Радиоактивное заражение

Введение 

В процессе жизнедеятельности  человек подвергается воздействию  различных опасностей, под которыми обычно понимают явления, процессы и  т. д. Способные в определенных условиях наносить ущерб здоровью человека непосредственно  или косвенно, т.е. вызывать нежелательные различные процессы. В 1896 г. французский физик А.Беккерель открыл явление радиоактивного излучения. Оно положило начало изучения и использования ядерной энергии. Говоря о нем, великий русский ученный Вернадский И.О. подчеркивал: «С надеждой и опасением всматриваемся мы в нашего союзника и защитника, и его опасения подвергшись – в начале появились не атомные электростанции, не мощные атомные ледоколы, не космические корабли, а оружие чудовищной разрушительной силы. Впервые во всю свою мощь ядерное оружие заявило о себе 16 июня 1945г американские ученые впервые испытали ядерный заряд. С этого дня над планетой нависла опасность возникновения сначала ядерной, а затем и термоядерной войны. Началась гонка вооружения или «Холодная война». Обеспечение защиты населения от современных средств нападения достигается целым комплексом мероприятий направленных на максимальное ослабление результатов воздействия оружия массового поражения, созданием благоприятных условий для проживания и деятельности населения.

К таким мероприятиям относятся:

• Организация и обеспечение  защиты населения от современных  средств поражения, последствий  аварий, катастроф и стихийных  бедствий; • Обеспечение устойчивого  функционирования народного хозяйства  чрезвычайных ситуаций мирного и военного времени;

• Организация и проведение спасательных и неотложных работ  в очагах поражения в зонах  катастрофического затопления, а  также др. мероприятий по ликвидации последствий нападения противника, стихийных бедствий, крупных аварий и катастроф;

• Эвакуация населения  из крупных городов в случае возникновения  ядерной угрозы;

• Всеобщие и обязательное обучение населения способам защиты от оружия массового поражения и  действия по ликвидации последствий  нападения противника;

• Всеобщее и обязательное обеспечение населения защитными средствами сооружения и средствами индивидуальной защиты.

Важнейшей задачей гражданской  обороны является обеспечение устойчивого  функционирования народного хозяйства  в чрезвычайной ситуации мирного  и военного времени. Устойчивая работа объектов агропромышленного комплекса дает возможность обеспечить населения и вооруженные силы страны достаточным количеством питания, а промышленность – сырьем. Повышение устойчивой работы объектов агропромышленного комплекса достигается заблаговременным проведением комплекса организационным и др. мероприятий направленных на максимальное снижение воздействия оружия массового поражения на объектах сельскохозяйственного назначения.

В наши дни вероятность  применения оружия массового поражения снизилась, сейчас на первый план вышли мероприятия связанные с предотвращением и ликвидации различных природных и техногенных катастроф, а также возможных различных террористических акций. Таким образом, можно сказать, что проблема разрешения, предупреждения, ликвидации чрезвычайных ситуаций, защиты населения от современных средств массового поражения это одна из основных задач нашего государства.

1. Радиоактивное загрязнение местности.

Под радиоактивным заражением принято понимать такое заражение местности и находящихся на ней объектов, а также воздуха и воды радиоактивными веществами, образующимися при ядерных взрывах, которое представляет опасность для здоровья человека.

Основные источники  радиоактивности при ядерных  взрывах: продукты деления веществ, составляющих ядерное горючее (200 радиоактивных изотопов 36 химических элементов); наведенная активность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов ядерного взрыва на некоторые химические элементы, входящие в состав грунта (натрий, кремний и др.); некоторая часть ядерного горючего, которая не участвует в реакции деления и попадает в виде мельчайших частиц в продукты взрыва.

Излучение радиоактивных  веществ состоит из трех видов  лучей: альфа, бета и гамма. Наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи (в воздухе они проходят путь в несколько сот метров), меньшей - бета-частицы (несколько метров) и незначительной - альфа-частицы (несколько сантиметров). Поэтому основную опасность для людей при радиоактивном заражении местности представляют гамма- и бета- излучения.

Радиоактивное заражение  имеет ряд особенностей, отличающих его от других поражающих факторов ядерного взрыва. К ним относятся: большая площадь поражения - тысячи и десятки тысяч квадратных километров; длительность сохранения поражающего действия - дни, недели, а иногда и месяцы; трудности обнаружения радиоактивных веществ, не имеющих цвета, запаха и других внешних признаков.

Зоны радиоактивного заражения образуются в районе ядерного взрыва и на следе радиоактивного облака. Наибольшая зараженность местности радиоактивными веществами будет при наземных и подземных (произведенных на небольшой глубине), надводных и подводных ядерных взрывах. Зараженность местности радиоактивными веществами может также возникнуть в результате применения противником радиологического оружия.

При наземном (подземном) ядерном взрыве огненный шар касается поверхности земли. Окружающая среда  сильно нагревается, значительная часть  грунта и скальных пород испаряется и захватывается огненным шаром. Радиоактивные вещества оседают на расплавленных частицах грунта. В результате образуется мощное облако, состоящее из огромного количества радиоактивных и неактивных оплавленных частиц, размеры которых колеблются от нескольких микрон до нескольких миллиметров.

В течение 7-10 мин радиоактивное  облако поднимается и достигает  своей максимальной высоты, стабилизируется, приобретая характерную грибовидную  форму, и под действием воздушных  потоков перемещается с определенной скоростью и в определенном направлении. Большая часть радиоактивных осадков, которая вызывает сильное заражение местности, выпадает из облака в течение 10-20 ч после ядерного взрыва.

При выпадении радиоактивных  веществ из облака ядерного взрыва происходит заражение поверхности  земли, воздуха, водоисточников, материальных ценностей и т.п. Масштабы и степень радиоактивного заражения местности зависят от мощности и вида взрыва, особенностей конструкции боеприпаса, характера поверхности, над которой (на которой) произведен взрыв, метеорологических условий и времени, прошедшего после взрыва.

Форма следа радиоактивного облака зависит от направления и  скорости среднего ветра. На равнинной  местности при неменяющемся направлении  и скорости ветра радиоактивный  след имеет форму вытянутого эллипса. Наиболее высокая степень заражения наблюдается на участках следа, расположенных недалеко от центра взрыва и на оси следа. Здесь выпадают более крупные оплавленные частицы радиоактивной пыли. Наименьшая степень заражения наблюдается на границах зон заражения и на участках, наиболее удаленных от центра наземного ядерного взрыва.

Степень радиоактивного заражения местности характеризуется  уровнем радиации на определенное время  после взрыва и экспозиционной дозой  радиации (гамма-излучения), полученной за время от начала заражения до времени полного распада радиоактивных веществ.

Границы зон на радиоактивно-зараженной местности (см. рис.) определяют по значениям экспозиционных доз гамма-излучения Z), получаемых за время от 1 ч после взрыва до полного распада радиоактивных веществ.

Для удобства решения задач по оценке радиационной обстановки границы зон  на радиоактивно-зараженной местности  также принято характеризовать  уровнями радиации на один (Ро) и десять часов после взрыва.

Значение радиоактивного заражения, как поражающего фактора, определяется тем, что высокие уровни радиации могут наблюдаться не только в районе, прилегающем к месту взрыва, но и на расстоянии десятков и даже сотен километров от него. В отличие от других поражающих факторов, действие которых проявляется в течение относительно короткого времени после ядерного взрыва, радиоактивное заражение местности может быть опасным на протяжении нескольких суток и недель после взрыва.

На местности, подвергшейся радиоактивному заражению при ядерном взрыве, образуется два участка: район взрыва и след облака. Местность заражается неравномерно.

По степени опасности  зараженную местность по следу облака ядерного взрыва принято делить на четыре зоны:

А - умеренного,

Б - сильного,

В - опасного,

Г - чрезвычайно опасного заражения.

Зона умеренного заражения (зона А). Экспозиционная доза излучения  за время полного распада РВ (DJ колеблется от 40 до 4000 Р (0,01-0,1 Кл/кг). Уровень  радиации на внешней границе зоны через 1 ч после взрыва - 8 Р/ч, через 10 ч - 0,5 Р/ч. В зоне А работы на объектах, как правило, не прекращаются. Работы на открытой местности, расположенной в середине зоны или у ее внутренней границы, должны быть прекращены на несколько часов.

Зона сильного заражения (зона Б). Экспозиционная доза излучения  за время полного распада РВ колеблется от 400 до 1200 Р (0,1 - 0,3 Кл/кг). Уровень радиации на внешней границе через 1 ч после взрыва составляет 80 Р/ч, через 10 ч - 5 Р/ч. В зоне Б работы на объектах прекращаются сроком до 1 суток, рабочие и служащие укрываются в защитных сооружениях ГО, подвалах или других укрытиях.

Зона опасного заражения (зона В). На внешней границе зоны экспозиционная доза гамма-излучения  до полного распада РВ составляет 1200 Р (0,3 Кл/кг), на внутренней границе - 4000 Р (1 Кл/кг); уровень радиации на внешней границе через 1 ч - 240 Р/ч, через 10 ч - 15 Р/ч. В этой зоне работы на объектах прекращаются от 1 до 3-4 суток, рабочие и служащие укрываются в защитных сооружениях ГО.

Зона чрезвычайно опасного заражения (зона Г). На внешней границе  зоны экспозиционная доза гамма-излучения до полного распада РВ составляет 4000 Р (1 Кл/кг); уровень радиации через 1 ч - 800 Р/ч, через 10 ч - 50 Р/ч. В зоне Г работы на объектах прекращаются на четверо и более суток, рабочие и служащие укрываются в убежищах. По истечении указанного срока уровень радиации на территории объекта спадает до значений, обеспечивающих безопасную деятельность рабочих и служащих в производственных помещениях. Особенно быстро падает уровень радиации в первые часы после взрыва.

Объем воздушного пространства, в котором происходит осаждение радиоактивных частиц из облака взрыва и верхней части пылевого столба, принято называть шлейфом облака.

По мере приближения  шлейфа к объекту мощности доз  излучения возрастают вследствие гамма-излучения  радиоактивных веществ, содержащихся в шлейфе. После подхода края шлейфа наблюдается выпадение радиоактивных частиц. Вначале из облака выпадают наиболее крупные частицы с высокой степенью их активности, по мере удаления от места взрыва - более мелкие, а мощность дозы излучения при этом постепенно снижается. В поперечном сечении следа мощность дозы излучения уменьшается от оси следа к его краям.

На радиоактивное заражение  местности и воздуха большое  влияние оказывает рельеф местности. При наличии возвышенностей и  холмов более сильное заражение будет наблюдаться с наветренной стороны. Овраги и лощины заражаются в большей степени в том случае, когда ветер дует вдоль них. При сильном дожде радиоактивные вещества частично смываются потоками воды, поэтому в лощинах и оврагах заражение может усиливаться. Дождь и снегопад способствуют также быстрому осаждению радиоактивных веществ из воздуха, в результате этого воздух становится менее зараженным, но повышается зараженность местности. При воздушном взрыве радиоактивное заражение местности и различных объектов как в районе взрыва, так и на следе облака незначительно и не представляет особой опасности.

2. Зоны радиоактивного  заражения местности.

Выделяют две основные зоны.

Первая – санитарно-защитная зона – территория вокруг источники ионизирующего излучения, на которой уровень облучения людей в условиях нормальной эксплуатации данного источника может превышать установленный предел дозы облучения для населения и где запрещается постоянное и временное проживание людей, вводится режим ограничения хозяйственной деятельности и проводится радиационный контроль.

 Вторая – зона наблюдения – представляет собой территорию за пределами санитарно-защитной зоны, на которой проводится радиационный контроль.

Федеральным законом  «О радиационной безопасности населения» установлены допустимые пределы доз  в результате использования источников ионизирующего излучения. Средняя годовая эффективная доза облучения, зиверит, составляет: для населения в течение 1 года – 0,001, 70 лет – 0,07; для специалистов в течение 1 года – 0,02, 50 лет – 1,0.

Особо тяжелые условия  облучения населения и работников создаются при радиационных авариях.

3. Источники  ионизирующих лучей.

Источником  ионизирующего   излучения   называют   объект,   содержащий радиоактивный  материал,  или  техническое   устройство,   испускающее   или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение.

Источники ионизирующих излучений подразделяются на природные и искусственные.

К природным источникам относятся космическое излучение и природные радионуклиды, содержащиеся в окружающей среде и поступающие в организм человека с воздухом, водой и пищей. Искусственные источники излучения разделяются на медицинские (диагностические и радиотерапевтические процедуры) и техногенные (искусственные и специально сконцентрированные человеком природные радионуклиды, генераторы ионизирующего излучения и др.).

Радиация (от латинского слова radiatio - излучение) характеризуется  лучистой энергией. Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Они возникают в результате естественных или искусственных радиоактивных распадов веществ, ядерных реакций деления в реакторах, ядерных взрывов и некоторых физических процессов в космосе. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучение, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов. Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е. образование заряженных атомов или молекул - ионов.

Альфа-частицы имеют  незначительный пробег (данные пробега  альфа-частиц приведены в зависимости  от энергии.):

· в воздухе - до 11 см;

· в биологических тканях - 30-130 мкм;

· в алюминии - 16-69 мкм.

Бета-частицы обладают большей проникающей и меньшей  ионизирующей способностью, чем альфа-частицы.

Пробег бета-частиц составляет:

· в воздухе несколько  метров;

· в биологических  тканях – несколько сантиметров;

· в алюминии – несколько  миллиметров.

Важнейшим свойством  рентгеновского излучения является его большая проникающая способность.

Источниками ИИ могут  быть природные и искусственные  радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства (дефектоскопия металлов, контроль качества сварных соединений). Они используются также в сельском хозяйстве, геологической разведке, при борьбе со статическим электричеством и др.

    Любой источник  излучения характеризуется:

1. Видом  излучения  –   основное   внимание   уделяется   наиболее   часто встречающимся на практике источникам (рентгеновского излучения,                          нейтронов, α-, β-, γ- частиц).
2. Геометрией источника  (формой  и  размерами)  –  геометрически  источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные  источники    представляют суперпозицию точечных источников и могут быть  линейными,  поверхностными или  объемными  с  ограниченными,   полубесконечными   или   бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой источник,  максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и  длины свободного  пробега  в  материале  источника  (ослаблением  излучения   в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину  много меньшую, чем  расстояние  до  точки  детектирования  и  длина  свободного пробега  в  материале  источника.   В   объемном   источнике   излучатели распределены в трехмерной области пространства.
3. Мощностью  и  ее  распределением  по  источнику  –  источники  излучения наиболее часто  распределяются  по  протяженному  излучателю  равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.
4. Энергетическим составом – энергетический  спектр  источников  может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы  нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).
5. Угловым  распределением   излучения   –   среди   многообразия   угловых распределений излучений источников для решения  большинства  практических задач достаточно рассматривать следующие:  изотропное,  косинусоидальное, мононаправленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать  в  виде  комбинаций  изотропных  и   косинусоидальных   угловых распределений излучений.

Специалисты и другие работники могут сталкиваться с  ионизирующими излучениями при  выполнении работ на ускорителях заряженных частиц (синхрофазотронах), а также на атомных электростанциях, урановых рудниках и др.

Некоторые характеристики основных радиоактивных элементов представлены в таблице.

Рентгеновское излучение  представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и короткой длиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, мощных генераторах, в выпрямительных лампах, электронно - лучевых трубках и др.

Гамма-излучение относится  к электромагнитному излучению  и представляет собой поток квантов  энергии, распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на: быстрые; сверхбыстрые; промежуточные; медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения.

Источниками ионизирующих излучений являются радиоактивные элементы и их изотопы,   ядерные   реакторы,   ускорители   заряженными   частиц   и   др. рентгеновские  установки  и  высоковольтные   источники   постоянного   тока относятся к источникам рентгеновского излучения.

Здесь следует отметить,  что  при  нормальном  режиме  их  эксплуатации

радиационная  опасность  незначительна.  Она  наступает  при   возникновении

аварийного режима и может долго  проявлять себя при  радиоактивном  заражении местности. Радиоактивный фон, создаваемый космическими лучами (0,3 мЭв/год),  дает чуть меньше половины всего внешнего облучения  (0,65 мЭв/год),  получаемого населением. Нет такого места на Земле,  куда  бы  ни  проникали  космические лучи. При этом надо отметить, что Северный и Южный  полюса  получают  больше радиации, чем экваториальные районы. Происходит это из-за  наличия  у  Земли магнитного поля, силовые линии которого входят и выходят у полюсов.

Однако более существенную роль играет место  нахождения  человека.  Чем выше поднимается он над уровнем моря, тем сильнее становится облучение,  ибо толщина воздушной прослойки и ее плотность по мере  подъема  уменьшается,  а следовательно, падают защитные свойства.

ГОСТ  Р 51873-2002 – Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Общие технические требования. Введен в действие в 2003 г. Стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений. Не распространяется на образцовые и контрольные источники, а также на источники, активность радионуклидов в которых не превышает минимально значимой, установленной «Нормами радиационной безопасности».

Согласно стандарту  источники должны быть герметичными, с установленными классами прочности, допустимых климатических и механических воздействий по ГОСТ 25926 (но не ниже диапазона от -50 до +50^оС и влажности не менее 98% при +40^оС). Срок службы источника должен быть не менее:

— двух периодов полураспада - для источников с периодом полураспада менее 0,5 года;

— одного периода полураспада (но не менее 1 года) - с периодом полураспада от 0,5 до 5 лет;

— 5 лет - для источников гамма- и нейтронного излучений с периодом полураспада 5 и более лет. Для источников альфа-, бета- и рентгеновского излучений с периодом полураспада 5 и более лет срок службы устанавливают в нормативном документе на конкретный тип источника.

Источники относятся к невосстанавливаемым промышленным изделиям и не подлежат ремонту. При сохранении радиационных параметров в пределах, удовлетворяющих пользователя, сохранении герметичности и отсутствии дефектов допускается продление срока эксплуатации источника. Порядок продления устанавливают органы государственного управления использованием атомной энергией.

4. Дозиметрические  величины и единицы измерения  радиации.

Во всем мире сейчас действует  единая система измерений - СИ (система интернациональная). У нас она подлежит обязательному применению с 1 января 1982 г. К 1 января 1990 г. этот переход надо было завершить. Но в связи с экономическими и другими трудностями процесс затягивается. Однако вся новая аппаратура, в том числе и дозиметрическая, как правило, градуируется в новых единицах.

Активность  радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt):

A = dN/dt  

 Единица активности  в системе СИ - Беккерель (Бк). 
   Внесистемная единица - Кюри (Ки).   

 Число радиоактивных  ядер N(t) данного изотопа уменьшается  со временем по закону:

N(t) = N₀ exp(-tln2 / T_1/2) = N₀ exp(-0.693t / T_1/2)

где N_o - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, Т_1/2 -период полураспада - время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Массу m радионуклида активностью  А можно рассчитать по формуле :

m = 2.4*10^-24 M T_1/2 A

где М - массовое число  радионуклида, А - активность в Беккерелях, T_1/2 - период полураспада в секундах. Масса получается в граммах.

Экспозиционная  доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :

X = dQ/dm

Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и 
-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08*10⁹ пар ионов (2.08*10⁹ = 1/(4.8*10^-10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная :    (2.08*10⁹)*33.85*(1.6*10^-12) = 0.113 эрг,     а одному грамму воздуха :     0.113/ _возд ⁼ 0.113/0.001293 = 87.3 эрг. 
Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме :

D = dE/dm

Единица поглощенной  дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица  Рад определялась как поглощенная  доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного  вещества.

Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще - коэффициент качества излучения) 

Единицей измерения  эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).