Лабораторная работа 1 Оценка содержания радионуклидов урана в природных минералах

Цель работы: Ознакомление с работой дозиметра-радиометра, определение и расчет активности радионуклидов урана в природных минералах (гранит).

Приборы и оборудование: дозиметр-радиометр ДРГБ-01-«ЭКО-1» (возможно применение дозиметров-радиометров «РАДЭКС» РД 1503; МКС-01СА1М; ДКГ-03Д «Грач»; РКСБ-104), образцы гранита.

Теоретическая часть работы

Радиоактивный распад веществ происходит в соответствии с формальной кинетикой необратимой реакции первого порядка:

. (1.1)

где m – масса радионуклида, кг; t – время, с; k – константа скорости необратимой реакции первого порядка, с^-1;  – скорость распада.

Константа скорости распада не зависит от количества взятого вещества и связана с периодом полураспада Т_1/2 следующим соотношением:

. (1.2)

Скорость радиоактивного распада называют активностью радионуклида (А), которую рассчитывают по формуле:

. (1.3)

Здесь – число Авогадро, кг/моль; М – атомная масса изотопа.

Активность измеряют в распадах за 1 с (Беккерель, Бк).

Действие излучения на вещество оценивают по дозе излучения D. Дозой излучения называют величину, равную отношению энергии излучения Q к массе облучаемого вещества m:

(1.4)

где D – доза излучения, Дж/кг; m – масса облучаемого вещества, кг; Q –энергия поглощенного излучения, Дж.

Единицей дозы облучения называют грей (Гр). Мощность дозы излучения – ватт на килограмм, Вт/кг, или Гр/с:

(1.5)

Дозу излучения оценивают по биологическому воздействию на систему. Для этой цели вводят биологический эквивалент рентгена (бэр),

Один бэр равен 0,01 Грей.

Энергетической характеристикой излучения является экспозиционная доза излучения:

(1.6)

– количество зарядов одного знака, созданных при облучении воздуха, Кл; – масса воздуха, кг.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы служит рентген (Р), 1 P = 2,58∙10^-4 Кл/кг.

При экспозиционной дозе, равной 1 Р в 10^-6 м³ сухого воздуха и давлении 1,013∙10⁵ Па, возникает заряд ионов одного знака 3,3∙10^-8 Кл.

Мощность экспозиционной дозы N_э выражается в амперах на килограмм (А/кг). Это мощность такой дозы электромагнитного излучения, при которой за одну секунду экспозиционная доза возрастает на 1 Кл/кг. Внесистемные единицы мощности экспозиционной дозы:

1 Р/с = 2,59∙10^-4 А/кг; 1 Р/мин = 4,3∙10^-6 А/кг; 1 Р/ч = 7,17∙10^-8 А/кг.

В области радиационной безопасности для оценки возможного ущерба здоровью человека при хроническом облучении введено понятие эквивалентной дозы, равной произведению поглощенной дозы на средний коэффициент, учитывающий воздействие облучения на биологическую ткань:

, (1.7)

где ЭД – эквивалентная доза облучения, Дж/кг; – коэффициент воздействия излучения.

Единицу эквивалентной дозы, равной одному джоулю энергии на килограмм массы биологической ткани, называют Зивертом (Зв).

За единицу активности радионуклидов в системе СИ принята величина 1 Беккерель – один распад в секунду (Бк). Внесистемная единица активности 1 Кюри (Ки); 1 Ки = 3,7∙10¹⁰Бк.

При определении эквивалентной дозы ионизирующего излучения используют следующие значения взвешивающих коэффициентов излучения (табл.1).

Таблица 1

Взвешивающие коэффициенты воздействия излучения на биологическую ткань

Для оценки воздействия излучения на население используют коллективную эквивалентную дозу, равную произведению эквивалентной дозы на число человек, подвергшихся радиации:

(1.8)

КЭД – коллективная эквивалентная доза, чел∙Зв; ЭД – эквивалентная доза, Зв; n – число человек, подвергшихся радиации.

Развитие биосферы происходит на фоне ионизирующей радиации – естественного радиационного фона. Радиационный фон состоит из космического излучения и радиации от природных радионуклидов. Основной вклад в естественный радиационный фон вносят следующие радиоактивные изотопы ⁴⁰К, ²³⁸U, ²³²Th, а также продукты распада урана и тория. Суммарная доза фонового излучения составляет около 1мЗв/год. В районах с высоким содержанием радионуклидов средняя доза излучения может достигать 10 мЗв/год. Считают, что радиационный фон влияет на информационные потоки в биосфере, обуславливая часть наследственных изменений и мутаций живых организмов.

Животный и растительный мир биосферы обладает различной восприимчивостью к радиации. Наиболее чувствительны к излучению высшие биологические организмы – человек, млекопитающие животные. Одноклеточные растения, животные, бактерии могут выдерживать сравнительно большие дозы радиоактивного излучения.

Поражение высших живых организмов, прежде всего, человека зависит от величины дозы облучения, ее пространственного распределения по организму, времени излучения и временного интервала от момента получения дозы (табл.2).

Таблица 2

Вероятность возникновения заболевания от воздействия радиоактивного излучения на организм человека при эквивалентной дозе 1 Зв (пороговая доза)

Для сравнения отметим, что наследственные заболевания в естественных условиях, характерные для 1980...1990 годов, составляют 6...10%, а заболевание раком колеблется от 0,2 до 0,25% от всего населения. Воздействие острого излучения, полученного за короткий промежуток времени от нескольких минут до нескольких часов, на организм человека охарактеризовано в табл.3.

Таблица 3

Воздействие на организм человека облучения при кратковременном воздействии

Широкое использование расщепляющихся ядерных материалов привело к глобальному облучению населения. Основные источники облучения: урановые рудники, радиохимические заводы по переработке ядерного топлива, хранилища и места утилизации радиоактивных материалов.

Наибольшую опасность представляют долгоживущие радионуклиды цезия и стронция (¹³⁷Сs, ⁹⁰Sr). Хроническое облучение вызывает снижение сопротивляемости организма в дозе 0,1 Зв/год, а доза порядка 0,5 Зв приводит к развитию хронической лучевой болезни.

Интенсивное развитие ядерной энергетики привело к повышению радиационного фона биосферы. Так, вентиляционные выбросы из урановых шахт содержат радиоактивный радон (²²²Rh), а радионуклиды водорода, углерода, йода (³Н, ¹⁴С, ¹²⁹I) вступают в естественные циклы обмена веществ, вызывая необратимые изменения в жизнедеятельности живых организмов.

Все радионуклиды подразделяют на четыре группы:

– группа А – особо токсичные (активность 3,7∙10⁶ Бк);

– группа Б – высоко токсичные (активность 3,7∙10⁵ Бк);

– группа В – средне токсичные (активность 3,7∙10⁴ Бк);

– группа Г – малотоксичные (активность 3,7∙10³ Бк).

Для каждого радионуклида установлены предельно допустимые газовые поступления (ПДП) через органы дыхания и предел годового поступления в организм (ПГП).

Таблица 4

Пределы поступления радионуклидов в организм человека для некоторых веществ

Поражение организма под воздействием радионуклидов носит разнообразный характер. Радионуклиды первой группы равномерно распределяются по всему организму и вызывают повреждения органов, сходных с действием Y – излучения.

Радионуклиды второй группы (Ca, Sr, Ba) накапливаются в костной ткани, вызывая облучение костного мозга. Склонность элементов третьей группы к образованию комплексов приводит к концентрации их в крови с последующим перемещением в печень.

Факторы кинетики, обмена различного распределения в органах приводят к тому, что токсичность радионуклидов проявляется неодинаково при равных концентрациях. Следовательно, радионуклиды с одинаковой активностью, но с различными физико-химическими свойствами имеют различные пределы поступления в биосферу и отдельные организмы.

Основные методы защиты биосферы от радионуклидов:

– разработка безопасных ядерных технологий с минимальными выбросами и сбросами радиоактивных веществ;

– внедрение современных методов защиты, очистки воздуха, воды, почвы от радиоактивных отходов;

– длительные комплексные санитарно-гигиенические мероприятия по наблюдению за радиационным фоном, выявлением очагов радиоактивного заражения, ограничение облучения населения, животных, растений.

– разработка научно обоснованных уровней поступления радионуклидов в организм человека, уровней облучения и заражения местности для принятия экстренных мер по защите людей, животных, растений.

Как правило, радиационный фон составляет 0,05-0,20 мкЗв/час. Проводя измерения радиационного фона минералов, можно определить содержание изотопов радионуклидов в исследуемом веществе. Природный уран состоит из трех изотопов, табл. 5.

Таблица 5

Содержание изотопов в природном уране

Для правильного расчета содержания урана в природном минерале оценивают активность изотопов в 1000 см³ чистого вещества, учитывая, что его плотность равна 19,04 г/см³:

Анализируя расчеты, делаем вывод, что необходимо учитывать распад всех изотопов урана.

Практическая часть работы

Выполнение работы: Определяют удельную активность полученного образца гранита (Бк/кг). Включают дозиметр-радиометр ДРГБ-01-«ЭКО-1» и в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора делают 5-6 отсчетов экспозиции фонового излучения и активности образца гранита. По уравнениям 1.9, 1.10 проводят расчет содержания урана в граните, учитывая, что плотность гранита равна 2,7 г/см³ , а размерность активности N выражена в Бк. Содержание изотопов урана (Х) выражается в г.

Если применяют прибор, не позволяющий определять удельную активность радионуклида, то проводят измерения мощности эквивалентной дозы фона – делают 10-15 измерений и проводят расчет среднего значения. Переводят значения мощности эквивалентной дозы в систему СИ, считая коэффициент k⁰ равным единице. Размерность мощности эквивалентной дозы.

Измеряют мощность эквивалентной дозы излучения в присутствии гранита – помещают прибор на гранитную плиту и делают 10-15 измерений. Проводят расчет среднего значения . Определяют изменение мощности эквивалентной дозы радионуклида:

Определяют количество атомов урана, распавшихся за 1 секунду, учитывая, что при распаде 1 атома урана выделяется 200 МэВ энергии:

, ат/с.

Проводят расчет количества урана, содержащегося в 1000 см³ гранита по уравнениям 1.9, 1.10, в которых учтен распад всех изотопов урана:

(1.9)

(1.10)

Определяют общее содержание урана в граните, содержание каждого изотопа (%).

Проводят математическую обработку результатов измерения:

– расчет средних значений;

– расчет дисперсии;

– относительную погрешность измерения;

– расчет доверительных интервалов.