Nukleáris környezetvédelem

Nukleáris környezetvédelem

1. Dózisfogalmak

2. Az ionizáló sugárzások egészségkárosító hatásai

3. A dózis meghatározásának mérési és számítási módszerei

4. A sugárvédelmi szabályzás rendszere

5. Természetes és mesterséges radioaktivitás (hulladékok) a környezetben

6. Szennyezések terjedése a környezetben, környezeti monitorozás

1. Dózisfogalmak

mól

mmól

atom

V

N

atom

m*Z

m

m*

3M

AA

2

eA

3

2

AA

.incEdxdE

= lineáris energiaátadási tényező = térfogategységre jutó hatásos ütközési keresztmetszet

/ = „tömegabszorpciós” tényező = tömegegységre jutó h.ü.k.

LET = dE/dx = lineáris energiaátadási tényező

σe= elektron h.ü.k. σA= atomi h.ü.k.ütközés: abszorpció vagy rugalmatlan szórás

/ [m2/kg]

x*exp*II 0 Párhuzamos fotonnyaláb gyengülése anyagi közegben

1/1

dózisElnyelt

,,

GyGraykgJ

mE

dmdE

D

*dt

dDE

*r*4

E*f*dtdN

2

RR

E

Egyenérték dóziswR sugárzási tényező - a LET függvénye

wR,α = 20, wR,γ= 1, wR,β= 1, wR,n= 5÷20

]Sv,Sievert[w*DH R 2r

A*k

dt

dD

Négyzetes gyengülési törvény – dózisszámítás

1/2

Effektív dóziswT szöveti súlyozó tényező

DCF [Sv/Bq] – egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (HE/A)

kockázat/effektív dózis-egyenes meredeksége:

5*10-2 eset / Sv

T

TTE ]Sv[wHH

1wT

T

A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személykölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre.

Szöveti súlyozó tényezők:ivarszervek wT=0.20 (genetikus hatás)szomatikus hatásoklegérzékenyebb wT=0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelőérzékenyek wT=0.05 máj, vese, pajzsmirigy stb.kissé érzékeny wT=0.01 bőr

1/3

2. Az ionizáló sugárzások egészséget károsító hatásai

Determinisztikus hatás:- küszöbdózishoz kötött (0.3 – 0.4 Gy)- szövetpusztulást okoz a sugárzás- akut/azonnali hatás- életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztőrendszer, vérképző rendszer

Hatás100%

Küs zöbDózis

0%

2/1

Sztochasztikus hatás:- nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt)- sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus)- kockázat-dózis-függvény lineáris (?)

Kockázat

Dózis

m=5*10-2/S v

2/2

Külső dózis Dózismérővel, dózisteljesítmény-mérővel mérhető Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre) kγ dózistényezők: pontforrásra, detektoranyagra határozható meg

Belső dózis közvetlenül nem mérhető Meghatározás módjai: egésztest-számlálás, vér- és exkrétum-analízis, bejutó

anyagok (levegő, víz, ételek) analízise DCF [Sv/Bq] dóziskonverziós tényező – egységnyi radioaktivitás inkorporációjához

köthető effektív dózis A dózist főként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozza meg Akut (pillanatszerű) vagy krónikus (folyamatos) bevitel – eltérő effektív dózist

eredményeznek

3. Dózis mérése és számítása 3/1

Külső sugárterhelés mérése

Dózismérés: „utólagos” kiértékelésfilmdózismérő - kémiai változásTLD: szilárdtest-dózismérő (termolumineszcencia)elektronikus dózismérők: elektroszkóp, impulzusüzemű gáztöltésű detektorok

Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelésimpulzusüzemű gáztöltésű detektorokszerves szcintillátor detektor

3/2

Külső sugárterhelés mérésének feltétele – Bragg-Gray elv

A detektort és a mérendő személyt azonos távolságba helyezve a sugárforrástól mindkettőt azonos energiafluxus éri.

Az abszorpciós együttható energiafüggése legyen azonosa detektorra és a testszövetre-szövetekvivalens detektor-„energiafüggetlenség” = azonos energiafüggés a két közegre

m

m

x

mE

xE

m

x fD

D

)(

)(

*,

,

3/3

DCF = dóziskonverziós tényező [Sv/Bq]Eltérő lehet-Beviteli útvonal szerint (belégzés vagy lenyelés),-Kémiai forma szerint (a testnedvekben oldható vagy nem oldható)-Életkor szerint

intakeA

HDCF E

TR

RRRRS

ST mTSQfEwuH

1*****

Belső dózis a „T” cél (target) szövetben, az „S” forrás (source) szövetekből kiinduló „R” sugárzásoktól

Belső sugárterhelés számítása 3/4

Belső sugárterhelés számítása

A dózisszámításhoz a minták analízise szükséges.

Az analízis akkor lehetséges, ha

• Ismertek a minta összetevői, vagy azok az analízis eredményeiből meghatározhatók,

• A mennyiségi összetétel számításához hatásfokkalibráció áll rendelkezésre.

f*A

ImHatásfok: részecske

összes

megszámolt

3/5

Két további dózismennyiség

Lekötött dózis

Kollektív dózis

dttHHT

EC )(0

i

iiE nHC ,

A szervezetben 1 évnél hosszabb ideig jelenlévő nuklid által T=50 vagy T=70 év alatt okozott effektív dózis

Adott forrásból i számú, egyenként ni tagú embercsoportnak okozott dózis, egysége személy×Sv.

3/6

4. Sugárvédelmi szabályzás - A sugárvédelem alapelvei

• Determinisztikus hatáshoz vezető dózis legyen lehetetlen• Csak az „alkalmazásokhoz” kapcsolható dózis

korlátozható, a természetes eredetű nem – a korlátozás a többletdózisra vonatkozik

• Indokoltság: a sugárforrás alkalmazásának több előnye legyen, mint kára

• Optimálás: az „alkalmazás” a lehető legnagyobb előnnyel kell, hogy járjon – optimális dózisszint – tervezési alap – ALARA (As Low As Reasonably Achievable)

• Egyéni korlátozás – immissziós és emissziós korlátok – át nem léphetők, ha a tervezési alap helyes volt.

4/1

A dóziskorlátozás rendszere

DL – immissziós korlát foglalkozási korlát 20 mSv/év (5 év átlagaként)lakossági korlát 1 mSv/év

DC - emissziós korlát (dózismegszorítás)

is

DCDL Az emissziós és immissziós korlátok nem keverhetők

A kibocsátott aktivitás a környezeti terjedés során jelentősen hígul

DLDC és

ikii

ii

ii

i

AA

DCDCFAésDCFDC

A

,max,

max,max, *

4/2

A dóziskorlátozás rendszereSzabályzásból kizárt sugárzási helyzetek (Exclusion) – természetes

radioaktivitás az emberi testben, kozmikus sugárzás a Föld felszínén

Elhanyagolható dózis: Hi ≈10 μSv/év

Mentességi szint: (Exemption) egy sugárforrás, illetve egy adott radioaktív koncentrációval jellemzett anyag a legkedvezőtlenebb forgatókönyv mellett sem okoz Hi-nél nagyobb dózist (foglalkozási vagy lakossági helyzetben). [Bq], [Bq/kg]

Felszabadítási szint: (Clearance) egy korábban sugárvédelmi szabályozás alá tartozó anyag kivonható a szabályzás alól (lakossági helyzetben.) [Bq/kg], [Bq/m2]

Hasonlóság: kapcsolat Hi-vel. Eltérés: forgatókönyv

4/3

5. Természetes és mesterséges radioaktivitása környezetben – radioaktív hulladékok

Természetes radioaktivitás: * kozmikus sugárzás szoláris, galaktikus, befogott részecskékvilágűrben: protonok, -részecskék, pozitív ionoklégkörben: neutronok, fékezési fotonsugárzás (Föld felszínén: 25-30 nSv/h)* kozmogén radionuklidok (3H, 14C, 7Be)* ősi radionuklidok (az ős-Nap életciklusa során többféle „ciklus”-ban keletkeztek)

Legfontosabb ősi radionuklidok:- 40K (T= 1.28 milliárd év, belső sugárterhelés: 0.3 mSv/év)- bomlási sorozatok: 238U, 232Th, 235U

5/1

238U: T= 4.47 milliárd év (4-6 ppm a Föld felszínén) – bomlási sor leányelemek között 226Ra, 222Rn222Rn (T= 3.8 nap)rövid felezési idejű, - és --sugárzó leányelemei 218Po, 214Pb, 214Bi, 214Pobelső sugárterhelés: átlagosan 1.0 – 2.0 mSv/év222Rn-koncentráció (EEC):

szabad levegőn 1 – 10 Bq/m3

zárt térben 5 – 100 Bq/m3

sok radon: pince, bánya, barlang, építőanyagkevés radon: víz felett

aktivációs termékek 238U –ból nukleáris reaktorban: 239Pu stb. hasadóanyag, nagy DCF

5/2238U bomlási sorozata

232Th: T= 14.1 milliárd év (7-10 ppm a Föld felszínén) bomlási sor - leányelemek: köztük 220Rn

220Rn (T= 55 s) – kevéssé tud kikerülni a levegőbedózisjárulék 0.1 mSv/év

235U: T= 0.71 milliárd év (a természetes urán 0.7 %-a) a nukleáris energiatermelés legfontosabb alapanyaga: indukált hasadás neutronok hatására

További bomlási sorozatok 5/3

Természetes sugárterhelés : átlagosan 2 - 3 mSv/év belső sugárterhelés 65 %külső sugárterhelés 35 % (kozmikus sugárzás, ősi nuklidok a talajból,építőanyagokból)

továbbá: orvosi eredetű sugárterhelés átlagosan 0.3 mSv/év

5/4

Mesterséges radioaktivitás – hulladékok/üzemi kibocsátások- Nukleáris reaktorok hulladékai

hasadási (131I, 137Cs) aktivációs (239Pu) és korróziós (60Co) termékek

- Nukleáris robbantások, fegyverkísérletek hulladékai- Ipari sugárforrások- Orvosi (diagnosztikai és terápiás) sugárforrások- „TENORM”: mesterséges okból megnövekedett

természetes sugárterhelés* szén-, olaj- és gáztüzelésű erőművek (salak, hamu,

pernye)* nukleáris üzemanyag előállítása* egyéb

5/5

i i

i

MEAK

AKS

Kategóriák a mentességi szint(MEAK [Bq/kg]) alapján: kis-, közepes- és nagyaktivitású hulladékAK: aktivitás-koncentráció [Bq/kg]

Kisaktivitású hulladék (LLW) 1 < S < 1000Közepes akt. h. (ILW) 103 < S <106

Nagy akt. h. (HLW) S > 106, hőfejlődés > 2 kW/m3

Mentesség ≈ Felszabadítás ???azonosság: kapcsolat az elhanyagolható dózissal (10 μSv/év)eltérés: forgatókönyvek

5/6

Radioaktív hulladék menedzsment

Gyűjtés Osztályozás, minősítés Térfogatcsökkentés Kondicionálás Átmeneti és/vagy végleges elhelyezés

Alternatív megoldások: kiégett nukleáris üzemanyag reprocesszálása, hosszú felezési idejű hulladék-komponensek transzmutációja

5/7

Térfogatcsökkentés

• Általános: préselés, égetés, bepárlás

• Specifikus: felületi (szorpció), térfogati (extrakció)

Kondicionálás

• Cementezés (LLW, ILW)

• Bitumenezés (szerves LLW)

• Üvegesítés (HLW)

5/8

0,

1,

A

A

c

cVR

I

A

c

cDF 0,

TENORM és nukleáris energiatermelés összehasonlítása – üzemi adatok

Kibocsátott összes radioaktivitás (1988):

Paks AE: 0.5 MBq/MW

Ajka, Pécs szénerőmű: 3-4000 MBq/MW

Radioaktív hulladék elhelyezéseMérnöki gátak – mélységi védelem módszereÁtmeneti: telephelyen belül vagy önálló felszíni telephelyen (KKÁT)Végleges:

• LLW – ILW: felszínközeli vagy mélységi lerakóhely (Püspökszilágy *** Bátaapáti)•HLW: mélységi lerakóhely (Boda – BAF)•Alternatíva: reprocesszálás

5/9

6. Szennyezések terjedése a környezetben

Általános terjedési egyenlet:

A : advekció (hajtóerő: gravitáció, hidrosztatikai nyomás)D : diffúzió (hajtóerő: kémiai potenciál)R : reakció (fizikai és kémiai szorpció, ioncsere stb.) (hajtóerő: kémiai potenciál)P : ülepedés (hajtóerő: gravitáció)

(forrástag időben állandó) Homogén rendszerek: levegő, felszíni víz, karsztvízHeterogén rendszerek: talajvíz, geológiai rétegek, biológiai anyagokTerjedési egyenletek inverze szükséges az emissziós korlátozás megállapításáhozNukleáris/radiológiai balesetek, kibocsátások

Windscale, Three Mile Island, Csernobil, Goiania, Algeciras, Tokai-mura.

Csernobil becsült magyarországi hatása 1 – 3 mSv

cPRDAdt

dc

6/1

Terjedési egyenletek

ctSPRDAt

c*)(

ctScgradDdivcgradutc

*)())(*()(*

ctSi

cD

ix

cu

t

czyxiix *)()*(* ,,

Általános egyenlet időfüggőforrástaggal

Advekció és diffúzió kifejtése

Egyirányú advekció, homogén diffúzió

6/2

Nukleáris környezeti monitorozás

DL és DC betartásának ellenőrzése: Mérés Kiértékelés BeavatkozásA feladatok hasonlóak normális és baleseti helyzetben is.

Irányadó szintek szükségesek minden radionuklidra a környezeti közegekben (levegő, víz, talaj stb.)

Biztonság: a szint mérhető kell, hogy legyen, mielőtt az irányadó szintet túllépnénk.

Monitorozás: mintavétel, mérés és kiértékelés szervezett, standard rendszere.

6/3

Nukleáris környezeti monitorozás

Helyi rendszerek: emissziót produkáló létesítmény körül [= kibocsátás-ellenőrzés ??]Regionális rendszerek: immisszió ellenőrzése nagyobb területen

egyenletesen elosztott mérőállomásokkal

•Gamma-dózisteljesítmény folyamatos mérése – KORAI RIASZTÁS

•Légköri szennyeződés folyamatos mérése dúsításos mintavétellel – KORAI RIASZTÁS – aeroszol- és jódszűrés (elemi, szerves)

•Szakaszos mintavételezéses módszerek:- száraz és nedves légköri kihullás,- felszíni-, ivó- és talajvíz,- talaj- és biológiai minták.

6/4

Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerek

Gamma-dózisteljesítmény mérésefolyamatos/automatizált mérési adatgyűjtéskörnyezeti dózisteljesítmény (talajszint) : 70 – 180 nSv/hOSJER riasztási szint : 500 nSv/h

•Természetes radioaktivitás: szintje eltérő a környezetben, általában nem tárgya a szabályozásnak. (kozmikus sugárzás, földi radioaktivitás)•TENORM: „technologically enhanced naturally occurring radioactive material” – „alkalmazásnak” tekintendő, szabályozandó.•Mesterséges radioaktivitás: „alkalmazások” kibocsátása, radioaktív hulladékok stb.•Berendezések ionizáló sugárzása (pl. Röntgen) – kikapcsolható.

6/5


környezeti dózisteljesítmény monitorozása hosszú időn át

A felvételen három különböző hatás látható:

• helyi hatások (emisszió),• gyors környezeti hatások (változó szintű szennyezés),• lassú környezeti hatások.

A jelszint nem éri el a riasztási küszöböt. A felvétel részletes értékelésre e formában nem alkalmas.

dózisteljesítmény[nSvh]

6/6


helyi hatások a környezeti dózisteljesítményre

Oktatóreaktorban frissen előállított 24Na sugárforrások ideiglenes tárolását érzékelte a monitor. A felfutó él a művelet pillanatszerűségére, a lefutás a főkomponens felezési idejére jellemző.


6/7


környezeti csapadékcsúcsok

A csapadék kimossa a levegőből a talaj felszínére az aeroszolhoz kötött radon-leányelemeket . Ezek (222Rn és 220Rn-származékok) feldúsulása a ülepedési sebességtől és hatásfoktól, bomlása az effektív felezési időtől függ. Hasonló alakú profilok származhatnak mesterséges eredetű radioaktív szennyezést tartalmazó „pöfföktől” is.



környezeti dózisteljesítmény mérése

Következtetések:

A dózisteljesítmény változása képet ad a környezet állapotáról.

Helyi rendszerek: jelzik a helyi változásokat is.

Regionális rendszerek: nehéz (néha lehetetlen) megkülönböztetni a természetes növekedést a mesterséges szennyezéstől.

A „biztonságos” riasztási küszöb jóval nagyobb kell, hogy legyen a természetes ingadozás maximumánál.

További mérési módszer szükséges a jobb érzékenység eléréséért és a téves riasztások kizárásához.

6/8

Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerek aeroszol mintavételezés és mérés

Légköri radioaktív szennyezés dúsítása és mérése mintázás: speciális szűrők az alábbi anyagokra:

- aeroszol, - atomos vagy molekuláris jód,- szerves jódvegyületek

mérés: alfa/béta, gamma-spektrometria

eljárás: folyamatos/automatikus működés, mozgószűrős vagy állószűrős kivitel

6/9

Nukleáris környezeti monitorozás aeroszol mintavételezés és mérés a kibocsátási forrás

közelében

Lokális rendszer egy emissziós forrás köré telepítve

Várható szennyezési profil: egységugrás-függvény

Activityon filter

time

Előnyös módszer: mozgó szűrőszalag (differenciálás)

6/10

Nukleáris környezeti monitorozás aeroszol mintavételezés és mérés a kibocsátási forrástól távol

Regionális rendszer – egyenletesen elosztott állomások - immisszió felügyelete

Várható szennyezési profil: elnyújtott, lassan növekvőActivityon filter

time

Előnyös módszer: álló szűrőlap (integrálás)

6/11

Nukleáris környezeti monitorozás környezet-ellenőrzés aeroszol mintavétellel

Az állomás vezérlő programja az alábbi feladatokat látja el:• Adatgyűjtés a detektor(ok)tól;• Nukleáris spektrumok kiértékelése – mesterséges radioaktivitás

azonosítása változó természetes “alapvonalon” – mért érték [Bq/m3];

• Természetes radioaktivitás értéke: Rn EEC [Bq/m3] KIMUTATÁSI HATÁR megadása, ha mesterséges radioaktivitást nem detektált;

• A detektor(ok) rendszeres kalibrálása;• Elektromechanikus elemek vezérlése (szivattyú, szűrőkezelés

stb.);• Adatgyűjtés más mérőberendezésekből (meteorológiai

szenzorok, dózisteljesítmény-mérő stb.);• Kommunikáció a központi számítógéppel.

Basic equation for activity build-up on filter surface (Im = measured intensity [cps])

TRUE

LIVEtt

LIVEm t

tdteV

C

t

fI

TRUE

*)1(**** .

0

ηγ: efficiency for the gamma line of the given isotope, fγ: gamma abundance of the

given gamma line, tLIVE: live time, tTRUE: true time, λ: decay constant, .

V : volume rate of pump.

After integration and solving for

C , mean activity concentration during sampling cycle [Bq/m3]

TRUE

tTRUEm

te

t

Vf

IC

TRUE

*1

1

**

1*

* *

Nukleáris környezeti monitorozás Detektorok válaszának modellezése

Ezeket a számításokat a kiértékelő programnak kell elvégeznie.

6/12

222Rn alfa-béta spektrum6/13

220Rn + 222Rn alfa-béta spektrum

6/14

222Rn 6/15

Radon – LDs - Time 6/16

Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerek aeroszol-mintavétellel

Összefoglalás:

Részecskeszűrő és azt követően jódszűrőt is alkalmazhatunk.

Regionális rendszereknél az álló szűrő előnyösebb.

Nuklidspecifikus meghatározás szükséges, hogy megkülönböztessük a természetes és a mesterséges radioaktivitást.

Jelentendő értékek: • természetes radioaktivitás (222Rn-EEC stb.) – „minőség-ellenőrzés”• mesterséges radioaktivitás (radionuklid, aktivitás-koncentráció, KIMUTATÁSI HATÁR )

6/17

Documents

Nukleáris környezetvédelem