ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Повышение уровня радиоактивности окружающей природной среды обусловлено, прежде всего, развитием атомной энергетики, активным использованием источников ионизирующего излучения в медицине и промышленности, а также радиоактивных веществ в технике, научных и военных исследованиях. Вследствие разрушения человеком озонового слоя атмосферы также усиливается губительное действие ультрафиолетовых лучей.

Радиоактивное загрязнение окружающей среды достигло глобальных катастрофических масштабов. Оно происходит в результате испытаний ядерного оружия, аварий на объектах атомной энергетики, во время добычи и переработки ядерного топлива и т.п. Тягчайшими для экосистем мира, а особенно для здоровья человека стали экологические последствия самых больших техногенных катастроф на Чернобыльской атомной электростанции и Фукусиме. Итак, человечество уже сегодня должно учиться предотвращать и противодействовать негативному влиянию радиации на экосистемы [1].

1. Радиоактивный распад

Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (или, как говорят физики, спонтанно) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы, которые принято называть продуктами распада или дочерними элементами. Распадающиеся частицы принято именовать исходными материалами или родителями. У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций) имеется хотя бы один стабильный изотоп. Тот факт, что эти вещества нам хорошо известны, свидетельствует об их стабильности – значит, они живут достаточно долго, чтобы в значительных количествах накапливаться в природных условиях, не распадаясь на составляющие. Но у каждого из природных элементов имеются и нестабильные изотопы – их ядра можно получить в процессе ядерных реакций, но долго они не живут, поскольку быстро распадаются [2].

При бета-распаде (β-) испускаются электроны с энергией в широком (от нуля до максимума) диапазоне. Теряя электрон, ядро атома при неизменном массовом числе приобретает следующий (более высокий) атомный номер. Многие изотопы распадаются с испусканием позитронов (β+) или путем захвата электрона (е). В этом случае атомный номер уменьшается на единицу. Энергия позитронов также распределяется от нуля до максимума. Ионизирующее действие позитронов мало отличается от действия электронов. При встрече электрона с позитроном они аннигилируют с испусканием γ- квантов определенной энергии.

β- распад и захват электронов обычно сопровождаются γ- излучением (при захвате электронов наблюдается характерное рентгеновское излучение). α- излучение характерно для распада самых тяжелых нуклидов, в частности для естественных изотопов урана. Тория радия и радона и искусственно получаемых плутония и других трансурановых изотопов. При α- распаде атомный номер уменьшается на 2, а массовое число – на 4 единицы. Это излучение обычно сопровождается испусканием γ- квантов [3].

α- излучение представляет собой поток α- частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3-11 см, а в жидких и твердых средах – сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от α- частиц является также одежда человека.

Поскольку α- излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение α- частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно [4].

Деление ядер, наблюдающееся только у самых тяжелых изотопов, может быть самопроизвольным и индуцированным. Последнее вызывается тепловыми или быстрыми нейтронами и широко используется в атомной технике. Ядра делятся на примерно равные части – осколки, при этом испускаются γ- кванты и нейтроны. Осколки ядерного деления разлетаются с большой энергией и в большинстве случаев радиоактивны [3].

Рисунок 1 – Распад ядра

Рисунок 1 – Распад ядра (анимация, длительность 9 с, число кадров 11, число повторов 7, размер 321×326)

В таблице 1.1 приведена классификация радионуклидов по степени биологического воздействия [5].

Таблица 1.1 – Классификация радионуклидов по степени биологического воздействия

Группа Класс радионуклидов по степени биологического воздействия Радионуклиды
А С особо высокой радиотоксичностью 210Pb, 210Po, 226Ra, 232U, 238Pu
Б С высокой радиотоксичностью 106Ru, 131I, 144Ce, 210Bi, 234Th
В Со средней радиотоксичностью 22Na, 32P, 35S, 137Cs
Г С низкой радиотоксичностью 7Be, 14C, 51Cr, 64Cu
Д С очено низкой радиотоксичностью Тритий и его соединения

2. Основные единицы измерения в радиации

Основная физическая величина, которая характеризует радиоактивный источник, это число происходящих в нем распадов в единицу времени. Такая величина была названа активностью. Активность того или иного вещества, например, радиоактивного изотопа, определяется количеством атомов, распадающихся в единицу времени и, следовательно, число испускаемых веществом радиоактивных частиц прямо пропорционально его активности.

В качестве единицы активности в Международной системе единиц СИ выбран беккерель (Бк, Bq). Активность в 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Однако в практической дозиметрии и радиационной физике чаще используется другая единица – кюри (обозначается Ки, Ci). Кюри в 37 миллиардов раз больше одного беккереля (1 Ки = 3,7 1010 Бк), то есть соответствует 37 миллиардам радиоактивных распадов в секунду, что соответствует числу распадов, происходящих в одном грамме радия-226 – исторически первого вещества, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Поскольку активность одного грамма чистого радия близка к 1 Ки, то ее часто выражают в граммах. В этом (и только в этом) случае единица массы вещества обладает единичной активностью.

Благодаря распаду количество радиоактивных атомов в первоначальной массе вещества уменьшается с течением времени. Соответственно снижается, и активность. Это уменьшение активности подчиняется экспоненциальному закону:

Ct = C0 exp (- [0,693/T]t), (2.1)

где Ct – активность вещества по прошествии времени t, C0 – активность в начальный момент.

Как видно из формулы (2.1), описывающей распад, величина T служит важнейшей характеристикой радиоактивности – она показывает то время, по истечении которого активность вещества (или число радиоактивных атомов) уменьшается вдвое. Это время T называется периодом полураспада [6].

Под действием излучений, испускаемых радиоактивными изотопами, в облучаемом объекте накапливаются различные нарушения. Принято считать (хотя это сегодня все чаще подвергается сомнению), что изменения, происходящие в облучаемом веществе, полностью определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения. Это положение, строго говоря, не доказано, и его можно назвать энергетическим постулатом. Во всяком случае, поглощенная энергия излучения служит самой удобной физической величиной, характеризующей действие радиации на организмы.

На VII Международном конгрессе радиологов, который состоялся в 1953 году в Копенгагене, энергию любого вида излучения, поглощенную в одном грамме вещества, было рекомендовано называть поглощенной дозой. В качестве единицы поглощенной дозы был выбран rad, по первым буквам английского словосочетания radiation absorbed dose, – поглощенная доза излучения). Один рад соответствует такой поглощенной дозе, при которой количество энергии, которая выделяется в одном грамме любого вещества, равно 100 эрг независимо от вида и энергии ионизирующего излучения. Таким образом, для любого материала справедливо выражение:

1 рад = 100 эрг/г = 10-2 Дж/кг = 6,25•107 МэВ/г

Поглощенная доза, образуемая в веществе в единицу времени, называется мощностью поглощенной дозы.

Рад, так же как и кюри (1 Ки = 3,7 гигабеккерелей, ГБк), – это так называемые внесистемные единицы, и с точки зрения ортодоксальных приверженцев системы СИ на их использование должен быть наложен суровый запрет. Однако жизненная практика оказалась сильнее формальных предписаний, и незаконная единица поглощенной дозы – рад – используется гораздо чаще, чем соответствующая единица системы СИ – грэй.

Стоит обратить внимание на то обстоятельство, что рад (или грэй) – единица чисто физической величины. По существу, это энергетическая единица, никак не учитывающая те биологические эффекты, которые производит проникающая радиация при взаимодействии с веществом. Однако то, что действительно интересует специалистов по дозиметрии и радиационной физике, – это изменения в организме, возникающие при облучении человека. Оказалось, что тяжесть всяческих нарушений сильно различается в зависимости от типа излучения.

Из соображений простоты и удобства биологические эффекты, вызванные любыми ионизирующими агентами, принято сравнивать с воздействием на живой организм рентгеновского или гамма-излучения. Удобство здесь состоит в том, что для рентгеновского излучения заданные дозы и их мощности сравнительно просто получаются (например, с помощью калиброванных рентгеновских источников), хорошо воспроизводятся и надежно измеряются. Все эти процедуры становятся заметно сложнее для других типов излучений. Чтобы можно было сравнивать воздействие последних с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения.

Этот коэффициент, называемый фактором качества Q, приблизительно равен единице для гамма-лучей и протонов высокой энергии; для тепловых нейтронов Q ≈ 3, а для быстрых нейтронов значение Q достигает десяти. При облучении α- частицами и тяжелыми ионами Q ≈ 20, а это значит, что даже сравнительно малые поглощенные дозы могут вызвать серьезные биологические последствия. Эквивалентная доза измеряется в бэрах (бэр – биологический эквивалент рентгена). Иногда употребляется также наименование рем (от английской аббревиатуры rem – roentgen equivalent for man, эквивалент рентгена для человека). Коэффициент качества излучения Q устанавливается на основе радиобиологических экспериментов и приводится в специальных таблицах. Для рентгеновского излучения (Q = 1) один рад поглощенной дозы соответствует одному бэру.

В принципе особой необходимости в специальной единице эквивалентной дозы нет, она может измеряться в тех же единицах, что и поглощенная доза, поскольку коэффициент Q – безразмерный. Тем не менее, учитывая важность проблемы биологического действия ионизирующих излучений, в радиационной физике и при расчете защиты от ядерных излучений стали использовать единицу эквивалентной дозы. В системе СИ эта единица установлена совсем недавно и называется зиверт (обозначается Зв, Sv). Эквивалентная доза в 4-5 зиверт (примерно 400-500 бэр), полученная за короткое время, вызывает тяжелое лучевое поражение и может привести к смертельному исходу [6].

Полученная человеком эквивалентная доза является основным радиобиологическим критерием опасности воздействия на него любого радиационного излучения. Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами k. Это так называемые тканевые взвешенные факторы, которые можно найти в соответствующих таблицах [7].

3. Радиационная обстановка в Донецкой области

На территории Донецкой области 80 предприятий эксплуатируют источники ионизирующего излучения. В основном это предприятия угольной и металлургической промышленности. Подразделениями по радиационной гигиене санитарно-эпидемиологической службы области проводится большая работа на предприятиях и в организациях, эксплуатирующих источники ионизирующего излучения. В первую очередь вся деятельность по этому вопросу направлена на уменьшение количества источников излучения, эксплуатируемых на предприятии, создание четкой системы учета источников и служб радиационного контроля на предприятиях, снижение дозовой нагрузки на персонал, работающий с источниками радиации.

В лечебно-профилактических учреждениях Донецкой области эксплуатируется 723 рентгеновских кабинета, в которых работает 1064 рентгеновских аппарата (данные на 2002 год). С целью снижения дозовой нагрузки на персонал и пациентов все рентгеновские аппараты подлежат обязательному дозиметрическому контролю не реже 1 раза в 1,5 года, действуют системы радиационной безопасности во всех кабинетах: модернизируются рентгеновские аппараты, контролируется обязательное применение средств индивидуальной защиты. Большое внимание уделяется индивидуальному дозиметрическому контролю персонала.

В Донецкой области работает 134 предприятия стройиндустрии и 2265 предприятий (на 2006 год), использующих промышленные отходы, шламы, шлаки и т. д. Контроль за радиационной безопасностью стройматериалов осуществляется на всех этапах производства. Конечным этапом контроля является измерение уровня гамма-фона в построенных зданиях. В области создана и постоянно обновляется компьютерная база данных предприятий стройиндустрии.

В 11 санитарно-эпидемиологическич службах области имеется необходимая аппаратура для проведения лабораторного контроля за стройматериалами, пищевыми продуктами и объектами окружающей среды. Все санитарно-эпидемиологические службы обеспечены дозиметрической аппаратурой для ежедневного измерения гамма-фона и экспресс контроля радиационного загрязнения. Кроме санитарно-эпидемиологических служб в области радиационный контроль проводит мариупольский радиологический центр CТАКС и его филиалы. Данные о проводимых исследованиях регулярно передаются в отдел радиационной гигиены областной санитарно-эпидемиологической службы [3].

Согласно действующего законодательства все пищевые продукты и сырье, производимые на территории области и завозимые из других регионов, подлежат постоянному радиационному контролю. Особое внимание уделяется продуктам питания, ввозимым с территорий пострадавших после аварии на ЧАЭС.

4. Естественный радиационный фон области

На всей территории области проведена радиометрическая съемка по сети 2×2 км и 3×3 км в районах промышленных узлов и остальная часть территории по сети 4×4 км. Производился отбор проб на гамма-спектро-метрический анализ. Всего произведено около 3 тыс. измерений.

Работы выполнялись с 1989 по 1996 года включительно. Измерения производились непосредственно в поле одновременно с отбором геохимических проб. Для этих целей был задействован поисковый сцинтилляционный радиометр СРП-68-01, который предназначен для измерения потока и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения.

Измерения проводились в соответствии с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации радиометра.

Измерения проводились с установкой детектора на уровне 0,7 метра от поверхности земли.

На большей части территории области, за исключением восточной, уровни радиации составляют не более 20 мкР/час, в среднем 13-15 мкР/час, что меньше предельно допустимого уровня, установленного в соответствии с Нормами радиационной безопасности Украины и составляющего 30 мкР/час. Имеются участки, особенно южнее и юго-восточнее города Волновахи, где уровни радиоактивности превышают 20 мкР/час, а в отдельных точках превышают более 28 мкР/час. Это, возможно, связано с выходом на дневную поверхность кристаллических пород архея и протерозоя с повышенным естественным радиационным фоном.

Самые высокие уровни радиоактивности зафиксированы в восточной части области, в городах Дебальцево, Енакиево, Макеевка, Харцызск, Шахтерск, Торез, Снежное, Моспино, Иловайск, Старобешево. Выделяется полоса шириной на юге до 25 км, в центральной – до 50 км, которая в северной части выходит за пределы области. Эта полоса длиной до 100 км на территории области (за пределами области неизвестно) располагается в субмеридиальном направлении с северо-востока на юго-запад, перпендикулярно пересекая Главную антиклиналь. Уровни радиации здесь составляют более 20 мкР/час, особенно в центральной части полосы. Уровни радиоактивности здесь достигают до 40 мкР/час и более (50-57 мкР/час). На большей части территории полосы уровни радиации составляют 25-30 мкР/час. К краям полосы они постепенно снижаются и достигают фоновых значений. Необходимо отметить, что для этих уровней характерна повышенная концентрация искусственных и в меньшей степени естественных радионуклидов. В геологическом строении этого участка принимают участие, в основном, породы среднего и верхнего карбона, которые не характеризуются повышенным радиационным фоном.

Самые низкие уровни радиации (до 10 мкР/час) встречаются в северной части области, приуроченные к песчаным породам речных террас бассейна реки Северский Донец, а также небольшой участок на северо-востоке г. Красноармейск.

Низкие уровни радиации периодически встречаются по всей территории, кроме восточной части, где уровни намного превышают естественный фон [3].

5. Оценка радиологической безопасности в пгт. Донское

Измерения мощности экспозиционной дозы, подобные описанным выше, временами не проводятся для небольших населенных пунктов, вблизи которых не имеется крупного предприятия. Подобная ситуация характерна для небольших поселков Волновахского района, в частности для пгт. Донское.

Основным градообразующим объектом в пгт. Донское является химико-металлургическая фабрика ОАО ММК им. Ильича.

Рисунок 2 – Донская химико-металлургическая фабрика.

Рисунок 2 – Донская химико-металлургическая фабрика.

Данное предприятие относится к металлургическому комплексу, на территории которого является обязательным проведение радиологического контроля. Оно заключается в регулярном измерении мощности экспозиционной дозы в строго определенных местах два раза в месяц. На рисунке 2 представлена динамика изменения мощности за период с 2007 по 2012 год.

Рисунок 3 – Динамика изменения мощности экспозиционной дозы на Донской химико-металлургической фабрике за 2007-2012 года

Рисунок 3 – Динамика изменения мощности экспозиционной дозы на Донской химико-металлургической фабрике за 2007-2012 года

Как следует из графика, значение мощности колеблется незначительно от 13,9 мкР/час в 2008 году до 16,04 мкР/час в 2011 году.

В тоже время для полноценной оценки радиологического состояния возникает необходимость проведения замеров и на территории населенного пункта. Нами проводились измерения мощности экспозиционной дозы, с использованием дозиметра ДРГ-01Т. Полученные значения мощности экспозиционной дозы в 15 точках на местности были нанесены на карту пгт. Донское, которая представлена на рисунке 3.

Рисунок 4 – Карта-схема распределения мощности экспозиционной дозы в пгт. Донское

Рисунок 4 – Карта-схема распределения мощности экспозиционной дозы в пгт. Донское

Как видно из рисунка, на территории населенного пункта мощность экспозиционной дозы, в среднем, колеблется в тех же пределах, что и на территории химико-металлургической фабрики, а именно в пределах 13-16 мкР/час. Однако в результате измерений были получены две точки, в которых значения мощности составило 20 и 36 мкР/час. Последнее значение превышает допустимый уровень радиационного фона в 30 мкР/час, что может быть вызвано случайными факторами либо спецификой застройки территории, что требует дальнейшего проведения исследований.

Выводы

В целом в процессе выполнения работы был проведен литературный обзор материалов, касающихся вопросов радиологической безопасности и радиологической экологии. Была проанализирована радиологическая обстановка в Донецкой области, а также были проведены измерения мощности экспозиционной дозы в пгт. Донское. Полученные результаты показали наличие повышенного радиационного фона, что требует дальнейшего исследования.

При написании данного реферата магистерская работа не была завершена. Полный текст работы можно получить у автора после декабря 2012 года, отправив запрос по адресу: dasha-tasbash@mail.ru

Список источников

  1. Радіоекологічні дослідження [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.franko.lviv.ua/faculty....
  2. Радиоактивный распад. Материалы научно-популярного проекта Элементы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://elementy.ru/trefil/21197.
  3. Гусева Л.В. Практическое пособие по радиационному контрлю / Л.В. Гусева. – Донецк: Арт-Родник, 2003. – 124 с.
  4. Основные свойства, виды и источники радиоактивных излучений. Материалы научно-популярного проекта Элементы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://elementy.ru/trefil/21197
  5. Радиоактивные элементы. Материалы научно производственного предприятия МР-КВАНТ [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.mrkvant.com.ua/radiation/4/.
  6. С. Панкратов Единицы измерения в радиационной физике. Материалы научного журнала Наука и жизнь [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://n-t.ru/nj/nz/1986/0903.htm.
  7. Дерябина Г.Н. Радиация и человек / Г.Н. Дерябина – Мариуполь: СТАКС, 2001. – 250 с.