Источники радиации

Источники радиации

                                      Естественные источники радиации
Естественными радиоактивными веществами принято считать вещества, которые образовались и воздействуют на человека без его участия.
Земная кора, вода, воздух всегда содержат радиоактивные элементы. Человек, как обитатель этой среды, также немного радиоактивен, так как основную часть облучения он получает от естественных источников радиации. Избежать облучения от естественных источников радиации совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли, излучения из космоса, облучают земную цивилизацию, которая адекватно адаптировалась к ней.

1.1. Космические лучи
Радиационный фон, от космических лучей, ответственен за половину всего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.
Космические лучи представлены высокоэнергетическими потоками (примерно 90%), альфа-частицами (около 9%), нейтронами, фотонами, электронами и ядрами легких элементов (1%). Однако планета Земля, входящая в Солнечную систему, имеет свои защитные механизмы от радиационных воздействий, иначе жизнь на Земле была бы невозможна.
На расстоянии от одного до восьми земных радиусов космические частицы отклоняются магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли создаёт мощную защиту для человека от космической радиации, хотя и не абсолютную. Часть высокоэнергетических частиц прорывается через магнитное поле и достигает верхних слоев атмосферы. Немногие из них проникают через всю атмосферу и достигают поверхности Земли. Большинство же, сталкиваясь с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействуют с ядрами этих атомов, разбивая их, рождая множество новых частиц протонов, нейтронов, мезонов, мезонов, образующих вторичное космическое излучение.
Защититься от этого невидимого "космического душа" невозможно. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше космической радиации, чем экваториальные области, так как влияние магнитного поля Земли здесь меньше. Уровень облучения существенно растет с высотой, так как уменьшается слой воздуха, играющего защитную роль Космические лучи, проходя сквозь атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых сегодня насчитывается около 20. Однако более значительными из них являются изотоп водорода - тритий и углерод-14.
Заряженные частицы, попадая в магнитное поле Земли, образуют так называемые радиационные пояса Земли. Выходу заряженных частиц из радиационных поясов Земли мешает особая конфигурация направлений линий магнитной напряженности, создающих магнитную ловушку. Радиационные пояса Земли были открыты американским ученым Дж. Ван Алленом и русскими физиками С.Н. Верновым и А.Е. Чудановым.
Заряженные частицы в магнитном поле движутся по-разному в зависимости от соотношения плотностей магнитной кинетической энергии. Примерно на расстоянии 10-ти земных радиусов поток заряженных частиц встречает сильное магнитное поле и под действием силы Лоренца изменяется направление их движения. Движение потока заряженных частиц можно представить, как колебательное движение но спиральной траектории вдоль силовых линий магнитного поля из Северного в Южное полушарие и обратно.
Одно колебание вдоль силовой линии из Северного в Южное полушарие протон с энергией 100 МэВ совершает приблизительно за 3 секунды, а время его нахождения в магнитном поле составляет около 100 лет. При этом совершается до 10¹⁰ колебаний. В зависимости от энергии и заряда, частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток, двигаясь в западном и восточном направлениях.
Радиационные пояса Земли можно подразделить на внутренний и внешний. Во внутреннем радиационном поясе находятся протоны высоких энергий и электроны. На нижней границе внутреннего пояса на расстоянии 200-300 км от поверхности Земли заряженные частицы испытывают столкновения с атомами и молекулами атмосферы и меняют свою энергию, поглощаясь атмосферой. Во внешнем радиационном поясе находятся электроны с энергией до 100 КэВ и временем «жизни» 10⁵-10⁷ с.
Пояс протонов малых энергий (до 10 МэВ) находится между внутренним и внешним поясами Земли. Зона квазизахвата расположена за внешним поясом и имеет сложную конфигурацию, зависимую от плотности потока космических лучей солнечного ветра.
В годы активного солнца плотность потока энергии солнечного ветра усиливается, граница радиационных поясов отодвигается дальше и становится большим препятствием для космических лучей.
В результате этого, с временной задержкой около года происходит возрастание интенсивности космических лучей на Земле. Время задержки определяется расстоянием, которое проходит солнечный ветер до границ магнитосферы. Радиационные пояса Земли представляют серьезную опасность для экипажей космических кораблей при длительных полетах в околоземном пространстве, если их орбита проходит через область радиационных поясов. Длительное пребывание космических кораблей в радиационном поясе приводит к переоблучению экипажей, выходу из строя оптических приборов и солнечных батарей, находящихся на корабле. В связи с этим проводятся интенсивные исследования при помощи спутников, специальных зондов по определению координат радиационных поясов Земли, а также рассчитываются орбиты космических кораблей для снижения действия радиационного фактора.

1.2. Земная радиация
Как описано выше, земная радиация была открыта более 100 лет назад.
В основном, ответственность за естественную земную радиацию несут три семейства радиоактивных элемента - уран, торий и актиний. Указанные радиоактивные элементы нестабильны и, в результате физических превращений, переход в стабильное состояние, сопровождается выделением энергии или ионизирующим излучением.
Главными источниками земной радиации являются радиоактивные элементы, содержащиеся в горных породах, которые образовались в результате геофизических процессов. Наибольшее содержание радиоактивных элементов содержится в гранитных породах и вулканических образованиях. Средняя концентрация радиоактивных изотопов калия-40, Ra-226, Th-232 колеблется у них от 10² до 10³ Бк/кг. В течение эволюционных процессов радиоизотопы мигрируют, участвуя в метрологических и геохимических формированиях окружающей среды. В результате соединения со стабильными элементами они участвуют в обменных реакциях живых организмов, тем самым создавая естественную радиоактивность обитателей Земли. К наиболее значимым элементам, обеспечивающим жизнедеятельность живой материи относятся изотопы калия, углерода и трития, а всего в биосфере находится значительно больше радиоактивных элементов, что обуславливает общую радиоактивность человека.
Основную роль в радиоактивность человека вносит калий-40 - около 20 х 10³ Бк или 0,2% от общей массы человека, углерод-14 - около 30 * 10² Бк или 18% от общей массы человека, которые поступают в организм человека в основном по пищевой цепочке.
Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в Земной коре - калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232.
Уровни земной радиации неодинаковы и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения мощность дозы облучения в среднем составляет 0,3-0,6 микрозиверта в год.
Основной естественный радиоактивный элемент на территории Белорусского Полесья с периодом полураспада 1,32 х 10⁹ лет, как дозообразующий фактор - это калий-40, который находится в почвах в виде солей и в живых организмах.
К-40 - слаборадиоактивный элемент, экологически мало опасен, он усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности. В среднем человек получает около 180 мкЗв в год от К-40.
В малых концентрациях естественные источники радиоактивности содержатся в любой почве. Однако, в зависимости от структуры почвы, их больше в гранитных породах, глиноземах и меньше в песчаных и известковых почвах.
Половину годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения от земных источников радиации человек получает от невидимого, не имеющего вкуса и запаха тяжёлого газа радона. В природе радон встречается в двух основных формах: радон-222, член радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и радон-220, члена радиоактивного ряда тория-232.
Радон в 7,5 раза тяжелее воздуха и является альфа-радиоактивным с периодом полураспада 3,8 суток. После альфа-распада ядро радона превращается в ядро полония. Это также альфа-радиоактивный изотоп с периодом полураспада 3 минуты и наличием дополнительного электрического заряда. Следующие элементы этой цепочки радиоактивных распадов имеют такие же характеристики. Заканчивается ряд стабильным изотопом свинца. Концентрация радона в различных точках земного шара неодинакова.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, где повышена его концентрация
Радон может проникать сквозь трещины в фундаменте, через пол из поверхности Земли и накапливается в основном на нижних этажах жилых помещений, создавая там повышенную радиацию. Одним из источников радоновой радиации могут быть конструкционные материалы, используемые в строительном производстве. К ним в первую очередь относятся материалы с повышенной радиоактивностью - гранит, пемза, глинозём, фос-фогипс.
Зависимость концентрации радона от вида строительных материалов и от качества вентиляции можно проследить по таблице 2.3 (Холл).
Вода, используемая для бытовых и пищевых целей, обычно содержит мало радона, однако глубоко залегающие водяные пласты могут иметь повышенную его концентрацию. Высокая концентрация радона образуется в ванных комнатах, где радон, испаряясь из горячей воды при принятии душа или ванны, попадает в организм с вдыхаемым воздухом
Основными мероприятиями по устранению влияния радона, уменьшению его концентрации и снижению дозообразующего фактора являются: заделывание швов, трещин в фундаментах зданий, отказ от строительных материалов, содержащих радон, оклейка, окраска покрытий стен пластиковыми материалами, кипячение воды для пищевых нужд, особенно из глубоких артезианских скважин и колодцев, частое проветривание помещений на нижних этажах, ванных комнат.
В процессе развития материального производства, технологий, человек может локально изменить распределение естественных источников радиации, что приводит к повышенному облучению. Такими примерами являются полеты на самолетах, применение материалов с повышенной концентрацией радионуклидов, использование каменного угля и природного газа. Наблюдаемые при этом повышенные уровни излучения называются технологически повышенным естественным радиационным фоном (ТПЕРФ).
Вклад в общую дозу от естественной радиации вносит уголь, сжигаемый как на тепловых электростанциях, так и для обычных бытовых нужд. В 1 кг угля содержится до 50 Бк урана, около 300 Бк тория, 70 Бк калия-40 и других радиоактивных элементов. Если уголь содержит небольшое количество радионуклидов, то в угольных шлаках может быть высокая их концентрация. В связи с этим, нецелесообразно использовать шлаки угля как наполнители к цементам и бетонам, а золу - для улучшения почв. Поэтому тепловые электростанции являются серьезным источником внешнего и внутреннего облучения населения, проживающего на прилегающих территориях.
Другой источник ТПЕРФ - промышленное использование продуктов переработки фосфоритов. Залежи фосфоритов содержат, как правило, продукты распада U-238 в сравнительно высоких концентрациях. При этом следует учесть, что добыча фосфорной руды в мире очень велика и из года в год возрастает. Процесс переработки фосфорной руды экологически небезопасен, так как отходы руды содержат радионуклиды. Применение фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, стимулирует усвоение естественных радионуклидов растениями из почвы. Использование отходов фосфорного производства в качестве стройматериалов (гипса) также является возможным дополнительным источником облучения. Так, в частности, в жилом доме, при строительстве которого вместо обычных материалов использовались гипсовые отходы, дополнительная годовая доза облучения жильцов составитмГр (Холл).
Увеличение радиационности почв могут дать фосфорные удобрения, особенно вносимые в жидком виде. В данном случае очень важно соблюдение сроков, по истечению которых можно использовать под выпасы сельскохозяйственные угодья после агрохимии фосфором.
Человечество во всем мире все шире для бытовых нужд использует большое количество потребительских товаров, содержащих естественные радионуклиды. К таким товарам можно отнести часы со светящимся циферблатом, содержащим радий, специальные оптические приборы, аппаратуру, применяемую в аэропортах и таможенном досмотре и т.д.
Нельзя недооценивать ионизирующее излучение от телевизоров и, в особенности, от дисплеев компьютеров. Это излучение, в некоторых случаях, может превышать естественные фоновые уровни. В связи с этим не рекомендуется слишком близко смотреть телепередачи или продолжительное время находится у дисплея компьютера, особенно детям. Показано, что среднегодовая доза, обусловленная использованием изделий, содержащих радионуклиды, составляет менеемЗв (1 мбэр).
Дополнительное облучение от естественных источников радиации составляет около 1% коллективной дозы, хотя в некоторых случаях для отдельных групп людей этот вклад может стать существенным по сравнению с естественным фоном.

2. Искусственные источники радиации
Открытие радиоактивности послужило толчком для прикладного использования этого физического явления.
В результате хозяйственной деятельности за последние несколько десятилетий человек создал искусственные источники радиоактивного излучения и научился использовать энергию атома в самых разных целях: медицине, для производства энергии и атомного оружия, для поиска полезных ископаемых и обнаружения пожаров. Мирный атом применяется в сельском хозяйстве и археологии. С каждым годом увеличивается количество искусственных источников излучения, используемых в сфере деятельности человека, которые дают дополнительную дозовую нагрузку.
Дозы, полученные каждым отдельным человеком от искусственных источников радиации очень разнятся. В большинстве случаев они невелики, но иногда техногенное облучение оказывается весьма значительным, хотя и его гораздо легче контролировать.
Совершенно иная ситуация сложилась на территориях, пострадавших от Чернобыльской катастрофы, между искусственными и естественными источниками облучения, о чем подробнее остановимся ниже.