Ionizující záření a jeho účinky

1. Ionizující záření a jeho účinky

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

3. Radioaktivní rozpad N0 – počet radioaktivních jader v čase t=0 N – počet zbylých jader v libovolném t Poločas rozpadu [T1/2] = s  - konstanta rozpadu, [] = s-1

4. Aktivita • podíl středního počtu radioaktivních přeměn radionuklidu za časový interval • jednotkou v soustavě SI – bequerel (Bq) • 1 Bq = 1 rozpad za sekundu • 1 curie = 1Ci = 3,7.1010Bq

5. Aktivita vyhořelého jaderného paliva

6. 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.

7. Druhy ionizujícího záření • Záření α Jádra helia Záření  Záporné elektrony nebo kladné pozitrony Záření  Elektromagnetické vlnění Druhy záření [29]

8. 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]

9. Dávka • pohlcená energie na jednotku hmotnosti • jednotkou v soustavě SI je gray (Gy) • starší jednotka rad (radiationabsorbeddose) • 1Gy = 1J/kg = 100 rad

10. Dávkový příkon • Podíl přírůstku dávky dD a časového intervalu dt • jednotkou je Gy.s-1

11. 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

12. Biologický poločas přeměny • charakterizuje vylučování daného radioaktivního prvku z organismu • doba, za kterou se z organismu vyloučí polovina přijatého množství radionuklidu • kombinace biologického a fyzikálního poločasu přeměny • Efektivní poločas přeměny

13. Ozáření člověka Přírodní zdroje zapříčiňují ozáření obyvatelstva České republiky 3–3,5 mSv. Umělé zdroje záření přispívají k celkovému ozáření přibližně jednou šestinou.

14. Šíření radionuklidů v životním prostředí

15. Biologické účinky vybraných radionuklidů • Tritium 3H (T) • beta zářič • poločas přeměny12,4 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 H2O–rozšiřuje se do všech měkkých tkání • způsobuje vnitřní kontaminaci

16. Krypton 85Kr • 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

17. Stroncium 90Sr • 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

18. Jód 129I • beta zářič • poločas rozpadu 1,6.107 let • absorbuje se ve štítné žláze, v sliznici žaludku a v mléčných žlázách

19. Cesium 137Cs • 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

20. Uran 238U • alfa a gama zářič • poločas rozpadu je 4,5.108 let • biologický poločas rozpadu pro ledviny 15 dní a pro celé tělo 100 dní

21. Plutonium 239Pu • alfa zářič • poločas rozpadu je 2,4.104 let • biologický poločas 7,3.104 dní pro kosti. • v atmosféře jako aerosol nebo PuO2 • 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 rizika vzniku rakoviny

22. 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

23. 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

24. Každodenní události v buňce

25. Účinky záření Deterministické – dochází ke smrti buněk • zřejmá souvislost s ozářením • charakteristický průběh Stochastické – nahodilé • nelze prokázat souvislost se zářením

26. Deterministické účinky • deterministické účinky jsou charakteristické prahovou dávkou a pod ní pásmem nulové odezvy • intenzita projevů je popsána esovitými křivkami

27. 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

28. Stochastické účinky • předpokládaná bezprahová lineární závislost pravděpodobnosti vzniku nádoru a genetických poruch na dávce ozáření

29. 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 následkům ozáření

30. 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

31. 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

32. 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

33. Účinky na embryo • negativní účinky ve všech fázích vývoje • vznik rakoviny, mentální retardace a jiných vad, včetně smrtelných

34. Statistické údaje • odhad pravděpodobnosti vzniku leukémie celoživotním ozáření 1000 mSv – 1,1 %, vzniku nádoru – 10,9 %, vzniku fatálního nádoru – 4–5 % na 1000 mSv • pravděpodobnost vzniku dědičných onemocnění je 1,2 % na 1000 mSv, v prvních dvou generacích pak 0,3 % • pokud je dávce 1000 mSv vystaveno embryo v období mezi 8.–15. týdnem vývoje dochází k posunu inteligenčního koeficientu o 30 IQ bodů směrem dolů

35. 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

36. 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

37. Stochastické účinky • 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 (1867–1934) Marie Curie-Sklodowská[16]

38. 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]

39. Los Alamos • HarryDaghlian– spolupracovník • nehoda při experimentu – za 24 dní umírá na akutní nemoc z ozáření(jako první Severoameričan) • 21.5. 1946 – vědecká konference • AlvinGraves požádal o předvedení experimentu, Slotin souhlasil

40. 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

41. Průběh experimentu • Slotin odstranil bezpečnostní pojistky • horní polokouli držel v levé ruce, v pravé ruce šroubovák – reguloval jím velikost štěrbiny Průběh experimentu [15]

42. 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]

43. 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 kyslíkový přístroj • Louis Slotin zemřel devátý den po ozáření – 30.května 1946 v 11 hodin dopoledne jako jediná oběť nehody

44. Dávka záření • chemici, fyzici a biologové – pokoušejí se stanovit dávku záření, pomáhají jim kovové předměty • lidé v místnosti obdrželi přibližně tyto dávky: Rozmístění osob při nehodě [15]

45. Porovnání jaderné a uhelné elektrárny