Zdravotní následky havárie atomové elektrárny v Černobylu (26.4.1986)

Jaderný rozpad

řetězová reakce

• každé rozpadlé jádro musí poskytnout pouze jeden neutron, který může být absorbován dalším jádrem a vést k jeho rozpadu

• pomalé neutrony jsou snáze absorbovatelné jádrem 235U, jaderný rozpad 236U však produkuje rychlé elektrony

• moderátor (voda, grafit) – zpomaluje rychlé neutrony (rozptyl a ztráta energie)

• kontrolní tyče (bor, kadmium) – absorbují přebytečné neutrony (zabraňují vzniku nekontrolované řetězové reakce a umožňují řízení výkonu reaktoru)

• chladivo (voda) – odebírá teplo uvolněné jaderným rozpadem (výroba páry pro pohon turbíny)

• palivové tyče – obsahují tablety s 238U obohaceným o 0,7 – 3 % 235U

Řízená jaderná reakce

Řízená jaderná reakce

PWR (Pressurized water reactor)

BWR (Boiling water reactor)

Charakteristiky jaderných reaktorů

Parametry

• elektrický výkon 1 000 MW

• tepelný výkon 3 200 MW

• palivo obohacený UO2 (2 %) v Zr obalu

• chladivo voda

• moderátor grafit

• kontrolní tyče s obsahem B (211 ks), motorový posuv – 5 sec pro snížení výkonu, 15 – 20 sec pro úplné zasunutí

• primární ochranný plášť – beton (tloušťka 3 m)

• bez sekundárního ochranného pláště (containment)

• kladný „void coefficient“ – prudké zasunutí kontrolních tyčí může při nízkém tepelném výkonu reaktoru (pod 700 MW) tento výkon prudce zvýšit na několikanásobek nominální hodnoty (grafit na spodku tyčí má nižší schopnost zpomalovat reakci něž voda kterou vytlačuje)

Reaktor RBMR – 1000 (Černobyl)

Reaktor RBMR – 1000

• modelová situace – odstavování reaktoru, turbína dobíhá, čerpadla chladícího média poháněna vnějším zdrojem – náhlý výpadek proudu

• cíl - zjistit jestli mechanická setrvačnost turbíny a generátoru vyrobí dostatek energie, aby při výpadku vnějšího napětí zůstaly v chodu čerpadla, která pohání chladící vodu v reaktoru, do té doby, než dojde k zapnutí záložních zdrojů energie (diesel motory)

Experiment v Černobylu (25.4.1986)

Chronologie

• 01:06 začíná plánované snižování výkonu reaktoru

• 13:47 dosaženo 50 % tepelného výkonu reaktoru (1 600 MW)

• 14:00 odpojení ECCS (pohotovostní chladící systém) – aby nerušil pozdější průběh testu (bez vlivu na vznik nehody, zhoršení pozdějších následků)

• 14:00 proto nutné další snížení výkonu, pokles napětí v síti – požadavek operátora sítě z Kieva na dodržení úrovně dodávek – výkon stabilizován na 1 600 MW a test odložen

• 23:10 operátorem sítě povoleno další snižování výkonu

• 24:00 změna směny

Experiment v Černobylu (26.4.1986)

Chronologie

• 00:05 pokles výkonu na 720 MW a pokračuje snižování (kvůli pozitivnímu „void“ koeficientu je hranice bezpečného výkonu reaktoru 700 MW)

• 00:28 úroveň výkonu 500 MW – zapnut automatický řídící systém reaktoru a nebyla nastavena minimální úroveň výkonu reaktoru – náhlý pokles výkonu na 30 MW – vliv 135Xe (silný moderátor – vzniká v palivových tyčích při nízkém tepelném výkonu)

• 00:32 vypnuto automatické řízení, manuální vysunutí řídících tyčí (zbylo 6- 8 tyčí, minimum pro bezpečný chod 30, za daných podmínek nemožné okamžité odstavení reaktoru)

• 01:00 výkon reaktoru stoupl na 200 MW

• 01:03 zapojeny 4 přídavné chladící pumpy v levá smyčce systému

• 01:07 zapojeny 4 přídavné chladící pumpy v pravé smyčce systému (součást testovací procedury – zvýšený průtok chladiva vedl k poklesu tlaku páry, odpojen automatický systém kontroly tlaku páry, pokles výkonu kompenzován manuálním vytažením zbytku řídících tyčí)

Experiment v Černobylu (26.4.1986)

Chronologie• 01:21:40 snížen přítok chladící vody, aby byl stabilizován tlak páry, zhoršené chlazení jádra reaktoru

• 01:22:10 prudký vývoj páry v jádru reaktoru, bez rekce výstražného systému

• 01:23:04 uzavřen odvod páry na turbínu (při běžném provozu stoupne tlak páry v reaktoru, dojde k jejímu zkapalnění, zvýšená moderace pak vede k poklesu výkonu reaktoru)

• 01:23:10 automatický systém vysune řídící tyče

• 01:23:21 prudký vývoj páry vede k prudkému zvýšení výkonu („void“ coeficient)

• 01:23:40 bezpečnostní systém zasouvá řídící tyče – nárůst výkonu

• 01:23:44 nominální výkon překročen 100-krát

• 01:23:45 palivové články se bortí, reakce paliva s vodou vede k tlakovému pulsu

• 01:24 dvě exploze – první byl výbuch páry, druhý výbuch vodíku?, roztržená obálka reaktoru umožnila průnik vzduchu – zahoření grafitového moderátoru

Konstrukční nedostatky RBMK

• není sekundární ochranná obálka reaktoru – radioaktivní materiál po havárii unikal přímo do atmosféry

• chybí pasivní ochrana vodou, která by zachytila radioaktivní I a Cs

• hořlavý grafit použitý jako moderátor

Core

Passive E m ergency Core Cooling System .

Drop of primary pressure Po in the reactor below P1 actuates opening of the check valve and flow o f water from the ECCS hydroaccumulator to the reactor core.

P1

P1

Po

Po

Bezprostřední následky havárie

• Bezprostřední úmrtí (nehody při likvidaci) 2 (okamžitě)

• Bezprostřední úmrtí (nemoc z ozáření) 28 (během 4 měsíců)

• Pozdní úmrtí – dospělí (důsledky radiace) 20 (údaj ze září 2006)

• Pozdní úmrtí – děti (důsledky radiace) 15 (údaj ze září 2006)

• Klinicky prokázané psychologické následky 5 000

veškerá úmrtí spojená s rakovinou štítné žlázy (celkem evidovaných případů 4 000)

PBq = peta bequerel = 1015 Bq

http://www.spiegel.de/img/0,1020,605280,00.jpg

- záření částice ( 2 protony + 2 neutrony – 4

2He )

• nízká prostupnost (kůže – desítky μm)

• vysoce ionizující

• nebezpečné zejména při interní expozici

Radiace

zářič Z

241 Am 95

236 Pu 94

238 U 92

232 Th 90

226 Ra 88

222 Rn 86

210 Po 84

- záření částice (+, - - vysoko-energetické pozitrony či elektrony )

• střední prostupnost (Al fólie, několik mm kůže, několik m vzduchu)

• středně ionizující

• nebezpečné zejména při interní expozici

zářič Z3 H 1

14 C 640 K 19

90 Sr 38129/131 I 53210 Pb 82241 Pu 94

Radiace

- záření• vysokoenergetické elektromagnetické záření (fotony)

• slabě ionizující, vysoká prostupnost materiály

• nebezpečné zejména při vnějším ozáření

Radiace

Celková aktivita A

A = -dN/dt = N (N-počet částic, t – čas, - rozpadová konstanta)

Bequerel [Bq] – počet rozpadů za sekundu

Poločas rozpadu T1/2

T1/2 = ln2/ = ln2 ( - střední doba života dané částice)

doba, za kterou se množství radioaktivní látky zmenší na polovinu

Absorbovaná dávka DT,R

Gray [Gy] = J.Kg-1 (množství energie absorbované na jednotku hmotnosti)

Dávková intenzita

Gy.s-1 (absorbovaná dávka za jednotku času)

Jednotky

Dávkový ekvivalent HT,R

HT,R = wR DT,R

Sievert [Sv] = J.Kg-1 (množství energie absorbované na jedn. hmotnosti)

wR - pohybuje se v hodnotách 1 – 20

- nejvyšší hodnoty pro - záření

Kolektivní dávkový ekvivalent [manSv] – dávkový ekvivalent vynásobený počtem osob, které dávku obdržely použití při hodnocení zdravotního rizika v zasažené populaci

Jednotky

Účinky záření na lidský organismus

Akutní nemoc z ozáření (ozáření celého těla)• jednorázová celotělní dávka převyšující 1 Gy

• poškození kostní dřeně, sliznic trávícího traktu a dalších orgánů

• nekróza buněk

Akutní lokální změny (lokální ozáření)• popálení kůže – 3 Gy

• trvalá epilace – 6 Gy

• ztráta plodnosti (muži) - 3 až 8 Gy

• ztráta plodnosti (ženy) – 3 Gy

Teratogenní účinky

• největší nebezpečí mezi 8 až 15 týdnem těhotenství

Nenádorová onemocnění• zánět kůže

• zákal oční čočky – po jednorázové dávce 3 Gy (dlouhá doba latence)

Účinky záření na lidský organismus

Zhoubné nádory

• dlouhá doba latence (leukémie 5 – 20 let, štítná žláza min. 4 roky, plíce 10 – 40 let)

Mutagenní efekt

LIMITY

80 000 lidí z Hirošimy a Nagasaki – kolektivní dávka 20 000 manSv – 200 případů zářením indukované rakoviny (100 manSv – 1 případ rakoviny)

pokud 1 000 000 osob ozářeno H = 10 mSv 10 000 manSv 100 případů rakoviny

pro obyvatelstvo přípustné 5 mSv/rok (odpovídá zvýšení rizika vzniku rakoviny o 50 případů za rok na 1 000 000 obyvatel (nárůst 2,5 – 5%)

pracovníci s ionizujícím zářením 50 mSv/rok a 100 mSv/5 let

Vnější ozáření z radioaktivního materiálu deponovaného na zemském povrchu

Vnitřní ozáření z inhalovaného prachu obsahujícího radionuklidy

Vnější ozáření z radioaktivního spadu

Vnitřní ozáření z potravy a vody obsahující radionuklidy

Radioaktivní materiál – expoziční cesty

Efektivní dávky z různých zdrojů v roce 2000

Typické efektivní dávky z přírodních zdrojů

Hodnocení zdravotního dopadu havárie (expertní skupina WHO)

Požadavky na studie poskytující relevantní informace o radiačním riziku

• dostatečně početná populace

• Sledování: ne-diferenciální, kompletní, přesná diagnóza

• Odhady dávek: individuální, přesné, správné

… zejména důležité pokud se jedná o dávky řádově srovnatelné s úrovní přirozeného pozadí a v důsledku toho o malé přírůstky s expozicí souvisejících onemocnění

Situace v případě hodnocení zdravotních následků Černobylu

• velice početná populace vystavená zvýšeným dávkám radiace

• potíže s kompletností a kvalitou zdravotní dokumentace

• pokles střední délky života v zasažených zemích (jak kontaminované tak nekontaminované oblasti)

• odhady individuálních dávek jsou nedostupné pro většinu jedinců ze zasažené populace

Kvalita dat (zprávy/studie)

v mnoha případech obsahují studie nedostatečný počet subjektů k k tomu, aby bylo možné vyvodit jednoznačný závěr

metodika sběru dat a jejich statistického zpracování je v některých případech nedostatečná k tomu, aby bylo možné vyvodit jednoznačný závěr

většina studií nebere v úvahu další potencionálně velmi rizikové faktory pro vznik sledovaných nemocí jako jsou konzumace alkoholu a kouření

… většina publikací je pouze omezeně použitelná pro hodnocení skutečných zdravotních následků havárie

Populace Počet Ozáření Dávka

Likvidátoři

Na místě v době havárie 400 vnější / + celotělně ak. nemoc z ozář. 237 lidí

41 lidí (50 %)

50 lidí (39 %)

22 lidí (10 %)

21 lidí (9%)

1- 2 Sv

2- 4 Sv

4- 6 Sv

6-16 Sv

131I – štítná žláza 173 lidí

7 lidí

0-1,2 Gy

11-20 Gy

Hasiči, vojáci, dobrovolníci

400 000 (600 000)

vnější / + celotělně 45 %

47 %

8 %

0,02%

méně než 100 mSv

100-250 mSv

250-500 mSv

více než 500 mSv

Evakuovaní z 30 km zóny 135 000 vnější / + celotělně 50 – 500 mSv (průměr 120 mSv)

131I – štítná žláza - děti 0,1 – 2,5 Gy (pr. 0,3 Gy)

Obyvatelé SKZ

(137Cs > 555 kBq/m2)

270 000 vnější / + celotělně 4%

0,3%

více než 100 mSv

více než 200 mSv

průměr 60 mSv

131I – štítná žláza - děti 0,1 – 10 Gy

Evropská část Ruska 75 mil. střední celotělní dávka průměr 6-7 mSv

Odhad akutních dávek záření po havárii v Černobylu

Rok Kritérium Úroveň

1986 roční limit celotělní expozice 250 mSv/rok

1987 roční limit celotělní expozice 100 mSv/rok

1988 roční limit celotělní expozice 50 mSv/rok

1990 celoživotní limit 350 mSv

1990 povrchová kontaminace 137Cs

(veškerá populace v oblasti)

40 Ci/km2

1990 povrchová kontaminace 137Cs

(rodiny s těhotnými ženami a dětmi do 12 let)

15 Ci/km2

Evakuační limity pro občany ze SKZ (striktně kontrolované zóny)

1 Ci = 3,6 .1010 Bq

Distribuce dávek z I131 (štítná žláza)

Odhady kolektivních dávek v zasažených oblastech

Zdravotní následky - likvidátoři

• 237 lidí hospitalizováno pro akutní nemoc z ozáření

• 28 lidí zemřelo bezprostředně

• 13 pacientů (dávka 4 Gy) – transplantace kostní dřeně (11 vzápětí umírá)

• mezi lety 1987 až 1998 umírá dalších 11 pacientů (dávka 1,3 – 5,2 Gy) 3-krát infarkt 2-krát myelodisplastický syndrom, cirhóza jater 1-krát plicní gangréna, tuberkulóza, tuková embolie a leukemie

• dalších 9 pacientů umírá do roku 2005

• 1996 –funkční sexuální poruchy, ale i 14 zdravých dětí

Rakovina štítné žlázy

předpokládaná doba latence 6 – 20 let (poznatky z Hirošimy a Nagasaki)

nejrizikovější skupinou děti (štítná žláza ve vývoji – velká potřeba I2 + velká konzumace mléka kontaminovaného 131I)

po Černobylu první případy detekovány již po 4 letech !!!

Hlavní nárůst rizika:

• 5 000 případů mezi těmi, jimž bylo v době nehody méně než 18 let (1992-2005)

• 15 úmrtí mezi exponovanými v dětství (rok 2005)

Nárůst incidence rakoviny štítné žlázy - Bělorusko

Incidence per 100 000 in Belarus

2.3

2.9

3.4 3.5

43.8

3.1

0.3 0.3 0.2

3

4.2

1.4

2.1

3.4

4.9

5.7 5.7

1.22.6

2.5

1.7

0.7

0

3.2

1.4

6.6

9.5

2.9

3.8

9.7

0.81,0

5.6

11.3

2.6

0.1

1.9

6.9

0.4 0.8

0

2

4

6

8

10

12

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Cas

es p

er 1

00 0

00

Children (0 -14)

Adolescents (15 - 18)

Adults (19 - 34)

Adolescents

Children

Young adults

Courtesy Yu. E. Demidchik 2006

Riziko rakoviny štítné žlázy

Nejistoty• Exponovaní v dětství

… zdá se, že riziko onemocnění bude dále stoupat, ale pro odhad trendu není dostatek dat

• Monitoring kontaminovaných oblastí

… pokles radiace závisí na specifických podmínkách prostředí a způsobu jeho využívání (průmysl, zemědělství, rekreace,....)

• Saturace stabilním (neradioaktivním) jodem nedostatek jodu zvyšuje riziko na jednotku Gy suplementace jodem snižuje riziko vzniku rakoviny štítné žlázy

… potřeba dalšího výzkumu

• Expozice v dospělosti

.....v dospělé populaci v kontaminovaných oblastech je vyšší výskyt rakoviny štítné žlázy – jedná se o vliv rozvoje v oblasti

diagnostiky?

Psychologické důsledky

Příčiny

• smrtelně nebezpečný neviditelný kontaminant (těžko zjistitelné dávky)

• ohrožení dětí

• nedůvěra k autoritám – místní politici, vláda

• ztráta domova, evakuace do neznámého prostředí

Důsledky

• deprese – sebevraždy

• podrážděnost (post-traumatický stres) – násilí, vraždy

• medicínsky nevysvětlitelné fyzické obtíže (únava, slabost, bolest hlavy a svalů) – nadužívání lékařské péče

• zvýšená konzumace tabáku a alkoholu – cirhóza jater, rakovina plic

• změna dietetických návyků (obrana proti kontaminaci) – trávící obtíže

Další zdravotní důsledky

MSI (mini-satelite instability)

• genetická abnormalita s neznámými zdravotními důsledky

• děti otců vystavených velké dávce záření (nedetekován v Hirošimě a Nagasaki, detekován u dětí vojáků ze Semipalatinska)

• přenáší se na další generace

Defekty novorozenců

• pozorované abnormality nelze jednoznačně připsat následkům ozáření (Thalidomid ?)

Leukémie

• doba latence 2-5 let závislost na dávce strmější u dětí (Hirošima a Nagasaki)

• u likvidátorů zvýšený výskyt chronické lymfatické leukémie - není závislost na dávce a věku, onemocnění typicky nebývá důsledkem ozáření (stařecká nemoc)

• populace z kontaminovaných oblastí – publikace s velkým množstvím metodických pochybení (není závislost na dávce)

Predikce pozadí a nárůstu úmrtí na leukémii

Populace Perioda Leukémie - pozadí

Predikovaný nárůst

Počet % Počet % AF Likvidátoři, 1986 - 7 celoživotně 800 0.4 % 200 0.1 % 20 %

Evakuovaní z 30 km celoživotně 500 0.3 % 10 0.01 % 2 %

Obyvatelé SKS celoživotně 1 000 0.3 % 100 0.04 % 9 %

Ostatní kontaminované oblasti

celoživotně 24 000 0.3 % 370 0.01 % 1.5 %

From Cardis et al., 1996

Okolo 700 úmrtí navíc v populaci 5.6 millionů lidí (celoživotně)- okolo 300 mezi 600 000 nejvíce exponovanými-

Predikce pozadí a nárůstu úmrtí na rakovinu vnitřních orgánů

Populace Perioda Rakovina - pozadí

Predikovaný nárůst

Počet % Počet % AF

Likvidátoři, 1986-7 celoživotně (95 let) 41 500 21% 2 000 1 % 5 %

Evakuovaní z 30 km 21 500 16 % 150 0.1 % 0.1 %

Obyvatelé SKS

43 500 16 % 1 500 0.5 % 3 %

Ostatní kontaminované oblasti

800 000 16 % 4 600 0.05 % 0.6 %

From Cardis et al., 1996

Okolo 8 250 úmrtí na rakovinu navíc v populaci 5.6 milionů lidí (celoživotně) - okolo 3650 mezi 600 000 nejvíce exponovanými -

celoživotně (95 let)

celoživotně (95 let)

celoživotně (95 let)

Změna poměru pohlaví novorozenců v ČR v listopadu 1986

Peterka M, Peterková R., Likovský Z., Environmental Health Perspectives 115, 1801-1806 (2007)

Změna poměru pohlaví novorozenců v ČR v listopadu 1986

Peterka M, Peterková R., Likovský Z., Environmental Health Perspectives 115, 1801-1806 (2007)

Změna poměru pohlaví novorozenců v ČR v listopadu 1986

Peterka M, Peterková R., Likovský Z., Environmental Health Perspectives 115, 1801-1806 (2007)

Zdroje

• Peterka M, Peterková R., Likovský Z., Environmental Health Perspectives 115, 1801-1806 (2007)

• Baverstok K., Williams D., Environmental Health Perspectives 114, 1312-1317 (2006)

• Balonov M.I., Journal of Environmental Radiology 96, 6-12, (2007)

• Chernobyl – Assessmet of Environmental and Health Impact, Nuclear Agency OECD (2002)

• Diaz E.S., Nuclear Accidents, Seminar „Basic Introduction to Nuclear Safety, Milano 8-10.5. 2007