Ionizujc zen a jeho inky Radioaktivita Vlastnost nkterch

Ionizující záření a jeho účinky

Radioaktivita Vlastnost některých jader atomů podléhat samovolnému rozpadu. Vznikají tak jádra jednodušší a uvolňuje se energie ve formě záření. Radionuklid Nestabilní nuklid podléhající přeměně.

Radioaktivní rozpad N 0 – počet radioaktivních jader v čase t=0 N – počet zbylých jader v libovolném t Poločas rozpadu [T 1/2] = s - konstanta rozpadu, [ ] = s-1

Aktivita �podíl středního počtu radioaktivních přeměn radionuklidu za časový interval �jednotkou v soustavě SI – bequerel (Bq) � 1 Bq = 1 rozpad za sekundu

Aktivita vyhořelého jaderného paliva

Ionizující záření �Ionizujícím 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 α Jádra helia Záření Záporné elektrony nebo kladné pozitrony Záření Elektromagnetické vlnění 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]

Dávka �pohlcená energie na jednotku hmotnosti �jednotkou v soustavě SI je gray (Gy) �starší jednotka rad (radiation absorbed dose) � 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad

Dávkový příkon �Podíl přírůstku dávky d. D 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 přeměny � charakterizuje vylučování daného radioaktivního prvku z organismu � doba, za kterou se z organismu vyloučí polovina přijatého množství radionuklidu Efektivní poločas přeměny � kombinace biologického a fyzikálního poločasu přeměny

Ozáření člověka Přírodní zdroje zapříčiňují ozáření obyvatelstva České republiky 3– 3, 5 m. Sv. Umělé zdroje záření přispívají k celkovému ozáření přibližně jednou šestinou. ekvivalentní dávka (m. Sv/rok) podíl na celkovém ozáření (%) radon a produkty přeměny radonu 1300 43, 1 lékařství 660 20, 6 vnější ozáření přírodními radionuklidy (mimo radon a jeho produkty) 460 15 kosmické záření 380 12, 5 vnitřní 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 zdroj

Šíření radionuklidů v životním prostředí

Biologické účinky vybraných radionuklidů Tritium 3 H (T) �beta zářič �poločas přeměny 12, 4 let �biologický poločas přeměny je 10– 20 dní �z plynné formy a vzniká HTO – v podobě vodní páry nachází v atmosféře �vzniká také působením kosmického záření �v těle se chová jako H 2 O – rozšiřuje se do všech měkkých tkání �způsobuje vnitřní kontaminaci

Krypton 85 Kr �beta a gama zářič �poločas rozpadu 10, 8 let �hromadí se v atmosféře �nízká rozpustnost a chemická aktivita – proniká minimálně do potravních řetězců �zanedbatelné zdravotní důsledky

Stroncium 90 Sr �beta zářič �poločas rozpadu 28, 1 let �biologický poločas – 104 let �tvorba rozpustných sloučenin �chemické vlastnosti podobné vápníku – nahrazuje vápník v kostech a chrupavkách �důsledkem ozáření kostní dřeně dochází k poruchám krvetvorby

Jód 129 I �beta zářič �poločas rozpadu 1, 6. 107 let �absorbuje se ve štítné žláze, v sliznici žaludku a v mléčných žlázách

Cesium 137 Cs �beta a gama zářič �poločas 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 238 U �alfa a gama zářič �poločas rozpadu je 4, 5. 108 let �biologický poločas rozpadu pro ledviny 15 dní a pro celé tělo 100 dní

Plutonium 239 Pu �alfa zářič �poločas rozpadu je 2, 4. 104 let �biologický poločas 7, 3. 104 dní pro kosti. �v atmosféře jako aerosol nebo Pu. O 2 �koncentruje se v plicích, játrech nebo kostech �vyšší toxicita než ostatní těžké kovy �důsledky se projeví až po letech, kdy je prvních asi 15 let obdobím latentním a po něm následuje přibližně 30 let zvýšeného

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 volné radikály v blízkosti DNA změny DNA radioaktivní záření (m. Gy/rok) 108 106 (1 %) 5. 10 -3 změny neopravené nebo chybně 102 (100 ppm) 10 -5 (2 ‰) opravené mutace (neodstraněné změny, 1 (1 %) 10 -7 (1 %) které nebyly opravené nebo byly opravené chybně) poměr počtu mutací vzniklých metabolismem k mutacím 107: 1 zapříčiněných radioaktivním zářením

Účinky záření Deterministické – dochází ke smrti buněk �zřejmá souvislost s ozářením �charakteristický průběh Stochastické – nahodilé �nelze 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

Karcinogeneze � nejdůležitější stochastický účinek záření � tři fáze: iniciace rakoviny, propagace nádoru a maligní průběh � klinicky nelze stanovit důvod vzniku nádoru – ani jeho souvislost s ozářením � může vzniknout po letech až desetiletích od ozáření � epidemiologické 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

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 Věk v době havárie Počet případů rakoviny štítné žlázy 0 - 4 roky 5 - 9 let 10 - 14 let Rok diagnózy

Další stochastické účinky �velmi 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 buňky �nebyly u lidí prokázány, lze je předpokládat �dominantní mutace �recesivní mutace – hromadí se v genofondu populace �mírný, 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 m. Sv – 1, 1 %, vzniku nádoru – 10, 9 %, vzniku fatálního nádoru – 4– 5 % na 1000 m. Sv �pravděpodobnost vzniku dědičných onemocnění je 1, 2 % na 1000 m. Sv, v prvních dvou generacích pak 0, 3 % �pokud je dávce 1000 m. Sv 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

Adaptace �dochází ke stimulaci reparačních mechanismů v buňkách �principem adaptace je rychlejší syntéza enzymů zodpovědných za opravu DNA �pokud 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 lymfocytech �buněčná odpověď – přechodná, existují individuální rozdíly

Stochastické účinky Marie Curie-Sklodowská (1867– 1934) � první žena, která mohla studovat na Sorboně � 1903 Nobelova cena � pokusy s radiem a poloniem � zajímala 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 [16]

Deterministické účinky Louis Slotin (1910– 1946) � ruští židé, kanadský Winipeg � univerzita v Manitobě – chemie � doktorát v Londýně � Chicago – vývoj cyklotronu � 1944 pracuje v Los Alamos na vývoji atomové bomby – vrchní zbrojmistr spojených států Louis Slotin [15]

Los Alamos �Harry 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 experimentu �experiment: plutoniové jádro, vážící 6, 2 kg, potažené niklem, uloženo v beryliových polokoulích �přibližování 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 experimentu �Slotin odstranil bezpečnostní pojistky �horní 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 �

Dávka záření � chemici, 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 1000 MW v tunách/rok na černé uhlí jaderná 2, 0. 106 3, 5. 101 6, 2. 106 0 6, 6. 106 0 2, 8. 104 4, 0. 101 5, 7. 104 0 2, 0. 103 zanedbatelné 4, 2. 105 0 0 6, 0. 102 0 4, 0. 102 spotřeba paliva spotřeba kyslíku emise CO 2 emise NOx emise SO 2 ostatní plyny pevné odpady nízkoaktivní odpady středně aktivní odpady vysoce aktivní odpady 0 1, 0. 101