ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ σε ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ & ΑΝΘΡΩΠΟ. Α. Αραβαντινός Καθ. Φυσικής ΤΕΙ Αθήνας

Transcript

1 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ σε ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ & ΑΝΘΡΩΠΟ Α. Αραβαντινός Καθ. Φυσικής ΤΕΙ Αθήνας

2 Σταθμοί στην Εξέλιξη της Ατομικής Πυρηνικής Φυσικής 1896 Ραδιενέργεια (H. Bequerel, ουράνιο) 1919 Φυσική Μεταστοιχείωση (E.Rutherford ) 1932 Τεχνητή Μεταστοιχείωση (J. Chadwick) 1939 Πυρηνική Σχάση (Otto Hahn) ος Πυρηνικός Αντιδραστήρας (E. Fermi) 1956 Θερμοπυρηνική Σύντηξη (Hans Bethe)

3 Ταξίδι στον άγνωστο Μικρόκοσμο Τυπικές Διαστάσεις (m) Ενέργεια σύνδεσης Μικρόβιο 10-7 Μόριο ev / άτομο Άτομο Πυρήνας MeV / νουκλεόνιο Νουκλεόνιο Quark < 10-18

4 Ενέργεια (Joule) (MeV) Σχάση ενός πυρήνα ουρανίου (U) 3.2 x Ενέργεια ενός Push up 3.0 x x Μπαταρία ενός ηλεκτρικού φακού 7.0 x x Ενέργεια για μισή ώρα κολύμβηση 3.1 x x Η βόμβα της Χιροσίμας 2.1 x x Πυρηνικό όπλο ενός μεγατόνου 4.2 x x Ενέργεια εξαΰλωσης 1Kg ύλης 9.0 x x 10 29

5 Ισχύς (Watt) Έντομο σε πτήση 1 x 10-3 Ανθρώπινη καρδιά 3 Ηλεκτρικό ψυγείο κατοικίας 1.5 x 10 2 Έγχρωμη τηλεόραση 5.0 x 10 2 Δρομέας, αθλητής 1.7 x 10 3 Κινητήρας αυτοκινήτου 1.0 x 10 5 Ηλεκτροπαραγωγός ενεργειακή μονάδα 3.2 x 10 8 Πυρηνικός αντιδραστήρας 1.0 x 10 9

6 Πυκνότητα ( g / cm 3 ) Ενδο αστρικός xώρος Εργαστηριακό κενό Αέρας ( 0 C, 1 atm) 1.3 x 10-3 Νερό (0 C, 1 atm) 1.0 Αλουμίνιο 2.7 Υδράργυρος 13.6 Μέση τιμή φλοιού της γης 5.52 Πυρήνας 10 14

7 Διάγραμμα συνολικής κατάταξης πυρήνων (Segre chart)

8 Ραδιενεργό υλικό Υλικό στο οποίο οι πυρήνες διασπώνται εκπέμποντας στο περιβάλλον ενέργεια. Η πιθανότητα να διασπαστεί ένας πυρήνας στη μονάδα του χρόνου είναι σταθερή. Τα προϊόντα της διασπάσεως αυτής είναι : Σωμάτια - α Σωμάτια - β Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - γ

9 Κατηγορίες ραδιενεργού ακτινοβολίας

10 Ραδιενέργεια Ποσότητα ραδιενεργού υλικού όπου υφίσταται διασπάσεις στην μονάδα του χρόνου. Μονάδες : 1 Ci = 3.7 x διασπάσεις / s Πρόκειται για τις διασπάσεις που δημιουργεί η ποσότητα 1g από το ραδιενεργό ράδιο. 1Bq = 1 διάσπαση / s

11 Έκθεση (ή ποσότητα ακτινοβολίας) Αποτέλεσμα της ραδιενέργειας (ιονισμός) που συμβαίνει σε ένα κυβικό εκατοστό αέρα. Ισχύει για τις ακτίνες X και ακτινοβολία γ με μονάδα το : 1 Roentgen (1R) = 2.58 x 10-4 Cb / Kg αέρα Ορίστηκε για πρώτη φορά το 1928 (ακτίνες Χ) και επανακαθορίστηκε το 1937.

12 Αποροφούμενη Δόση Αποροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα μάζας υλικού. Μονάδες : 1 rad = 0.01 J/Kg προφανώς 1 gray = 100 rad, 1 gray = 1Gy = 1 J/Kg Ισχύει και για τις 3 κατηγορίες ραδιενέργειας.

13 Ενεργός Ισοδύναμη Δόση D.E. = D (rad) x (R.B.E.) Πρόκειται για δόση οποιασδήποτε ιοντίζουσας ακτινοβολίας η οποία είναι βιολογικά ισοδύναμη με την δόση ενός rad από ακτινοβολία X ή γ. 1rem = 1 rad x (R.B.E.) 1Sv = 1 gray x (R.B.E.) = 100rem R.B.E. = 1 (ακτίνες Χ, γ, β) R.B.E. = 10 (ταχέα νετρόνια) R.B.E. = 20 (σωμάτια α)

14 Έκθεση Δόση Ισοδύναμη δόση Η ισοδύναμη δόση καθορίζει το βιολογικό αποτέλεσμα ορισμένης ακτινοβολίας και είναι η απορροφημένη δόση που πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή ποιότητας που χαρακτηρίζει την ικανότητα της ακτινοβολίας να προξενεί βιολογικές βλάβες.

15 Ετήσια ενεργή ισοδύναμη δόση (συνολικά : 2.8 msv/y) Φυσικές Πηγές (msv/y) Τεχνητές πηγές (msv/y) Ραδόνιο 1.2 Ακτινογραφίες 0.61 Κοσμική Ακτινοβολία 0.27 Τηλεόραση 0.02 Γήινη 0.28 Πυρηνικές Δοκιμές 0.04 Εσωτερική Ακτινοβολία 0.39 Πυρηνικοί σταθμοί Σύνολο : 2.14 Σύνολο : 0.672

16 Ετήσια ενεργή ισοδύναμη δόση (συνολικά : 2.8 msv/y)

17 Νόμος Ραδιενεργών μετατροπών dn (t) = - N λ dt και έτσι ο νόμος των ραδιενεργών μετατροπών : N (t) = N o e λ t Χρόνος ημι ζωής : τ ½ = ln2 / λ Π.χ. Η ραδιενεργή σειρά Ουρανίου (U 238) έχει χρόνο ημι ζωής 4.47 x 10 9 y με τερματικό πυρήνα τον Pb 206.

18 Φυσική Ραδιενέργεια Αρχέγονοι Πυρήνες Χρόνος ημι ζωής Πυρήνες από δράση της Κοσμικής Ακτινοβολίας Χρόνος ημι ζωής Ανθρώπινη δραστηριότητα Χρόνος ημι ζωής U x 10 8 y C y H y U x10 9 y I d Th x y H y I x 10 7 y Ra x 10 3 y Cs y Rn d Be d Sr y K x 10 9 y Pu x 10 4 y

19 Πηγές Ραδιενέργειας

20 Ραδιενεργός δραστηριότητα σε Bq/g στοιχείου (ενεργότητα) Ραδιενεργό Στοιχείο Χρόνος υποδιπλασιασμού Αριθμός πυρήνων Διασπάσεις ανά sec I d 4.6 x x Cs y 4.4 x x Ra y 2.8 x x U x 10 8 y 2.6 x x 10 4 U x 10 9 y 2.5 x x 10 4

21 Ενεργή Ισοδύναμη Δόση από ακτινοδιαγνωστικές εξετάσεις (1990) Διαγνωστική μέθοδος Ενεργός Δόση (msv) Ισοδύναμη περίοδος φυσικής ακτινοβολίας περιβάλλοντος Ακτινογραφία Θώρακος d Ακτινογραφία Ισχύου d Ακτινογραφία Κοιλίας d Βαριούχος Υποκλυσμός y Τομογραφία Θώρακα y Μελέτες με ραδιοϊσότοπα Πνεύμονες (Xe 133) d Νεφρά (Tc 99m) d Θυρεοειδούς αδένα ( Tc 99m) d

22 Ραδόνιο Το 47% της συνολικής δόσης που κατά μέσο όρο δέχεται ο πληθυσμός από την ραδιενέργεια οφείλεται στο Ραδόνιο (Rn 222) Πρόκειται για αέριο, άχρωμο, άοσμο, άγευστο που υπάρχει στη φύση και κυκλοφορεί ελεύθερο (αλυσίδα U 238). Ra > Rn > Po > (Στερεό) (Αέριο) (Στερεό)

23 Ραδιενεργός σειρά (U 238)

24 Ραδόνιο

25 Παράγοντες που επηρεάζουν την συγκέντρωση Ραδονίου στο εσωτερικό της κατοικίας Περιεκτικότητα των εδαφών θεμελίωσης σε Ra 226 Η διαπερατότητα αλλά και το πορώδες του εδάφους Θεμελίωση της οικοδομής (είδος, παλαιότητα, πόροι) Ο αριθμός των ορόφων της οικοδομής Περιεκτικότητα των οικοδομικών υλικών σε Ra 226 Τρόπος θέρμανσης, αερισμού ή κλιματισμού Κλίμα και τρόπος ζωής των κατοίκων

26 Ραδόνιο και Ελληνική Κατοικία Στην Ελλάδα το υπέδαφος είναι σχετικά φτωχό σε Ra 226. Τα νέα κτίσματα είναι πολυώροφα ειδικά στα αστικά κέντρα. Υπάρχει έντονος αερισμός ακόμη και στην διάρκεια του χειμώνα. Η διάρκεια διαβίωσης εντός οικίας είναι (ακόμη) σχετικά μικρή. Τα οικοδομικά υλικά είναι τυποποιημένα και έτσι ελέγχονται εύκολα.

27 Δίκτυο μέτρησης ρυθμού δόσης σε Ελληνικές πόλεις (ενδεικτικές τιμές) Πόλη γ - ακτινοβολία (nsv / h) Πόλη γ - ακτινοβολία (nsv / h) Νέα Φιλαδέλφεια 42.5 Καβάλα 90.0 Σέρρες Σούδα 57.7 Θεσσαλονίκη 57.6 Κέρκυρα 67.5 Ιωάννινα 82.9 Άργος 61.3 Μεγαλόπολη 74.3 Κομοτηνή 78.0 Λαμία 46.9 Πάτρα 49.7

28 Τηλεμετρικό δίκτυο ΕΕΑΕ

29 Chernobyl,

30 Διασπορά Ραδιενεργού νέφους

31 Πρόσθετη Επιβάρυνση μέσου Έλληνα από το Πυρηνικό Ατύχημα στο Chernobyl ( ) Εξωτερική ακτινοβόληση : msv Διατροφή : msv Εισπνοή : 0.04 msv Νερό : 0.01 msv Συνολικά «μέση τιμή» : msv

32 Fukushima - Daichii,

33 Fukushima, Κοντινός σεισμός προκαλεί μεγάλο τσουνάμι. Καταστρέφονται τα συστήματα ψύξης στους έξη αντιδραστήρες. Στους αντιδραστήρες 1,2 και 3 τήξη καρδιάς. Το αποθηκευμένο πυρηνικό καύσιμο στον 4 ο αντιδραστήρα αναφλέγεται ανθρώπινοι θάνατοι και αγνοούμενοι άνθρωποι απομακρύνθηκαν σε ακτίνα μεγαλύτερη από 25Km. Η γύρω περιοχή ακατοίκητη για δεκαετίες.

34 Εφαρμογές Ραδιενέργειας Προσδιορισμός ηλικίας ιστορικών ευρημάτων ή πετρωμάτων του πλανήτη (U-238 / U-235). Χρονολόγηση με άνθρακα 14 (C 14). Χρονολόγηση με τρίτιο (H - 3). Γεωργία, ιχνηθέτιση με ραδιενεργό φωσφόρο, στείρωση καταπολέμηση δάκου. Βιομηχανία, π.χ. έλεγχος πάχους υλικών, διαπίστωση φθορών σε επιφάνειες.

35 Εφαρμογές Ραδιενέργειας Ιατρική : διάγνωση μέσω ακτινογραφίας. Ιατρική : θεραπεία μέσω ακτινοβολίας σε δερματοπάθειες ή καρκίνους σε αρχικό στάδιο. Ιατρική : Μικρές «γεννήτριες» που εμφυτεύονται στο ανθρώπινο σώμα ( π.χ. βηματοδότες). Αποστείρωση ιατρικών συσκευών, σύριγγες, γάντια, καθετήρες, επιδεσμικό υλικό. Συντήρηση τροφίμων μέσω ακτινοβόλησης.

36 Εφαρμογές Ραδιενέργειας

37 Εφαρμογές Ραδιενέργειας Εξάλειψη στατικού ηλεκτρισμού, αλεξικέραυνα, αεροπλάνα. Ραδιογραφίες, ναυπηγεία, βιομηχανία. Αρχαιολογία, ακτινογραφίες αρχαίων αντικειμένων. Συντήρηση έργων τέχνης μέσω ακτινοβόλησής τους για εξόντωση μικροοργανισμών. Ανίχνευση ιχνοστοιχείων, εξαγωγή συμπερασμάτων, εγκληματολογία.

38 Επίδραση ραδιενεργού ακτινοβολίας σε ζώντες οργανισμούς Η έκταση της καταστροφικής επίδρασης εξαρτάται από την συχνότητα του φαινόμενου, την ενέργεια και την ποσότητα της ακτινοβολίας καθώς και τον χαρακτήρα του μηχανισμού απορρόφησης. Οι βιολογικές επιδράσεις είναι κυρίως : Σωματικές (π.χ. λευκοπενία, τριχόπτωση, βλάβη στο μυελό των οστών) αλλά και Γενετικές (π.χ. εξασθένηση κυττάρου, παρεμπόδιση της κυτταρικής διαίρεσης, πιθανή μετάλλαξη στα κύτταρα αναπαραγωγής).

39 Πιθανά βιολογικά αποτελέσματα ακτινοβολιών Μη στοχαστικά (Δεν υπάρχει δόση κατωφλίου) Πρόκειται για σχεδόν ΑΜΕΣΑ αποτελέσματα π.χ. καταρράκτης οφθαλμού, καταστροφή αιμοφόρων αγγείων, ελάττωση γονιμότητας. Στοχαστικά (Υπάρχει δόση κατωφλίου) Πρόκειται για αποτελέσματα που η εμφάνιση τους ΚΑΘΥΣΤΕΡΕΙ π.χ. καρκίνος, γενετική επιβάρυνση.

40 Βιολογικό αποτέλεσμα δόσης

41 Ακτινοβολία χαμηλής δόσης Κάθε δόση όσο μικρή και αν είναι εμπεριέχει την πιθανότητα δημιουργίας δυσμενών συνεπειών για την ανθρώπινη υγεία. Ωστόσο, για δόσεις μικρότερες από 50 msv/y η πιθανότητα αυτή θεωρείται σήμερα τόσο μικρή που οι συνέπειες της δεν μπορεί να είναι παρατηρήσιμες. Δεν υπάρχει ασφαλές επίπεδο ραδιενεργού ακτινοβολίας.

42 Αρχές Ακτινοπροστασίας (ICRP) Κάθε δραστηριότητα που συνεπάγεται έκθεση σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες πρέπει να τεκμηριώνεται με το όφελος που αυτή επιφέρει (Justification). Όλες οι εκθέσεις πρέπει να διατηρούνται στο χαμηλότερο λογικά εφικτό επίπεδο, έχοντας υπ όψη τους οικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες (ALARA : As Low As Reasonably Achievable). Το άθροισμα των δόσεων από διάφορες οδούς έκθεσης δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει ορισμένα όρια (Dose limits, 5 msv/y για τον γενικό πληθυσμό)

43 LNT : Linear non threshold hypothesis Γραμμική απόκριση αποτελέσματος δόσης χωρίς να υπάρχει κάτω όριο. Η ενεργός δόση 1000mSv σε 100 άτομα Η ενεργός δόση 10mSv σε άτομα Η ενεργός δόση 0.01mSv σε άτομα Προβλέπεται να προκαλέσουν τον ΙΔΙΟ ΑΡΙΘΜΟ ΕΠΙΠΛΕΟΝ καρκίνων

44 Ραδιενεργός Ρύπανση οικοσυστήματος

45 Βιολογική διάσπαση Η απομάκρυνση από τον ανθρώπινο οργανισμό μιας ραδιενεργού ποσότητας εξαρτάται από : τον Ραδιενεργό (φυσικό) χρόνο ημιζωής Τ φ καθώς και τον Βιολογικό χρόνο ημιζωής Τ β. Μάλιστα ο συνολικός (ενεργός) χρόνος υποδιπλασιασμού Τ δίνεται από την σχέση : 1 / Τ = 1 / Τ φ + 1 / Τ β

46 Βιολογική διάσπαση Ενδεικτικές τιμές χρόνων ημιζωής Ραδιενεργός Βιολογικός H x 10 3 d 11.3 d I d 138 d U x d 300 d Pu x 10 6 d 7.3 x 10 4 d

47 Προσεγγιστικός υπολογισμός μέσης, ετήσιας ενεργού δόσης Γεωγραφική τοποθεσία διαμονής, υψόμετρο. Κατασκευή κατοικίας (τσιμέντο, πέτρα, ξύλο, μέταλλο). Αεροπορικά ταξίδια (συχνότητα ανά έτος, προορισμός). Παρακολούθηση TV, οθόνη υπολογιστή. Ύπαρξη ανιχνευτή καπνού, ρολόι με φθορίζουσα οθόνη. Τεχνητή οδοντοστοιχία πορσελάνης, ύπαρξη βηματοδότη. Εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής, ακτινογραφίες Χ. Απόσταση διαμονής από πυρηνικό σταθμό σε λειτουργία. Απόσταση διαμονής από ατμοηλεκτρικό σταθμό σε λειτουργία.

48 Ραδιενέργεια περιβάλλοντος Προβλήματα μετρητικής διαδικασίας Τρόπος δειγματοληψίας. Επεξεργασία δείγματος για την μέτρηση. Ομοιότητα της ακτινοβολίας υποβάθρου με αυτή του δείγματος. Χαμηλές συγκεντρώσεις αυξάνουν το σφάλμα της μέτρησης. Διαχρονική ρύπανση και των μετρητικών συστημάτων (αύξηση υπόβαθρου).

49 Συμπερασματικά σχόλια Το φυσικό περιβάλλον είναι υπεύθυνο για ένα ποσό ραδιενεργού δόσης σε κάθε ζωντανό οργανισμό στην επιφάνεια της γης. Το ίδιο το ανθρώπινο σώμα περιέχει ραδιενεργά άτομα (K 40, C 14, H - 3 κ.α.). Τα ραδιενεργά άτομα συσσωρεύονται διαφορετικά στα διάφορα μέρη του ανθρώπινου σώματος.

50 Συμπερασματικά σχόλια Μικρές ποσότητες ραδιενεργών ατόμων ανιχνεύονται μόνο από την χαρακτηριστική τους εκπεμπόμενη ακτινοβολία και όχι με χημικούς τρόπους (χημική συμπεριφορά ίδια). Επικίνδυνες είναι οι τροφές που περιέχουν ραδιενεργά υλικά και όχι αυτές που έχουν ακτινοβοληθεί (διαδικασία αποστείρωσης). Οι συνέπειες της ραδιενεργού ακτινοβολίας στον ανθρώπινο οργανισμό έχουν στατιστικό χαρακτήρα.

51 Βιβλιογραφία Εμείς και η Ραδιενέργεια, Παν. Εκδόσεις Κρήτης Π.Ε.Κ «Ραδιενέργεια Περιβάλλοντος» 1 ο Πανελλήνιο Συνέδριο, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, Νοέμβριος Nuclear Energy : its physics and its social challenge, D. R. Inglis Addison Wesley ed., Πυρηνική Τεχνολογία, Μ. Γ. Αγγελόπουλου, ΕΜΠ Πυρηνική Ενέργεια και Κοινωνία, Θ. Κ. Γεράνιου, Παν. Αθήνας 2003.

52 Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας