Радиационная авария, ионизирующее излучение и радионуклиды
Радиационная авария – это опасное техногенное происшествие на радиационно опасном объекте, сопровождающееся выходом радиоактивных веществ или ионизирующих излучений за предусмотренные проектом границы в количествах, превышающих установленные этим проектом значения. Радиационно опасным объектом называют объект, на котором хранят, перерабатывают, используют или транспортируют радиоактивные вещества, при аварии на котором может произойти облучение ионизирующим излучением или радиоактивное загрязнение окружающей среды. Радиоактивное загрязнение есть загрязнение земной поверхности, атмосферы, воды, продовольствия, пищевого сырья, кормов, промышленной продукции и т.п. радиоактивными веществами в количествах, превышающих уровни, установленные нормами радиационной безопасности и правилами работы с этими веществами.
К радиационно опасным объектам относятся: предприятия ядерного топливного цикла; исследовательские ядерные установки различного назначения; судовые ядерные энергетические установки; предприятия, использующие в своих технологиях радиоактивные вещества. Ядерный топливный цикл включает в себя добычу руды, обогащение урана, изготовление тепловыделяющих элементов, использование ядерного топлива в реакторах атомных электрических станций, регенерацию ядерного топлива. Цикл завершается утилизацией и захоронением радиоактивных отходов.
Радиационная обстановка на территории ИСК определяется:
· условиями эксплуатации радиационно опасных объектов;
· наличием загрязнённых радионуклидами территорий;
· радиоактивным фоном, обусловленным проводившимися ранее испытаниями ядерного оружия;
· естественной радиоактивностью веществ, включая излучения, приходящие из космоса.
Источником ионизирующего излучения является радиоактивное вещество или устройство, способное испускать ионизирующие излучения.
Ионизирующее излучение – это излучение, которое создаётся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. Ионизирующее излучение может быть непосредственно ионизирующим и косвенно ионизирующим. Непосредственно ионизирующим излучением называется излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении. Косвенно ионизирующим излучением называется излучение, состоящее из незаряженных частиц, которые, в свою очередь, могут создавать непосредственно ионизирующее излучение или вызывать ядерные превращения. Основными видами ионизирующих излучений, способных возникнуть при радиационных авариях, являются a-, b-, g- и нейтронное излучение.
Альфа-излучение – это корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение, состоящее из a-частиц, образованных двумя протонами и двумя нейтронами, близких по структуре ядрам атома гелия. Обычно a-частицы испускаются при радиоактивном распаде тяжелых нуклидов, например:
;
где He – альфа-частица; Ra – ядро атома радия с атомным номером 88 и массовым числом 226; Rn – ядро атома радона.
Бета-излучение есть корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение, состоящее из отрицательно и положительно заряженных электронов и позитронов. b-частицы испускаются при радиоактивном распаде, например:
;
где е-1 – b-частица; K, Ca – ядра атомов калия и кальция.
Гамма-излучение – это фотонное косвенно ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или аннигиляции частиц.
Нейтронное излучение есть корпускулярное косвенно ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц – нейтронов. Нейтроны испускаются при делении тяжелых радиоактивных элементов, например:
;
где n – нейтрон; U, Kr, Ba – ядра атомов урана, криптона и бария.
При взаимодействии с веществом наибольшей ионизирующей способностью обладают a-частицы и b-частицы, наибольшей проникающей способностью – g- частицы и нейтроны.
К радиоактивным веществам относятся вещества, содержащие в своём составе радионуклиды. Радионуклидами называются радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов – с данным энергетическим состоянием атомного ядра.
Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Радиоактивные вещества вошли в состав Земли с момента её образования, поэтому ионизирующие излучения всегда сопровождают биосферные процессы. В качестве меры радиоактивности принята физическая величина, называемая активностью. Для определённого количества радионуклида в определённом энергетическом состоянии в данный момент времени активность выражается в следующем виде:
,
где dN – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений от данного энергетического уровня за интервал времени dt.
Активность радионуклида связана с числом радиоактивных атомов:
,
где N – число радиоактивных атомов в определённом количестве радионуклида; l – постоянная распада, характеризующая вероятность распада на один атом в единицу времени, 1/c; T1/2 – период полураспада радионуклида, представляющий время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер этого радионуклида, с.
Единицей измерения активности является обратная секунда, имеющая название Беккерель: 1 Бк=1 с-1; внесистемная единица активности – Кюри: 1 Кu = 3,7×1010 Бк.
Активность нуклида уменьшается во времени по закону радиоактивного распада:
,
где А0 – активность радионуклида в момент времени t=0.
Количество радиоактивного вещества можно выразить не только в единицах активности, но и в единицах массы. Масса, г, радионуклида без учёта массы неактивной части вещества выражается:
,
где СА – атомная масса нуклида.
Основными естественными радионуклидами, встречающимися в твёрдых и горных породах Земли, являются: калий–40; рубидий–87; члены трёх радиоактивных семейств, берущих начало от тория–232, урана–235 и урана–238. Период полураспада урана–238 составляет Т1/2 = 4,47×109 лет; после 14 ступеней самопроизвольных превращений нестабильных нуклидов цепочка распада урана–238 оканчивается образованием стабильного свинца–206. Всего в природе известно около 70 естественных радионуклидов.
Искусственные радионуклиды образуются в ядерном топливном цикле, в ядерных реакторах и при ядерных взрывах. Ядерные реакторы атомных электрических станций генерируют свыше 600 радионуклидов, состав и радиационные характеристики которых зависят от типа ядерного реактора. Существенную роль в формировании радиационной обстановки в районе расположения атомных станций играют инертные радиоактивные газы и изотопы йода. В состав продуктов деления входит до 18 изотопов криптона, 15 изотопов ксенона и 20 изотопов йода, большинство из которых имеет Т1/2<1мин. Наибольшую опасность представляют прежде всего долгоживущие нуклиды. Источниками фотонного излучения являются: цезий–134 (Т1/2 =2,062 года), цезий/барий–137 (Т1/2 =30,14 года), рутений/родий–106 (Т1/2 =371,6 суток), церий/празеодим–144 (Т1/2 =285,8 суток), цирконий/ниобий–95 (Т1/2 =63,98 суток) и др. Источниками b-излучения являются: углерод–14 (Т1/2 =5730 лет), натрий–22 (Т1/2 =2,6 года), кальций–45 (Т1/2 =164 суток), кобальт–60 (Т1/2 =5,26 года), криптон–85 (Т1/2 =10,74 года), стронций–90 (Т1/2 =28,5 года), сурьма–125 (Т1/2 =2,53 года) и др.
Определённую опасность представляют собой радионуклиды, образующиеся при активации ядер теплоносителя, продуктов коррозии и веществ околореакторного воздушного пространства.