Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия

Расчет ДК основанный на дозе облучения желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).

Для малорастворимых соединений критическим органом при пероральном поступлении (с водой, пищей) часто оказывается ЖКТ, при ингаляционном поступлении (с воздухом) – лёгкие.

Формулы расчета ДК для нерастворимых соединений, когда критическими органами могут оказаться стенки ЖКТ, выводятся в предположении, что радиоактивное вещество находится в контакте с внутренними стенками ЖКТ в течение времени , характерного для каждого участка. При расчетах ДК используются постоянные, представленные в таблице 22.

Таблица 22. Данные для расчета ДК, когда критическими органами оказываются отдельные участки ЖКТ.

Участок ЖКТ

Часть нуклидов, попадающих из лёгких в ЖКТ,

Растворимые

Нерастворимые

Желудок

250

10

1/24

0

0,50

0,625

Тонкие кишки

1100

30

4/24

1/24

0,50

0,625

Восходящая кишка

135

5

8/24

5/24

0,50

0,625

Нисходящая кишка

160

5

18/24

13/24

0,50

0,625

В таблице 22 t – время пребывания радионуклидов в данном участке ЖКТ;   - время от момента поступления радионуклидов в организм () до момента поступления в данный участок ЖКТ. Расчет ДК производится по формуле (13) с внесением в неё следующих поправок: в числитель вводится множитель 2, поскольку стенки ЖКТ облучаются в геометрии  (а не); вместо эффективного периода  вводится  - период радиоактивного полураспада; ; вместо времени профессионального облучения  следует брать время пребывания пищи (и нуклидов) в данном участке ЖКТ; коэффициент ;  для растворимых соединений и -- для нерастворимых; т.к. -частицы не проникают в заметной степени в слизистую оболочку, берётся только 0,01 их эффективной энергии. Предельно допустимые дозы в неделю , , берутся из условия принадлежности всех участков ЖКТ ко II группе критических органов. Если радионуклиды короткоживущие ( меньше времени пребывания в отдельных участках ЖКТ или сравним с ним), то в знаменатель формулы следует ввести множитель . Таким образом, формулу расчета ДК, , для радионуклидов, когда критическим органом являются отдельные участки ЖКТ, в общем виде можно записать так: Компоновочные схемы ТЭС ТЭС по типу (структуре) тепловой схемы подразделяются на блочные и неблочные. При блочной схеме все основное и вспомогательное оборудованной установки не имеет технологических связей с оборудованием другой установки электростанции. На электростанциях на органическом топливе к каждой турбине пар подводится только от одного или двух соединенных с ней котлов. Паротурбинную установку, турбина которой питается паром от одного парового котла, называют моноблоком, при наличии двух котлов на одну турбину – дубль-блоком.

.  (14)

Коэффициент , если рассматривать ДК радионуклидов в воде для населения,  и , если рассчитывать ДК в воздухе для населения и персонала соответственно.

Для долгоживущих радионуклидов с  формула (14) упрощается, поскольку , , т.е.

.  (15)

При разовом поступлении  мкКи в организм (например, путём заглатывания) эквивалентная доза (бэр) на стенки нисходящей кишки

.  (16)

Если радионуклиды поступают в ЖКТ из лёгких, то формула для расчета эквивалентной дозы (бэр) от разового поступления  на любые участки ЖКТ имеет вид

.  (17)

Расчет ДК в воздухе для нерастворимых соединений с критическим органом – легкие.

Значения ДК радиоактивных аэрозолей в нерастворимой форме наименьшие, если критический орган – легкие. В этом случае ДК рассчитывают по формуле (13). При этом учитываем, что

и для всех радионуклидов следует брать Тб=120 суток, кроме изотопов плутония и тория, для которых Тб равен 1 и 4 годам соответственно; поскольку t=50 лет, множитель (1-е-lt)=1; масса легких m=1000г; fа=0,125 (для растворимых соединений fа=0,25, но они практически не задерживаются в легких). Учтем, что для профессионального облучения Дэкв=0,3 бэр/неделя, а для населения Дэкв=3∙10-2 бэр/неделя.

Таким образом, для нерастворимых соединений формулы расчета ДК в воздухе (Ки/л):

  -- для профессионалов; (18)

  -- для населения. (19)

Формулы (18) и (19) относятся к непрерывному поступлению радионуклидов в организм, когда частью нуклидов, остающихся в легких непродолжительное время, пренебрегают. Более точные расчеты должны учитывать также, что 62,5% нерастворимых соединений аэрозолей остается в легких со средней биологической продолжительностью жизни t=1 сутки.

Таким образом, полная доза на легкие складывается из Д1(t), т.е. дозы, создаваемой частью нуклидов с fа=0,625 и t=1сутки, и дозы Д2(t), создаваемой в легких частью нуклидов с fа=0,125 и  (для плутония и тория вместо 120 суток надо принять Тб=365 суток и 1460 суток соответственно; Тр выражено в сутках).

Например, если нерастворимые соединения радионуклидов поступают в организм с воздухом за t1 дней (и, следовательно, разовое поступление ), то полная доза на легкие будет равна

  (20)

Учтя, что для радионуклидов с Тр>120 суток , а для большинства радионуклидов , получим

В нормах радиационной безопасности (НРБ) приведены ДК радионуклидов в воздухе рабочих помещений (для персонала), в питьевой воде и атмосферном воздухе. Для ограниченной части населения они также рассчитаны, исходя из дозовых пределов за 1 неделю. Там же приведены и другие производные характеристики: допустимое содержание (ДС) радионуклидов в организме или критическом органе и предельно допустимое годовое поступление (ПДГП) радионуклидов в организм, а также максимальная активность радионуклидов на рабочем месте.

Приведённые в НРБ ДК радионуклидов рассчитаны только по поступлению их в организм с питьевой водой (из расчета 2,2 л/сутки) и вдыхаемым воздухом (6,9 и 20 м3/сутки персоналом и населением соответственно). Применять их на практике следует очень осторожно. Многие радионуклиды, особенно растворимые соединения (3H, 14C, 65Zn, 89Sr, 90Sr, 131J, 134Cs, 137Cs и др.), после выпадения на почву и в водоёмы активно участвуют в обменных процессах и в результате проникают в организм с продуктами питания (через биологические цепочки).

γ-излучающие радионуклиды, аккумулируясь на почве, также могут создавать повышенное поле внешнего γ-излучения. ДК радионуклидов рассчитаны по радиобиологическим константам взрослого условного человека. В действительности же, например, дети, находясь в тех же условиях загрязнения внешней среды, что и взрослые, во многих случаях получают большие дозы, а их радиочувствительность выше. С целью учёта этого обстоятельства вводят поправочные коэффициенты (Табл. 23)

Табл 23. Поправочный коэффициент расчета дозы для различных возрастных групп.

Радионуклид

Возрастные группы, годы

0-1

1-8

8-12

12-17

Взрослые

14C, 90Sr, 235U, 238U, 238Pu, 239Pu

3,4

2,4

1,4

1,2

1

остальные

11,6

4,7

2,4

1,4

1

Имеются и другие пути воздействия и аспекты, которые необходимо учитывать при решении проблемы радиационной безопасности. Особого внимания и строгости в нормировании требуют радионуклиды, глобально загрязняющие биосферу: 3H, 14C, 85Kr, 129J и др.

Для расчета дозы внутреннего облучения от радионуклидов, поступивших в организм пероральным или ингаляционным путём, как при хроническом поступлении, так и при кратковременном или аварийном могут быть необходимы также сведения о массе органов условного человека (Табл 24.), скорости дыхания в зависимости от возраста и о потреблении продуктов питания и воды (Табл 25.)

Табл 24. Масса некоторых органов условного человека.

Орган или ткань

Масса, г

Орган или ткань

Масса, г

Всё тело

70000

Плазма крови

3100

Мышцы

28000

ЖКТ

1200

Кожа

2600

Печень

1800

Эпидермис

100

Лёгкие

1000

Дерма

2500

Почки

310

Подкожная жировая клетчатка

7500

Щитовидная железа

20

Скелет

10000

Яичники

11

Красный костный мозг

1500

Яички

35

Табл 25. Данные о потреблении продуктов пиания, скорости дыхания и продолжительности контакта человека с различными объектами внешней среды

Параметр

Возрастные группы, годы

0-1

1-8

8-12

12-17

Взрослые

Молоко и молочные продукты, л/год

231

124

302

353

190

Мясо кг/год

2

27

52

63

60

Рыба, кг/год

-

1,6

3

3,8

5

Растительные продукты, кг/год: пшеница

9

54

103

123

112

Картофель

12

84

163

203

110

Капуста

-

10

12

21

21

Огурцы

-

5

5,6

6,8

6,8

Питьевая вода, л/год

182

260

260

260

370

Скорость дыхания, м3/с

2,33*10-5

8,0*10-5

8,0*10-5

1,6*10-4

2,2*10-4

Купание или катание на лодке, с

-

1,4*104

1,4*104

3,6*105

-

Время пребывания на берегу или на орошаемой территории, с

-

3,2*104

3,2*104

7,2*105

-

Некоторые характеристики основных дозообразующих радионуклидов на территории РБ (дополнение к табл. 23)

Известно 17 изотопов йода.

Действие характерно для ранней стадии 1-ого этапа.

Известно 11 изотопов стронция.

 

- является одним из основных дозообразующих радионуклидов.

Известно 13 изотопов плутония.

входит в состав «горячих» частиц.

Известно 11 радионуклидов нептуния.

 

Известно 15 изотопов цезия. - является одним из основных дозообразующих радионуклидов.

 

Проведенные расчеты, табличные и иные дополнительные данные этой лекции будут использованы при проведении 1-ого контрольного мероприятия по самостоятельной (аудиторной) работе студентов (впрочем как и практически весь материал предшествующих лекций).

Литература: 1. Гусев Н.Г., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Т1. Физические основы защиты от излучений. А.И., М., 1980.

 2. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. А.И., М., 1991.

 3. Бударков В.А., Киршин В.А., Антоненко А.Е. Радиобиологический справочник. «Ураджай», Мн., 1992.

  4. Материалы 5-ого международного симпозиума « Актуальные проблемы дозиметрии». МГЭУ им. А.Д. Сахарова, Мн., 2005.

 5. Максимов М.Г., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение. ЭАИ, М., 1989.

Исторический экскурс в становление ядерной физики, радиологии и радиационной безопасности.

1895 г. – Открытие рентгеновских лучей. Рентген.

1896 г. – Открытие радиоактивности. Беккерель.

1897 г. – Открытие электрона. Томсон.

1911 г. – Открытие атомного ядра. Резерфорд.

1919 г. – Осуществление первой ядерной реакции. Резерфорд.

1930 г. – Запуск первого циклотрона. Лоуренс.

1932 г. – Открытие нейтрона. Чадвик.

1932 г. – Обоснование протон-нейтронной млдели ядра. Гейзенберг, Иваненко.

1935 г. – Обоснование капельной модели ядра. Вайцзеккер.

1938 г. – Открытие деления ядер. Ганн, Штрассман.

1940 г. – Обнаружение спонтанного деления ядер. Флеров, Петржак.

 – Открытие первого трансуранового элемента (Z=93, нептуний). Мак-Миллан, Абельсон.

1942 г. – Запущен первый ядерный реактор. П/р Ферми.

 – Осуществлена управляемая ценная реакция деления тяжелых ядер.

1945 г. – Первый взрыв атомной бомбы. США в Хиросиме. Через 3 дня второй – в Нагасаки.

1949 г. – Первый взрыв атомной бомбы в СССР.

 – Обоснование оболочечной модели ядра. Гепперт-Майер, Йенсен, Хаксель, Суэсс.

1952 г. – Обоснование обобщенной модели ядра. О. Бор, Моттельсон, Рейнуотер.

 – Первый взрыв наземного водородного (термоядерного) устройства. США.

1953 г. – Первый взрыв водородной бомбы в СССР.

1954 г. – Запуск первой атомной электростанции. Обнинск. СССР.

1956 г. – Обнаружение антиядер действия. США.

1970 г. – Обнаружение антиядер гелия–3. СССР.

1975 г. – Обнаружение антиядер трития. СССР.

В пятидесятых (и последующих десятилетиях) разрабатываются мощные ускорители заряженных частиц.

1956 г. – Запущен синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 Гэв, длина орбиты частиц около 200м, вес кольцевого электромагнита 40 тысяч тонн). СССР.

1967 г. – Построен синхротрон в Протвино (близ Серпухова). СССР. Энергия частиц 70 Гэв, длина орбиты 1.5км, вес электромагнита 22 тысячи тонн. Он и поныне остается крупнейшим в России.

В США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (Церн, Швейцария) работают коллайдеры-ускорители на встречных пучках.

1983 г. – В Протвино начались работы по сооружению УНК (ускорительно-накопительный комплекс) с предполагаемой энергией частиц 3000 Гэв (или 3Тэв). Энергия частиц в самом мощном в мире ускорителе лаборатории имени Э.Ферми (ФНАЛ) в США – 1Тэв (1012 эв).

Для УНК прорыли кольцевой тоннель длинной 21км и диаметром ~5м. Работы затормозились в связи с распадом СССР.

До 2010 г. Должно быть завершено сооружение большого адронного коллайдера в Женеве. В 27км-м (под землей) тоннеле между Швейцарией и Францией ожидается получение энергии частиц ~10 триллионов (1013 эв) электрон-вольт. Только один из детекторов частиц и излучений – АТЛАС имеет диаметр 20м и длину цилиндра, расположенного под землей, ~26м. Вес его вместе с аппаратурой ~7 тысяч тонн.

1984 г. – Обнаружение кластерной радиоактивности (самопроизвольное испускание тяжелыми ядрами углерода). Роуз. Джонс. Позже – испускание  Ne, Mg, Si, S.

1994 - 2000 гг. – Синтез сверхтяжелых элементов с Z=110, 111, 112, 114, 116, 118 (А=271, 272, 277, 285, 289, 293). Германия. Россия. США.

2000 г. – Получение кварк-глюонной плазмы в столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер. Европейский центр ядерных исследований. Швейцария.

В России и в США разрабатываются бланкеты – устройства, объединяющие возможности ускорителя заряженных частиц и ядерного реактора, т.е. комплексы из ускорителей и реакторов.

И это далеко не полный перечень открытий и достижений в области ядерной физики (т.е. практически не приведены достижения в физике элементарных частиц, термоядерного синтеза и т.п.). Однако и приведенных фактов достаточно, чтобы оценить стремительный характер накопления знаний в этой области и их практического использования. Параллельно шло накопление информации о характере воздействия излучений на живые объекты, в т.ч. и на организм человека.

Уже в 1896 г. Броун и Осгоуд обнаружили азооспермию у молодых мужчин, работавших с рентгеновскими лучами (на заводах по производству рентгеновских трубок). В печати появились сведения о поражении кожи, выпадении у них волос.

В 1902 г. Фрибен описал первый лучевой рак кожи (перед этим появились сведения о том, что Х-лучи поражали клетки опухоли).

Крупнейшие ученые, работавшие с радиоактивными веществами, подверглись воздействию излучений, которые генерировались в ходе распада ядер. С трудом спасли Беккереля, умерли от лучевой болезни Мария, Кюри, Ирен и Фредерик Жолио – Кюри. Пьер Кюри рано погиб в катастрофе, но перед смертью жаловался на характерную болезнь рук.

В 1903 г. Альберс–Шонберг (умерший впоследствии от лучевого рака) обнаружил азооспермию у кроликов и нарушения семяродного эпителия.

В 1903 г. Боун определил важнейшую роль поражения ядра клетки при облучении.

В 1903 г. Лондон (русский исследователь) обнаружил смертельное действие лучей Ra (а Хейнеке Х-лучей) на мышей.

В  1905 г. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облученных животных.

В 1906 г. Бергонье и Трибондо сформулировали принцип: “чем быстрее делятся коетки и чем менее они дифференцированы, тем они чувствительнее к радиации”.

К 1910 г. Было показано пагубное действие радиации на эмбриогенез.

В 1911 г. Опубликована Лондоном первая в мире монография по радиобиологии “Радий в биологии и медицине”.

И так, в начале 20-ого века начато интенсивное накопление качественного экспериментального материала по действию радиации на живые объекты.

В 1922 г. Дессауэр предложил первую теорию радиобиологического эффекта, которая была развита Циммером, Ли, Тимофеевым-Ресовским и др. и нашла свое отражение в теории попадания, теории мишени в последующих десятилетиях.

В 1925 г. Надсон и Филиппов в опытах на дрожжах показал поражение генетических структур клети, передающееся по наследству. Но нобелевскую премию в 1945 г. за открытие передачи по наследству радиационных дефектов в клетке получил Меллер, установивший радиационный мутагенез на дрозофилах – традиционном объекте исследований в этой области.

Все эти сведения в последующие годы многократно проверялись и были подтверждены. Опасное для жизни радиационное воздействие потребовало разработки методов дозиметрии излучений, методов защиты людей (исследователей, рабочих) от радиации в высоких дозах. Характерен такой факт, свидетельствующий об эффективности разрабатываемых мер по радиационной защите. В 1936 г. в Гамбурге напротив рентгеновского института поставили памятник радиологам и рентгенологам, физикам, техникам, химикам, медикам, погибшим от лучевой патологии. В списках сотни имен. В последующие 20 лет, когда исследования в этой области многократно расширились, а число людей, работающих в этой области, колоссально возросло, смертность последних возросла только в 2 раза. После бомбардировок американцами 6 и 9 августа 1945 г. японских городов Хиросимы и Нагасаки, когда только в Хиросиме сразу погибло 78 000 и были ранены и облучены 164 000 человек, т.е. когда радиационному воздействию подверглось огромное количество людей, резко возрос объем и уровень исследований в области радиологии, радиобиологии и радиационной защиты (или безопасности). Изучены различные аспекты действия излучений на биообъекты. Возникают новые направления науки, такие как радиационная медицина, радиационная генетика, молекулярная радиобиология, радиационная биофизика, радиационная химия, радиоэкология, радиационная безопасность.

К сожалению, этому способствовало не только развитие атомной энергетики, использование радиационно–физических методов в медицине, промышленности и сельском хозяйстве, но и гонка вооружений с накоплением ядерных зарядов, испытанием атомных и водородных бомб. Международному сообществу удалось добиться прекращения таких испытаний, однако остается актуальной проблема нераспространения технологий по производству ядерного оружия. Остается актуальной и проблема обеспечения радиационной безопасности людей.


На главную