3.1 Источники ионизирующего излучения

Источник ионизирующего излучения (ИИИ, радионуклидный источник) – объект, содержащий радиоактивный материал или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение.

По происхождению источники излучения бывают естественными и антропогенными.

Естественные (природные) источники излучения – источники, содержащие природные радионуклиды, возникшие естественным путем и содержащиеся в Земной коре, скалах, почве, строительных материалах, воздухе, пище, воде и др. Их делят на космические и Земные. Они создают радиационный фон.

Радиационный фон – это уровень радиационной ситуации, вызванной рассеянной радиоактивностью земной коры и проникающим космическим излучением.

Естественный радиационный фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ионизирующего излучения.

Уровень радиационного фона позволяет оценить радиационную обстановку во время измерения ионизации за определенный интервал времени, т.е. мощность экспозиционной дозы, выражающуюся в микрорентгенах/час (мкР/ч).

Космическое излучение – электромагнитное или корпускулярное излучение высокой энергии (10 – ¹⁰ эВ и выше). Оно представлено элементарными частицами и ядрами атомов, родившимися, ускоренными до высоких энергий во Вселенной и приходящими к нам на Землю. Космические лучи делят на первичные и вторичные.

Первичное космическое излучение бывает Галактическим, Солнечным и межпланетным. Различают первичное и вторичное космические излучения.

Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени. Оно состоит на 90% из протонов, на 7% из альфа – частиц и на 3% – из других атомных ядер, вплоть до самых тяжелых, электронов, позитронов и фотонов большой энергии. Поток нейтронов и рентгеновского излучения космических тел имеет диапазон энергий фотонов от 100 эВ до 10⁵ эВ.

Вторичное космическое излучение является результатом взаимодействия на высотах порядка нескольких десятков километров (10⁴ м) от поверхности Земли первичного космического'излучения с ядрами элементов, входящими в состав атмосферы. Образуются π – и К – мезоны различных зарядов, протоны, нейтроны, у – кванты, радионуклиды ³Н (Т1/2 = 12,3 года), ⁷Ве (Т._1/2 = 53,3 суток), Na(T _1/2 = 2,6 года), ¹⁴С (Т_1/2 = 5730 лет). У поверхности Земли поток космических лучей равен ~ 1 частице/см² в одну секунду.

Земная радиация создается содержащимися в почве бета– радиоактивных изотопов объединены в три радиоактивных ряда, которые начинаются с тория (²³²Th) и урана ( ²³⁸U и ²³⁵U). К ним можно отнести также и четвертый ряд – ряд нептуния, начинающийся с ²³⁷Np (многие радионуклиды из этого семейства уже распались). Отдельно от этих семейств находится калий – 40 (⁴⁰К) и рубидий – 87 (⁸⁷Rb). ⁴⁰K, уранового и ториевого радиоактивных рядов и др. создают, в основном, (β – и у – облучение человека.

Ионизирующие излучения земного и космического происхождения создают естественный радиационный фон. Значения фона на улице в г. Минске – 8 – 12 мкР/час, в помещении – 15 – 20 мкР/час. Чернобыльская авария добавила к этому значению еще 0,2 мЗв. Нормальный радиационный фон, обеспечивающий облучение 1мЗв в год, равен: 1 м3в/365 (дней) = 0,0027 мЗв/в сутки, 0,0027 мЗв/24 = 0,0001125 мЗв/в час = 0,1125 мкЗв/в час = 12,9 мкР/час.

Антропогенные источники излучения – ИИИ, специально созданные для полезного применения или являющиеся побочными продуктами этой деятельности. Они созданы в связи с увеличивающимся использованием ядерных технологий в медицине, промышленности и энергетике.

Медицинские источники ионизирующего излучения являются одним из наиболее значимых факторов облучения человека. К ним относят рентгеновскую аппаратуру, лучевую терапию и радиоизотопную диагностику.

Промышленные радиоактивные источники используют для облучательных установок, промышленной дефектоскопии, стерилизации, дезинфицирования продуктов, обеззараживания отходов и др. Многое производственное оборудование имеет радиоактивные изотопы или генераторы рентгеновского излучения. Это датчики толщины, уровня, вискозиметры, приборы гамма – графии. Важную роль играют также рентгеновские установки для проверки пассажиров и их багажа в аэропортах, установки для контроля качества и структуры сплавов, установки для исследования смазочных материалов; установки для холодной стерилизации перевязочного материала и медицинского инструмента, установки для облучения автомобильных шин с целью увеличения срока их пробега, установки для снятия статического электричества и др.

И ядерное оружие, и атомная энергетика представляют опасность как источники облучения человека и загрязнения окружающей среды радионуклидами. Атомная электрическая станция (АЭС) – комплекс сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой реакции деления ядер атомов урана – 235 в ядерном реакторе.

На АЭС разогретый в ядерном реакторе теплоноситель перекачивают насосами в теплообменник. Проходя через теплообменник, либо парогенератор, разогретый теплоноситель отдает тепло теплоносителю внешнего контура. Перенос тепла и движение его носителей происходит по схеме: реактор →теплообменник → парогенератор → паротурбинная установка → генератор→конденсатор → насос. Образовавшийся пар приводит в действие паровую турбину и турбогенератор (рисунок 3.1).

Основные используемые типы ядерных реакторов.

1) Графито – водяные реакторы – реакторы с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем. Пароводная смесь кипящего теплоносителя проходит через сепаратор. Вода возвращается на вход реактора. Пар попадает непосредственно на турбину. Представителем такого типа ректоров является реактор большой мощности канальный (РБМК) мощностью 1000 МВт.

2) Водо – водяные энергетические реакторы (ВВЭР) – с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя. В качестве топлива используют обогащенный до 4,5% ²³⁵U. Реактор имеет два контура. Энергетическая мощность большинства реакторов типа ВВЭР 1000 МВт., рисунок 3.1.

3) Тяжеловодные реакторы – с водяным теплоносителем и тяжёлой водой (иногда – легкой воды) в качестве замедлителя. Контуры циркуляции теплоносителя и замедлителя разделены. Реакторы работают на необогащенном топливе.

4) Графитогазовые реакторы – реакторы с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Рисунок 3.1 – Схема АЭС с водо – водяным энергетическим реактором

Радиационная безопасность населения при их эксплуатации АЭС обеспечивается глубоко эшелонированной защитой:

1) созданием ряда последовательных барьеров на пути выхода в окружающую среду накопленных при эксплуатации радиоактивных продуктов;

2) высоким уровнем надежности за счет реализации специальных требований к обеспечению и контролю качества при конструировании, изготовлении и монтаже, поддержании достигнутого уровня при эксплуатации за счёт проведения контроля и диагностики (непрерывных или периодических) состояния физических барьеров и устранения обнаруженных дефектов, повреждений и отказов;

3) создания защитных и локализующих систем, предназначенных для предотвращения повреждений физических барьеров, ограничения или снижения размеров радиационных последствий, при возможных нарушениях пределов и условий нормальной эксплуатации и аварийных ситуаций.

Атомная энергетика связана с повышенной опасностью ее объектов для людей, которая проявляется в крайне неблагоприятных последствиях аварий с разрушением атомных реакторов. Всего в мире на сегодняшний день работает 440 атомных реакторов. Разрушений и аварий таких ректоров в истории развития ядерной энергетики было много. Некоторые даже с человеческими жертвами. Только в СССР за 50 лет (начиная с 1954 г.) в результате 176 радиационных аварий и инцидентов от поражения радиацией пострадало 568 человек, в том числе погиб 71 человек. Чернобыльская авария затронула жизнь более 7 млн. человек и коснется многих, в том числе и не родившихся детей. Средства же на ликвидацию последствий катастрофы могут превысить экономическую прибыль от работы всех АЭС.

Опасность представляют и обычно работающие АЭС, обусловливающие радиоактивное облучение персонала и радиоактивные выбросы в окружающую среду. Их количество и характер зависит от конструкции реактора и качества его сборки и эксплуатации. У РБМК они наибольшие, у реактора с шаровой засыпкой наименьшие. Большую опасность представляют также радиоактивные ядерные отходы. Их переработка и утилизация одна из основных проблем, касающаяся не только представителей атомной промышленности но и экологов. А захороненные радиоактивные вещества проникают вглубь Земли и имеют возможность просачиваться в грунтовые и проточные воды. Опасность атомной энергетики отождествляют с опасностью ядерного оружия, с его чудовищной разрушительной силой, продемонстрированной в Хиросиме и Нагасаки.

По данным ООН, с 1945 г. до 1980 г. произведено 423 взрыва ядерных устройств суммарной мощностью 545,4 Мт. Радиационными последствиями подрыва ядерного устройства являются проникающая радиация и радиоактивное загрязнение окружающей среды. За счёт ядерных испытаний в атмосфере во внешнюю среду поступило 1,81•10²¹ Бк продуктов ядерного деления, представляющих смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов таблицы Менделеева. За все время проведения ядерных взрывов (до 1990 г.) на земную поверхность выпало 5,99•10¹⁷ Бк ⁹⁰Sr, 9,6•10¹⁷ Бк ¹³⁷Cs. На 1982 г. в стратосфере еще циркулировало около 1,8•10¹⁵ Бк ⁹⁰Sr и 3,2•10¹⁵ Бк ¹³⁷Cs. Кроме того, при ядерных взрывах образовалось значительное количество трансурановых элементов. Большая часть выпадений (~75%) приходится на северное полушарие.

З.2 Методы и приборы для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений