Лекция 1. Введение

Человек и все живые организмы па Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующего излучения естественного фона космического и земного происхождения. Ионизирующее излучение сопровождало Большой взрыв, с которого примерно 14 миллиардов лет назад началось существование нашей Вселенной, и с этого времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а в состав Земли с самого ее рождения вошли радиоактивные материалы. Даже человек слегка радиоактивен, так как радиоактивные вещества присутствуют во всякой живой ткани.

На поверхности Земли дозы от космического излучения невелики, так как нас защищает слой воздуха (атмосфера) толщиной примерно 1 кг/см², что эквивалентно около 130 см железа. При межзвездных перелетах для создания радиационных условий, аналогичных на Земле, необходима такая мощная радиационная защита космического корабля.

С увеличением высоты над уровнем моря уровень облучения повышается. Например, на высоте 20 км он примерно в 400 раз больше по сравнению с уровнем моря. В ближнем космосе вокруг Земли существует радиационный пояс, где уровень облучения повышается еще в десятки и сотни раз.

Но и на самой Земле не все безопасно. На поверхности Земли имеются источники повышенной естественной радиоактивности, где средний уровень излучения превышается в десятки и даже сотни раз. Например, в Бразилии в городе Гуарапари есть пляж на побережье, где естественная радиоактивность почти в двести раз выше среднего уровня фона, в Индии в штате Керала высокое содержание тория и его дочерних продуктов (до 0,1%).

Развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующего излучения практически во все сферы человеческой деятельности наряду с несомненной практической пользой создают потенциальную угрозу радиационной опасности. Приведем некоторые примеры применения источников ионизирующего излучения в жизни общества:

• • радиоактивные индикаторы применяются в металлургии, с их помощью регулируют процесс затвердевания чугуна и стали, контролируют износ внутренней поверхности доменных печей, измеряют толщину листа при прокатке;
• • в химической промышленности ионизирующее излучение применяется для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих материалов, для измерения плотности растворов, для определения содержания компонентов в продукте, измерения толщины стенок технологического оборудования, работающего под большим давлением, для стерилизации продукции на химико-фармацевтических заводах;
• • большое развитие получила радиационная химия, в которой с помощью ионизирующих излучений получают новые материалы с необходимыми свойствами (в том числе и для атомной техники), стимулируют и инициируют различные химические реакции (например, радиационное сшивание полимерных материалов), изучают воздействие ионизирующих излучений на химические вещества и процессы;
• • радиоактивные методы анализа чистоты материалов позволяют определить содержание примесей в количествах (10 ^б -10'⁸) %;
• • радиоизотопные источники энергии малой мощности (атомные батареи) широко применяются для получения электрической энергии в космосе, а также для различных автономных систем в отдаленных, труднодоступных местах (например, навигационное оборудование), где использование других источников энергии либо невозможно, либо нерентабельно;
• • в медицине атомные батареи применяются для снабжения энергией сердечных регуляторов;
• • в промышленности используются радиоизотопные нейтрализаторы статического электричества — текстильная промышленность, взрывоопасные производства;

Рис. 1.1. Контроль сварных соединений труб с помощью рентгеновского излучения

• • очень важный путь применения ионизирующего излучения — радиационная дефектоскопия (рис. 1.1), и томография различных изделий промышленных производств. Например, различных трубопроводов, турбин, емкостей, работающих под большим давлением и т. п. В различных странах создаются татаможенные комплексы с применением источников излучений для элементного анализа перевозимых грузов, формы и плотности предметов, перевозимых в контейнере или в багаже авиапассажира. Для этих целей наряду с рентгеновским излучением используют и тормозное излучение электронных ускорителей. (Компактные малогабаритные ускорители — бетатроны — разработаны и изготавливаются в НИИ интроскопии Томского политехнического университета. Они широко используются в различных странах для контроля крупногабаритных объектов, например, содержимого больших контейнеров без их вскрытия);
• • хорошо знакомый всем путь применения излучений в медицине — рентгеновская диагностика. Уже через несколько недель после открытия Рентгеном Х-лучей (8 ноября 1895 г.), названных впоследствии его именем, стала очевидной возможность их практического применения для целей медицинской диагностики (рис. 1.2). В настоящее время для рентгеновской диагностики используются сложные комплексы (рис. 1.3), которые позволяют быстро и с высоким качеством получать рентгеновские снимки и проводить их анализ;

Рис. 1.2. Рентгеновский снимок руки супруги Рентгена (1896 г.)

Рис. 1.3. Современный рентгеновский комплекс для медицины

• применяются различные источники ионизирующих частиц в медицине также для терапевтических целей. Одно из быстро развивающихся направлений — это радиационная терапия новообразований различными типами излучений. И если для этих целей сначала приспосабливали физические установки, на которых велись научные исследования, то теперь в различных странах создаются специализированные медицинские ускорители (рис. 1.4);

Рис. 1.4. Линейный медицинский ускоритель PRIMUS фирмы Сименс

• различные типы ускорителей используются в научных исследованиях. Среди них и самые большие ускорители, которые занимают площади в десятки и сотни гектаров (рис. 1.5);

Рис. 1.5. Небольшая часть протонного синхротрона У-70 ИФВЭ

• • применяются ионизирующие излучения и в сельском хозяйстве. Здесь в качестве примера можно отмстить работы по мутационной селекции, с помощью которой при использовании радиационных технологий выведено более 2 тыс. новых сортов сельскохозяйственных культур;
• • изотопная гидрология используется дня составления схем залегания подземных водоносных слоев, для управления запасами грунтовых и поверхностных вод, для обнаружения и борьбы с различными загрязнениями;

Рис. 1.6. Первый в мире атомный ледокол «Ленин»

• наконец, самые мощные источники ионизирующего излучения — ядерные реакторы, дающие электроэнергию, тепло, а также возможность плавать многие месяцы без захода в порты (рис. 1.6, 1.7).

Рис. 1.7. Фото АЭС [3]

И это далеко не полный перечень путей использования ионизирующих и злучений.

Развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующего излучения практически во все сферы человеческой деятельности создают потенциальную угрозу радиационной опасности. Опасность исходит не только от работающих установок. По данным МАГАТЭ на февраль 2009 г., в мире работало 436 и строилось 44 энергетических ядерных реактора. Атомные электростанции производят почти 16% мировой электроэнергии. Блоки АЭС, которые отработали свой ресурс, необходимо демонтировать и хранить под надежной защитой, так как в их материалах большая наведенная активность. Отработанное горючее АЭС также представляет большую радиационную опасность и подлежит специальному захоронению.

Со времени открытия рентгеновских лучей в 1895 г. и радиоактивности в 1896 г. ионизирующие излучения играют огромную роль как в развитии современной физики, так и в смежных с ней областях науки. Этот гибкий инструмент обладает рядом характерных свойств, одним из которых является проникающая способность: излучение может проходить через вещество, причем некоторые виды излучения при малой потере энергии могут проникать на значительные расстояния.

Взаимодействие излучения с веществом зависит от его природы — корпускулярной или электромагнитной, от энергии, массы и электрического заряда. Например, нейтроны высокой энергии, не имеющие электрического заряда, практически не испытывают электромагнитных взаимодействий с атомами и поэтому имеют большую глубину проникновения. Они передают свою первоначальную кинетическую энергию тем ядрам, с которыми они сталкиваются непосредственно. Фотоны также нс имеют заряда и обладают большой проникающей способностью. В результате различных процессов их энергия превращается в кинетическую энергию одного или нескольких электронов, отрываемых от атомов и молекул поглощающей среды.

С электрически заряженными частицами связано преобладающее число актов взаимодействия, в которых совершается передача энергии ионизирующим излучением. Например, если взять радий, который испускает альфа-, бетаи гамма-излучение, то обычный лист бумаги поглощает альфа-частицы, для поглощения бета-частиц (электронов) требуется стекло толщиной примерно 7 мм, а гамма-излучение можно обнаружить и за свинцом толщиной 10 см.

Большое влияние ионизирующего излучения на жизненные процессы обусловлено возбуждением и ионизацией биологических молекул заряженными (первичными и вторичными) частицами. В результате эти молекулы становятся химически очень активными. Если бы энергия, которую получают молекулы от ионизирующих частиц, просто переходила в тепло, а не увеличивала энергию их электронов, то ионизирующее излучение играло бы незначительную роль вне чистой физики. Но акгивированная излучением молекула может инициировать процесс химических взаимодействий с участием многих молекул. Рассмотрим в самом общем виде эволюцию действия излучения на молекулу живой материи.

На первой, физической, стадии первичное излучение и вторичные частицы передают энергию большому числу молекул, в результате образуются свободные электроны и возбужденные или ионизованные молекулы и атомы. Эти первичные продукты радиолиза распределены в пространстве не равномерно, а локализованы вблизи траекторий первичных частиц. Время протекания этой стадии примерно КГ¹⁶ с.

Вторая стадия процесса — физико-химическая. За время протекания этой стадии порядка КГ¹¹ с образовавшиеся первичные продукты испытывают вторичные реакции: ионы сталкиваются и реагируют с нормальными молекулами, а возбужденные молекулы самопроизвольно диссоциируют (распадаются). Образующиеся при этом химически нестабильные осколки молекул, имеющие неспарснный электрон на внешней орбите, называются свободными радикалами.

В конце этой стадии получается комбинация из химически стабильных молекул и их нестабильных осколков. При этом некоторые (или даже все) стабильные молекулы могут отличаться от первичных молекул.

Затем наступает третья, или химическая стадия. Свободные радикалы реагируют с молекулами и друг с другом, завершая образование конечных химических продуктов. Время этой стадии в воде не более 10 ⁶ с.

В биологических системах наступает и четвертая стадия — организм вследствие упорядоченности его организационных уровней реагирует на инородные химические вещества, которые получаются в результате химической стадии. Биологическая стадия может продолжаться в течение дней, и даже лет.

Многие явления, вызванные ионизирующим излучением в веществе, встречаются и при других формах активации. Например, свободные радикалы получаются во многих обычных химических реакциях без ионизирующего излучения. Однако действие ионизирующего излучения имеет характерные особенности:

• • энергия возбуждения первичных продуктов необычайно велика, свободные ионизованные молекулы известны в химии и биологии лишь как первичные продукты ионизирующего излучения;
• • ионизирующие частицы сосредотачивают активированные молекулы в узком пространстве вдоль своих траекторий. И здесь практически мгновенно в результате актов ионизации выделяются электрические заряда;
• • поскольку передача энергии от ионизирующего излучения веществу является случайным событием, то даже при очень низких дозах в критическом объеме клетки может быть поглощена энергия, достаточная для повреждения или гибели клетки.

Почти для всех неорганических и для большинства органических молекул наиболее вероятное следствие возбуждения — это диссоциация на свободные радикалы. На химической стадии свободные радикалы являются главными действующими лицами. Эти молекулярные осколки химически очень активны и диффундируют из зоны, где они образовались, и затем вступают в реакцию либо друг с другом, либо со стабильными молекулами. Молекулярные осколки живут значительно дольше, чем возбужюнные молекулы, поэтому свободные радикалы являются переносчиками эффекта первичной ионизации и возбуждения молекул во времени и пространстве. Часто они могут воздействовать на вещество, которого настолько мало, что в нем самом не может наступить физическая или физико-химическая стадия, так как мала вероятность взаимодействия первичной частицы.

Такое косвенное действие ионизирующего излучения через свободные радикалы является общим явлением, и в живых организмах этот эффект представляет важный путь, который может приводить к серьезным биологическим последствиям. Индуцированные свободными радикалами химические реакции могут вовлекать в процесс химических изменений многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом и состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты.

Если бы биологическое действие ионизирующего излучения определялось в основном прямым действием, когда молекула испытывает изменения в.

виде ионизации и возбуждения непосредственно при взаимодействии с ионизирующей частицей, то оно не представляло бы такой большой опасности для биологических организмов. Здесь можно отметить, что при смертельной дозе па человека (6 Гр на все тело) прямая ионизация дает лишь одну ионизованную молекулу воды из 10 млн молекул.

Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической, механической), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям в нем, какие вызывает ионизирующее излучение. Например, смертельная доза ионизирующего излучения для млекопитающих ~ 10 Гр (10 Дж/кг). Если эту энергию подвести в виде тепла, то она нагрела бы тело человека примерно на 0,001 °С (меньше, чем от стакана выпитого горячего чая). Пуля с массой 10 г и скоростью 1 км/с обладает кинетической энергией около 5000 Дж. Но, попав в человека, она далеко не всегда вызывает смертельный исход. Отсюда следует:

• • даже небольшое количество ионизирующего излучения, попав в организм, может привести к катастрофическим последствиям для его жизнедеятельности;
• • организм должен быть надежно защищен от попадания в него ионизирующего излучения.

Здесь у нас два пути:

• 1) изготовить специальные скафандры и работать в них. Но так как проникающая способность у многих видов излучений очень велика, то человек не в состоянии передвигаться в таком скафандре. Этот путь неэффективен. Но такой подход неприемлем и по той причине, что человек существует в неразрывной связи с природой, ее животным и растительным миром. Следовательно, защищать от излучения необходимо всю среду обитания человека. Следует отметить, что этот способ защиты от излучений мы вынуждены использовать при космических полетах;
• 2) второй путь — надежная защита от излучения естественных и искусственных источников радиации с помощью специальных защитных сооружений вокруг них.

Этот путь не является легким и требует больших затрат, так как мощности многих ядерно-технических установок, созданных человеком, очень велики, например ядерных реакторов, ускорители заряженных частиц, и требуются очень большие кратности ослабления излучения. Увеличение кратности ослабления требует, в свою очередь, увеличение толщины защиты. Увеличение толщины защиты повышают се стоимость и затраты на сооружение всей установки. Например, в настоящее время затраты на безопасность АЭС составляют до 50% от стоимости всей АЭС. Это заметно удорожает стоимость электроэнергии. Поэтому нельзя сооружать защиту без детального анализа поля излучения вокруг установки, а просто с многократным запасом.

Задача усложняется, если установка должна быть мобильной. В этом случае предъявляются дополнительные требования к весу защиты, она долж-

на обладать определенной массой и в то же время быть эффективной. Эффективной — это значит в первую очередь надежной, т. е. обеспечивать заданную кратность ослабления излучения, во-вторых, обладать минимальным весом и стоимостью.

Проблема защиты от ионизирующих излучений, а в более общем плане — проблема радиационной безопасности, превратилась в одну из социальных проблем современности, решением которой занимаются многие международные, национальные и региональные организации. Надежная защита должна окружать все работающие установки. При этом необходимо отметить, что вопросы защиты от излучений охватывают очень обширную область. Это защита реакторов, ускорителей, изотопных и медицинских установок, защита при захоронении отходов, защита летательных аппаратов, защита передвижных установок и т. д.

Данное учебное пособие посвящено вопросам защиты от фотонов и заряженных частиц. Цели, которые при этом преследуются, следующие:

• • узнать особенности и проблемы, возникающие при защите от ионизирующих излучений различного вида;
• • ознакомиться с основными положениями государственных документов, регламентирующих уровни облучения персонала и населения в Российской Федерации;
• • научиться инженерным методам расчета защиты от фотонов и заряженных частиц;
• • знать и свободно пользоваться специальной литературой и специальными программами при решении практических задач защиты от излучений. Учебное пособие написано с учетом следующих нормативных актов в

области радиационной безопасности, принятых в нашей стране:

• 1) НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (НРБ-99/2009);
• 2) ОСНОВНЫЕ САНИТАРНЫЕ ПРАВИЛА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (ОСПОРБ-99/20Ю).

В пособие включены результаты исследований автора в области радиационной защиты, в том числе результаты, полученные им в соавторстве со студентами.

Изучение данной дисциплины опирается на знания, приобретенные при изучении курсов: «Высшая математика», «Атомная физика», «Теоретическая физика», «Ядерная физика» и обязательно «Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом». В конце каждой лекции приводится список литературы, контрольные вопросы — для закрепления теоретической части материала и задачи, которые можно решать на практических занятиях, а также предлагать студентам для самостоятельной работы. Заключительным этапом обучения является выполнение курсового проекта.

Очень полезна при изучении теоретического материала и проведении расчетов защиты разработанная автором программа «Компьютерная лаборатория», описание которой приведено в приложении 1.

Задание 1

Контрольные вопросы

• 1. В каких областях человеческой деятельности используются ионизирующие излучения в настоящее время?
• 2. Почему ионизирующее излучение опасно для живых организмов?
• 3. На какие стадии можно разделить действие излучения на биологическую молекулу? В чем заключаются их основные особенности?
• 4. Что называют прямым и косвенным действием излучения на биологический объект?
• 5. Каков вклад косвенного действия излучения в радиационное поражение биологической ткани?

• 1. Бойко В. И., Кошелев Ф. П. Ядсрные технологии в различных сферах человеческой деятельности: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2006. — 342 с.
• 2. Радиация. Дозы, эффекты, риск: пср. с англ. — М.: Мир, 1988. — 79 с.
• 3. Бекман И. Н. Ядерная индустрия: курс лекций. [Электронный ресурс]. URL: // http://profbcckman.narod.ru (дата обращения: 17.09.2012).