Введение
Измерение ионизирующего излучения в окружающей среде. Фоновое излучение из космоса.
background radiation from space
Фоновое излучение – это показатель уровня ионизирующего излучения, присутствующего в окружающей среде в определенной точке, не связанного с преднамеренным внесением источников излучения. Фоновое излучение имеет различные источники, как природные, так и искусственные. К ним относятся космическое излучение и радиоактивность окружающей среды, обусловленная природными радиоактивными материалами (такими как радон и радий), а также искусственные медицинские рентгеновские лучи, выпадения от ядерных испытаний и последствия ядерных аварий.
Определение
Фоновое излучение определяется Международным агентством по атомной энергии как "доза или мощность дозы (или наблюдаемое значение, связанное с дозой или мощностью дозы), обусловленная всеми источниками, кроме указанных. Таким образом, проводится различие между дозой, уже присутствующей в данной точке, которая здесь определяется как "фоновая", и дозой, создаваемой специально введенным и определенным источником. Это важно при проведении измерений излучения от конкретного источника, поскольку существующий фон может повлиять на результат измерения. Например, измерение радиоактивного загрязнения на фоне гамма-излучения может привести к увеличению общего показателя по сравнению с тем, который ожидается только от загрязнения. Однако, если конкретный источник излучения не вызывает опасений, то общее измерение дозы излучения в данной точке обычно называют фоновым излучением, и это обычно происходит при измерении мощности дозы в окружающей среде в экологических целях.
Наземные источники
Земная радиация, для целей вышеуказанной таблицы, включает только источники, остающиеся вне тела. Основными радионуклидами, вызывающими беспокойство, являются калий, уран и торий и продукты их распада, некоторые из которых, такие как радий и радон, обладают высокой радиоактивностью, но встречаются в низких концентрациях. Большинство этих источников уменьшается вследствие радиоактивного распада с момента образования Земли, поскольку в настоящее время на Землю не поступает значительное количество вещества. Таким образом, текущая активность на Земле от урана-238 составляет лишь половину первоначальной из-за его периода полураспада в 4,5 миллиарда лет, а калий-40 (период полураспада 1,25 миллиарда лет) составляет около 8% первоначальной активности. Однако за время существования человечества количество радиации уменьшилось незначительно. Многие изотопы с коротким периодом полураспада (и, следовательно, более интенсивно радиоактивные) не исчезли из земной среды из-за их непрерывного естественного образования. Примерами служат радий-226 (продукт распада тория-230 в цепи распада урана-238) и радон-222 (продукт распада радия-226 в этой же цепи). Торий и уран (и их дочерние продукты) преимущественно подвергаются альфа- и бета-распадам, что затрудняет их обнаружение. Однако многие из их дочерних продуктов являются сильными гамма-излучателями. Торий-232 обнаруживается по пику 239 кэВ от свинца-212, 511, 583 и 2614 кэВ от таллия-208, а также 911 и 969 кэВ от актиния-228. Уран-238 проявляется в виде пиков 609, 1120 и 1764 кэВ висмута-214 (см. тот же пик для атмосферного радона). Калий-40 обнаруживается непосредственно по его гамма-пику 1461 кэВ. Радон – продукт распада урана, который относительно распространен в земной коре, но более концентрирован в рудных породах, разбросанных по всему миру. Радон просачивается из этих руд в атмосферу, в грунтовые воды или проникает в здания. Он может попадать в легкие при вдыхании вместе с продуктами его распада, где они задерживаются на определенный период времени после воздействия. Хотя радон встречается в природе, его воздействие может усиливаться или уменьшаться в результате человеческой деятельности, особенно при строительстве домов. Плохо герметизированный пол или недостаточная вентиляция подвала в хорошо изолированном доме могут привести к накоплению радона в помещении, подвергая его обитателей воздействию высоких концентраций. Широкое распространение хорошо изолированных и герметичных домов в северных индустриально развитых странах привело к тому, что радон стал основным источником фонового излучения в некоторых районах Северной Америки и Европы. Герметизация подвала и принудительная вентиляция снижают воздействие. Некоторые строительные материалы, например, легкий бетон с глиноземными сланцами, фосфогипс и итальянский туф, могут выделять радон, если они содержат радий и пористы для газа. Однако дискуссии об противоположных экспериментальных результатах продолжаются. В 1984 году в подвале Стэнли Уотраса было обнаружено около 100 000 Бк/м³ радона. Он и его соседи в Бойертауне, штат Пенсильвания, США, возможно, держат рекорд по количеству самых радиоактивных домов в мире. По оценкам международных организаций по радиационной защите, эффективная доза может быть рассчитана путем умножения равновесной эквивалентной концентрации (РЭК) радона на коэффициент 8–9, а РЭК торона – на коэффициент 40.
Космическое излучение
Земля и все живые существа на ней постоянно подвергаются бомбардировке радиацией из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов, от протонов до железа, и более крупных ядер, пришедших из-за пределов Солнечной системы. Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая воздушный ливень вторичного излучения, включающий рентгеновские лучи, мюоны, протоны, альфа-частицы, пионы, электроны и нейтроны. Непосредственная доза космического излучения в основном обусловлена мюонами, нейтронами и электронами, и эта доза варьируется в разных частях мира, главным образом в зависимости от геомагнитного поля и высоты. Например, город Денвер в США (на высоте 1650 метров) получает дозу космических лучей примерно в два раза больше, чем на уровне моря. Это излучение гораздо интенсивнее в верхней тропосфере, на высоте около 10 км, и поэтому представляет особую проблему для экипажей авиакомпаний и часто летающих пассажиров, проводящих много часов в год в этой среде. Во время полетов экипажи авиакомпаний обычно получают дополнительную профессиональную дозу от 1 до 2,19 мЗв в год, согласно различным исследованиям. Аналогично, космические лучи вызывают более высокую фоновую экспозицию у астронавтов, чем у людей на поверхности Земли. Астронавты на низких орбитах, таких как Международная космическая станция или космический челнок, частично защищены магнитным полем Земли, но также подвергаются воздействию радиационных поясов Ван Аллена, которые накапливают космические лучи и являются результатом магнитного поля Земли. За пределами низкой околоземной орбиты, как это было с астронавтами программы "Аполлон", путешествовавшими на Луну, это фоновое излучение намного интенсивнее и представляет собой серьезное препятствие для будущих долгосрочных пилотируемых исследований Луны или Марса. Космические лучи также вызывают элементарную трансмутацию в атмосфере, при которой вторичное излучение, генерируемое космическими лучами, объединяется с атомными ядрами в атмосфере, образуя различные нуклиды. Может образовываться множество так называемых космогенных нуклидов, но, пожалуй, наиболее важным является углерод-14, который образуется в результате взаимодействия с атомами азота. Эти космогенные нуклиды в конечном итоге достигают поверхности Земли и могут включаться в живые организмы. Производство этих нуклидов незначительно меняется в зависимости от краткосрочных колебаний потока солнечных космических лучей, но считается практически постоянным в течение длительных периодов времени, исчисляемых тысячами и миллионами лет. Постоянное производство, включение в организмы и относительно короткий период полураспада углерода-14 лежат в основе радиоуглеродного датирования древних биологических материалов, таких как деревянные артефакты или человеческие останки. Космическое излучение на уровне моря обычно проявляется в виде гамма-лучей с энергией 511 кэВ, возникающих при аннигиляции позитронов, созданных в результате ядерных реакций высокоэнергетических частиц и гамма-лучей. На больших высотах также вносит вклад непрерывный спектр тормозного излучения. (период полураспада 5730 лет). Исключая внутреннее загрязнение внешними радиоактивными материалами, эти два фактора являются основными компонентами внутреннего облучения от биологически функциональных компонентов человеческого тела. Около 4000 ядер 40K распадаются в секунду, и примерно такое же количество 14C. Энергия бета-частиц, образующихся при распаде 40K, примерно в 10 раз выше, чем энергия бета-частиц при распаде 14C. 14C присутствует в организме человека на уровне около 3700 Бк (0,1 мкКи) с биологическим периодом полураспада 40 дней. Это означает, что в секунду распадается около 3700 бета-частиц 14C. Однако атом 14C содержится в генетической информации примерно половины клеток, в то время как калий не является компонентом ДНК. Распад атома 14C внутри ДНК у одного человека происходит примерно 50 раз в секунду, превращая атом углерода в атом азота. Средняя глобальная внутренняя доза от радионуклидов, исключая радон и продукты его распада, составляет 0,29 мЗв/год, из которых 0,17 мЗв/год приходится на 40K, 0,12 мЗв/год – на серии урана и тория, а 12 мкЗв/год – на 14C. В мире в целом к местам с исключительно высоким естественным фоновым излучением относятся Рамсар в Иране, Гуарапари в Бразилии, Карунагаппалли в Индии, Аркарула в Австралии и Янцзян в Китае. Самый высокий уровень чисто естественного излучения, когда-либо зарегистрированный на поверхности Земли, составлял 90 мкГр/ч на бразильском черном пляже (areia preta на португальском языке), состоящем из монацита. Эта величина соответствует 0,8 Гр/год при круглосуточном непрерывном воздействии, но на самом деле уровни меняются в зависимости от сезона и значительно ниже в ближайших населенных пунктах. Этот рекордный показатель не был повторен и отсутствует в последних отчетах ЮНСЕАР. Ближайшие туристические пляжи в Гуарапари и Кумурушатиба были оценены позднее в 14 и 15 мкГр/ч. Следует отметить, что указанные здесь значения приведены в Грэях. Для преобразования в Зиверты (Зв) требуется коэффициент радиационного взвешивания; эти коэффициенты варьируются от 1 (бета- и гамма-излучение) до 20 (альфа-частицы). Самый высокий уровень естественного фонового излучения в населенной местности наблюдается в Рамсаре, главным образом из-за использования местного естественно радиоактивного известняка в качестве строительного материала. 1000 наиболее подверженных воздействию жителей получают среднюю эффективную дозу внешнего облучения в год, что в шесть раз превышает рекомендуемый МКРП предел воздействия на население от искусственных источников. Этот уникальный случай более чем в 80 раз превышает среднюю мировую естественную экспозицию человека к радиации. Проводятся эпидемиологические исследования для выявления последствий для здоровья, связанных с высоким уровнем радиации в Рамсаре. Пока слишком рано делать однозначные статистически значимые выводы. Однако недавние статистические анализы показали, что нет корреляции между риском негативных последствий для здоровья и повышенным уровнем естественного фонового излучения.
Фотоэлектрические
Дозы фонового излучения вблизи частиц материалов с высоким атомным номером в организме человека незначительно увеличиваются вследствие фотоэлектрического эффекта.
Нейтронный фон
Большая часть естественного нейтронного фона является продуктом взаимодействия космических лучей с атмосферой. Энергия нейтронов достигает пика около 1 МэВ и быстро снижается при более высоких значениях. На уровне моря производство нейтронов составляет около 20 нейтронов в секунду на килограмм материала, взаимодействующего с космическими лучами (или около 100–300 нейтронов на квадратный метр в секунду). Поток зависит от геомагнитной широты, достигая максимума вблизи магнитных полюсов. Во время солнечных минимумов, из-за ослабления защиты со стороны солнечного магнитного поля, поток примерно вдвое выше, чем во время солнечных максимумов. Он также резко возрастает во время солнечных вспышек. Вблизи крупных массивных объектов, таких как здания или корабли, измеряется более высокий нейтронный поток; это явление известно как "нейтронная подпись, вызванная космическими лучами", или "эффект корабля", поскольку впервые оно было обнаружено на кораблях в море. Кривая, полученная в Новой Зеландии, типична для Южного полушария, а кривая, полученная в Австрии, – для Северного полушария. Атмосферные ядерные испытания почти удвоили концентрацию 14C в Северном полушарии. ]]Частые ядерные взрывы над землей в период с 1940-х по 1960-е годы привели к рассеиванию значительного количества радиоактивных загрязнений. Часть этих загрязнений носит локальный характер, делая прилегающую территорию сильно радиоактивной, а часть переносится на большие расстояния в виде ядерных осадков; часть этого материала распространилась по всему миру. Увеличение фонового излучения в результате этих испытаний достигло пика в 1963 году, составив около 0,15 мЗв в год по всему миру, что составляет примерно 7% средней фоновой дозы от всех источников. Договор о частичном запрещении ядерных испытаний 1963 года запретил испытания над землей, в результате чего к 2000 году глобальная доза от этих испытаний снизилась до 0,005 мЗв в год.
Профессиональное воздействие
Международная комиссия по радиационной защите рекомендует ограничивать профессиональное облучение до 50 мЗв (5 рем) в год и 100 мЗв (10 рем) в течение 5 лет. Однако, фоновое облучение, учитываемое при оценке профессиональных доз, включает в себя излучение, которое не регистрируется дозиметрическими приборами в потенциальных условиях профессионального воздействия. Это включает как естественное фоновое излучение вне рабочей зоны, так и дозы, полученные от медицинских процедур. Значения этого облучения обычно не измеряются и не известны по результатам обследований, что приводит к неопределенности в отношении суммарной дозы, полученной каждым работником. Это может быть существенным искажающим фактором при оценке последствий радиационного воздействия в группе работников, у которых уровни естественного фонового облучения и медицинских доз могут значительно различаться. Особенно это важно при очень низких профессиональных дозах. На конференции МАГАТЭ в 2002 году было рекомендовано, что профессиональные дозы ниже 1–2 мЗв в год не требуют нормативного регулирования.
Атомные аварии
При нормальных обстоятельствах ядерные реакторы выделяют небольшое количество радиоактивных газов, которые приводят к незначительному облучению населения. События, классифицируемые по Международной шкале ядерных событий как инциденты, обычно не приводят к дополнительному выбросу радиоактивных веществ в окружающую среду. Значительные выбросы радиоактивности из ядерных реакторов – крайне редкое явление. На сегодняшний день произошло две крупные аварии на гражданских объектах – авария на Чернобыльской АЭС и авария на АЭС Фукусима-1, – которые вызвали существенное загрязнение. Авария на Чернобыльской АЭС была единственной, повлекшей за собой немедленные смерти. Суммарные дозы облучения от Чернобыльской аварии для жителей пострадавших районов составили от 10 до 50 мЗв в течение 20 лет, при этом основная часть дозы была получена в первые годы после катастрофы, а для ликвидаторов – более 100 мЗв. 28 человек умерли от острого лучевого синдрома. Суммарные дозы облучения от аварий на АЭС Фукусима-1 для жителей пострадавших районов составили от 1 до 15 мЗв. Дозы облучения щитовидной железы у детей были менее 50 мЗв. 167 работников, занятых на ликвидации последствий аварии, получили дозы выше 100 мЗв, из них 6 – более 250 мЗв (японский предел доз для персонала, задействованного в аварийно-спасательных работах). Средняя доза облучения от аварии на Три-Майл-Айленд составила 0,01 мЗв. Военные объекты: помимо описанных выше аварий на гражданских объектах, несколько аварий на ранних предприятиях ядерного оружия – таких как пожар на Виндскеле, загрязнение реки Теча радиоактивными отходами с предприятия «Маяк» и Киштымская авария на том же предприятии – привели к значительному выбросу радиоактивности в окружающую среду. В результате пожара на Виндскеле дозы облучения щитовидной железы составили 5–20 мЗв для взрослых и 10–60 мЗв для детей. Данные о дозах облучения от аварий на «Маяке» неизвестны.
Цикл ядерного топлива
Комиссия по ядерному регулированию, Агентство по охране окружающей среды США и другие государственные и международные органы требуют, чтобы организации, получившие лицензию, ограничивали облучение отдельных членов общественности до 1 мЗв (100 мрем) в год.
Источники энергии
Согласно оценке жизненного цикла ЕЭК ООН, почти все источники энергии приводят к некоторому уровню профессионального и общественного облучения радионуклидами в результате их производства или эксплуатации. В следующей таблице используются единицы man·Sievert/GW в год:
+ИсточникОбщественноеПрофессиональноеЯдерная энергетика0.434.5Уголь (современный)0.711Уголь (устаревший)1.411Природный газ0.10.02Нефть0.00030.15Геотермальная энергия1–200.05Солнечная энергия0.8Ветровая энергия0.1Биомасса0.01
+SourcePublicOccupationalNuclear power0.434.5Coal (modern)0.711Coal (older)1.411Natural gas0.10.02Oil0.00030.15Geothermal1–200.05Solar power0.8Wind power0.1Biomass0.01
Сжигание угля
Угольные электростанции выбрасывают излучение в виде радиоактивной золы-уноса, которая вдыхается и проглатывается жителями близлежащих районов, а также включается в состав сельскохозяйственных культур. В статье 1978 года, опубликованной Национальной лабораторией Оук-Ридж, было подсчитано, что угольные электростанции того времени могли создавать эффективную дозу облучения в 19 мкЗв/год для ближайших жителей в радиусе 500 м. Отчет Научного комитета ООН по воздействию атомного излучения 1988 года оценил эффективную дозу на расстоянии 1 км в 20 мкЗв/год для старых электростанций или 1 мкЗв/год для новых электростанций с улучшенной системой улавливания золы-уноса, однако не смог подтвердить эти данные экспериментально. При сжигании угля выделяются уран, торий и все продукты распада урана, накопленные в нем – радий, радон, полоний. Радиоактивные вещества, ранее содержавшиеся в угольных отложениях, выбрасываются в виде золы-уноса или, если зола-унос улавливается, могут включаться в состав бетона, произведенного с использованием золы-уноса.
Медицинская
Среднее глобальное воздействие искусственного излучения на человека составляет 0,6 мЗв/год, главным образом из-за медицинской визуализации. Этот медицинский компонент может значительно варьироваться, достигая в среднем 3 мЗв в год для населения США. Доза при рентгене зубов составляет от 5 до 10 мкЗв. Компьютерная томография (КТ) обеспечивает эффективную дозу облучения всего тела в диапазоне от 1 до 20 мЗв (100 до 2000 мрем). Средний американец получает около 3 мЗв диагностической медицинской дозы в год; в странах с наименее развитой системой здравоохранения эта доза практически отсутствует. Радиотерапия при различных заболеваниях также вносит вклад в общую дозу облучения, как для пациентов, так и для окружающих.
Потребительские товары
В сигаретах содержится полоний-210, образующийся из продуктов распада радона, оседающего на листьях табака. Интенсивное курение приводит к дозе облучения в 160 мЗв в год, локализованной в местах бифуркации сегментарных бронхов в легких, вследствие распада полония-210. Эта доза не может быть напрямую сопоставлена с нормами радиационной безопасности, поскольку последние рассчитаны на облучение всего тела, а доза от курения воздействует на очень небольшой участок организма.