmem nulové odezvy

intenzita projevů je popsána esovitými křivkami

Nemoc z ozáření

pozorována na lidech, kteří byli vystaveni velkým dávkám záření

čtyři stádia: ◦stádium počátečních příznaků – po několika

hodinách až dnech, nevolnosti, průjmy, zvracení, bolesti hlavy

◦období latence (při vysokých dávkách nenastává)◦plný rozvoj příznaků ◦pozvolné uzdravování, mohou zůstat trvalá

poškození krvetvorby, neplodnost, poškození gastrointestinálních funkcí, častá nádorová onemocnění, slabost a únava

Stochastické účinky

předpokládaná bezprahová lineární závislost pravděpodobnosti vzniku nádoru a genetických poruch na dávce ozáření

Karcinogenezenejdůležitější stochastický účinek zářenítři fáze: iniciace rakoviny, propagace nádoru a

maligní průběhklinicky nelze stanovit důvod vzniku nádoru – ani

jeho souvislost s ozářenímmůže vzniknout po letech až desetiletích od

ozářeníepidemiologické studie populací – u populací

vystavených vysokým dávkám ionizujícího záření byl zvýšen výskyt a úmrtnost důsledkem nádorů plic, žaludku, jater, tlustého střeva, prsu, vaječníku, močového měchýře a několika forem leukémie

např. epidemiologické údaje z Japonska z let 1950–1987: 75 případů z 230 úmrtí na leukémii lze přičíst následkům ozáření

Rakovina štítné žlázy typický pozdní následek ozáření u dětí u dospělých nebyla souvislost se zářením prokázána pravděpodobnost vzniku závisí na věku, ve kterém byl

jedinec záření vystaven – s přibývajícím věkem pravděpodobnost vzniku klesá

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 19970

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 - 4 roky

5 - 9 let

10 - 14 let

Rok diagnózy

Počet případů rakoviny štítné žlázy

Věk v době havárie

Další stochastické účinkyvelmi citlivé na ozáření – krvetvorné

orgány (poškození vede ke vzniku leukémie)

nejvyšší výskyt v období 5–15 let od ozáření

rakovina močového měchýře u mužů a rakovina prsu u žen

Dědičné vlivy při neletální změně DNA zárodečné

buňkynebyly u lidí prokázány, lze je

předpokládatdominantní mutacerecesivní mutace – hromadí se v

genofondu populacemírný, spekulativní vliv na

multifaktoriální onemocnění

Účinky na embryo

negativní účinky ve všech fázích vývoje

vznik rakoviny, mentální retardace a jiných vad, včetně smrtelných

Statistické údaje

odhad pravděpodobnosti vzniku leukémie celoživotním ozáření 1000 mSv – 1,1 %,

vzniku nádoru – 10,9 %, vzniku fatálního nádoru – 4–5 % na 1000 mSvpravděpodobnost vzniku dědičných

onemocnění je 1,2 % na 1000 mSv, v prvních dvou generacích pak 0,3 %

pokud je dávce 1000 mSv vystaveno embryo v období mezi 8.–15. týdnem vývoje dochází k posunu inteligenčního koeficientu o 30 IQ bodů směrem dolů

Nízké dávka záření účinky zjistitelné pouze

prostřednictvím epidemiologických studií velkých populací

experimentálně prokázáno – v buňce dochází k adaptacím na ionizující záření

nízké dávky ionizujícího záření mohou způsobit změny v buňkách a zvýšit tak schopnost vyrovnat se se stochastickými účinky záření

Adaptacedochází ke stimulaci reparačních

mechanismů v buňkáchprincipem adaptace je rychlejší syntéza

enzymů zodpovědných za opravu DNApokud jsou tyto enzymy v dostatečné

koncentraci v době obdržení vyšší dávky (tzv. provokační), jsou opravy rozsáhlejší a snižuje se riziko vzniku mutace

prokázána v lidských lymfocytechbuněčná odpověď – přechodná, existují

individuální rozdíly

Stochastické účinky

první žena, která mohla studovat na Sorboně

1903 Nobelova cenapokusy s radiem a poloniemzajímala se i o účinky na

člověka – např. 10 hodin měla na ruce připevněnou špetku radiové soli (během 3 týdnů vznikla hluboká hnisavá rána, hojila se 2 měsíce)

zemřela na leukémii

Marie Curie-Sklodowská (1867–1934)

Marie Curie-Sklodowská [16]

Deterministické účinky

Louis Slotin (1910–1946)

ruští židé, kanadský Winipeguniverzita v Manitobě – chemiedoktorát v LondýněChicago – vývoj cyklotronu1944 pracuje v Los Alamos na

vývoji atomové bomby – vrchní zbrojmistr spojených států

Louis Slotin [15]

Los AlamosHarry Daghlian – spolupracovník

◦ nehoda při experimentu – za 24 dní umírá na akutní nemoc z ozáření (jako první Severoameričan)

21.5. 1946 – vědecká konference◦ Alvin Graves požádal o předvedení

experimentu, Slotin souhlasil

Princip experimentuexperiment: plutoniové jádro, vážící 6,2 kg,

potažené niklem,uloženo v beryliových polokoulíchpřibližování vrchní polokoule beryllia ke spodní – se

zmenšující se štěrbinou mezi beryliovými polokoulemi se zvyšuje počet neutronů odražených zpět do plutoniového jádra

v okamžiku, kdy je počet neutronů v jádru větší než jejich ztráta, začíná řetězová reakce, které je však kontrolovaná a pomalá

pokud se štěrbina mezi polokoulemi sníží na 0,32 cm, jsou neutrony v kritickém přebytku a dojde k rychlé řetězové reakci, která je již nekontrolovatelná

Geigerův počítač zaznamenával radiaci-prudké zvýšení = přiblížení se kritickému bodu

Průběh experimentuSlotin odstranil bezpečnostní pojistkyhorní polokouli držel v levé ruce, v pravé

ruce šroubovák – reguloval jím velikost štěrbiny

Průběh experimentu [15]

šroubovák se smeknul a beryliové polokoule se spojily, objevil se modrý záblesk a místností proběhl žár

Slotin shodil vrchní polokouli na podlahu všichni vyběhli ven z laboratoře, Slotin

zavolal ambulanci a začal sestavovat plán rozmístění osob pro stanovení obdržené dávky

Laboratoř po nehodě [32]

Průběh nemoci Slotin zvracel již cestou do nemocnice Graves čekal stejný průběh, ale Slotin ho při nehodě

ochránil svým tělem za 3 hod. – oteklá a zarudlou levá ruka, palec znecitlivělý se

zčernalým nehtovým lůžkem za 24 hod. – levá ruka již extrémně oteklá, pravá začíná

otékat, dostává morfium, rudne spodní část břicha, přestává zvracet a cítí se dobře; v noci se mu na palci objevil velký puchýř; následující den další puchýře a otoky

od 2. dne – ledové obklady a morfium přestávají působit, dostává krevní transfúze; stále v latentní fázi nemoci, dokázal logicky uvažovat

na jazyku v blízkosti zlatého zubu vřed od 6. dne – stoupá teplota, zrychluje se puls, žaludek a

střeva selhávají, pokožka rudo–hnědý odstín 7.den klesl počet trombocytů - vnitřním krvácení; Slotin byl

chvílemi duševně pomatený a 8. den upadl do kómatu, musel připojen na kyslíkový přístroj

Louis Slotin zemřel devátý den po ozáření – 30.května 1946 v 11 hodin dopoledne jako jediná oběť nehody

 

Dávka zářeníchemici, fyzici a biologové – pokoušejí se stanovit dávku

záření, pomáhají jim kovové předměty lidé v místnosti obdrželi přibližně tyto dávky:Ekvivalentní dávka

(Sv)

21

3,6

2,5

1,6

1,1

0,65

0,47

0,37

Rozmístění osob při nehodě [15]

Porovnání jaderné a uhelné elektrárny

elektrárna o výkonu 1000MW v tunách/rokna černé uhlí jaderná

spotřeba paliva 2,0.106 3,5.101

spotřeba kyslíku 6,2.106 0emise CO2 6,6.106 0

emise NOx 2,8.104 4,0.101

emise SO2 5,7.104 0

ostatní plyny 2,0.103 zanedbatelnépevné odpady 4,2.105 0nízkoaktivní odpady

0 6,0.102

středně aktivní odpady

0 4,0.102

vysoce aktivní odpady

0 1,0.101