Sztuczne źródła promieniowania jonizującego

Pewien wpływ na podwyższenie tła promieniowania naturalnego ma stosowanie radio-izotopów i sztucznych źródeł promieniowania przez człowieka w radiomedycynie, na-uce, przemyśle, energetyce – awarie reaktorów jądrowych, wojskowości – próbne wybu-chy jądrowe.

Promieniowanie jonizujące stosowane w medycynie

Promieniowanie jonizujące stosowane w medycynie ma około 26,6% udziału w ca-łej dawce otrzymywanej przez przeciętnego Polaka. Składają się na nie przede wszyst-kim badania rentgenowskie (np. zdjęcia stomatologiczne kości lub klatki piersiowej). Pozostała część wiąże się z tzw. medycyną nuklearną charakteryzującą się stosowaniem izotopów promieniotwórczych do celów diagnostycznych oraz terapii przy pomocy apa-ratów emitujących promieniowanie X. Ponadto wzrasta ilość zastosowań radiofarma-cełtyków w diagnostyce medycznej i to spowodowało utworzenie nowej gałęzi medycy-ny nazwanej medycyną nuklearną. Dziedzina ta stosuje obecnie kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych i są to np.: służące obrazowaniu zmian chorobotwórczych: technet

99mTc, chrom 51Cr, fosfor 33P, ind 111In, sód 24Na, węgiel 11C, czy też służące leczeniu właściwemu: bor 10B, kobalt 60Co, stront 89Sr, złoto 198Au, pallad 103Pd [3, 4, 6-8, 18-21].

Jak wspomniano powyżej, promieniowanie jonizujące może mieć również terapeu-tyczne zastosowanie. Jako przykład warto przytoczyć teleterapię, czyli napromieniowa-nie nowotworu promieniowanapromieniowa-niem gamma, które jest emitowane przez izotop 60Co znaj-dujący się w bombie kobaltowej. Umożliwia on zniszczenie guza nowotworowego [3, 4, 6-8, 18-21].

Obok teleterapii stosowana jest w medycynie również brachyterapia, która polega na wprowadzeniu do guza nowotworowego zamkniętego źródła promieniotwórczego lub implantacji (w postaci drucików lub ziaren) np. 192Ir celem zniszczenia komórek ra-kowych [3, 4, 6-8, 18-21].

Promieniowanie jonizujące stosowane w nauce i technice

W naukach biologicznych radionuklidy znalazły zastosowanie w: analizie sekwencji DNA, oznaczaniu zawartości hormonów i enzymów w próbkach krwi, śledzeniu sub-stancji biologicznie czynnych w organizmie i ich selektywny pobór przez określone

or-171

Ochrona radiologiczna

gany, analizie procesów pobierania przez rośliny metali występujących w glebie i ich obieg w łańcuchu pokarmowym. W przypadku nauk geologicznych stosowane są różne metody, takie jak: węglowa, trytowa, helowa, strontowa i inne w celu określania wieku skał, minerałów i różnego rodzaju próbek geologicznych [1-4, 6-8].

W przemyśle stosuje się również izotopy promieniotwórcze do: pomiaru grubości materiałów (np. cer 144Ce), określania masy produktów (np. tal 204Tl), wykrywania wad materiałowych (np. iryd 192Ir), detekcji dymu (ameryk 241Am), zasilania ogniw elektrycz-nych w satelitach (pluton 238Pu), sterylizacji produktów medycznych (kobalt 60Co), bada-nia zużycia części trących w maszynach (żelazo 59Fe), wyznaczenia biegu podziemnych rzek (sód 24Na), usuwania elektryczności statycznej (polon 210Po) i innych [18].

Zastosowanie promieniowania jądrowego w energetyce i w celach militarnych Z tak szerokiego spektrum zastosowań radioizotopów niewiele osób zdaje sobie sprawę. Znacznie powszechniejsza jest wiedza na temat wykorzystania radioizotopów w energetyce jądrowej i w celach militarnych. Zgodnie z danymi przedstawionymi przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (IAEA) na świecie pracuje obecnie 439 reaktorów w 31 krajach, o mocy całkowitej 372,2 GW. Reaktory te dostarczają około 16% światowej energii elektrycznej. Korzyści wynikające z rozwoju energetyki jądro-wej to przede wszystkim niższe ilości emitowanego dwutlenku węgla, głównego gazu odpowiedzialnego za efekt cieplarniany, w porównaniu do konwencjonalnej energetyki. Kolejnym atutem jest niższa emisja pyłów, tlenków azotu i dwutlenku siarki do atmos-fery. Ponadto, jak wynika z badań przeprowadzonych przez naukowców szwajcarskich, energetyka jądrowa jest najbezpieczniejszym i najczystszym źródłem energii, 10 razy bezpieczniejszym od znajdującej się na drugim miejscu energetyki gazowej. Niemniej jednak, mimo kładzenia wysokiego nacisku na bezpieczeństwo, na przełomie kilkudzie-sięciu ostatnich lat doszło do kilku poważnych awarii jądrowych, do których zalicza się: awarię w Three Mile Island, katastrofę w Czarnobylu oraz w Fukushima-Daiichi [1, 12]. Awaria reaktora jądrowego w Three Mile Island, do której doszło w marcu 1979 r., spowodowała, że do atmosfery przedostały się pierwiastki promieniotwórcze i gazy szlachetne o aktywności Bq. Największy wkład do dawki miały pierwiastki promienio-twórcze, takie jak: 131I, 137Cs oraz 210Po. Silne wiatry wiejące w tym okresie przeniosły około 259,3 TBq radioizotopów, powodując skażenie terenów Skandynawii, Francji i Belgii [12].

Największymi awariami, jakie miały miejsce na świecie do chwili obecnej uważa się awarie jądrowe w Czarnobylu i Fukushimie. Osiągnęły one najwyższy możliwy poziom – 7 w Międzynarodowej Skali Zdarzeń Jądrowych i Radiologicznych

(Inter-national Nuclear and Radiological Event Scale – INES). Awaria w Czarnobylskiej

Elek-trowni Atomowej, która miała miejsce 26 kwietnia 1986 r., wynikała z niefortunnie przeprowadzonego eksperymentu. Polegał on na odłączeniu dopływu pary wodnej do turbiny generującej elektryczność w celu sprawdzenia, jak długo pompy chłodzenia obiegu reaktora mogą pracować, korzystając tylko z bezwładności turbin. W

przypad-172

ku elektrowni jądrowej w Fukushimie przyczyną awarii 11 marca 2011 r. było trzę-sienie ziemi. Wywołało ono fale tsunami, te zaś doprowadziły do uszkodzenia awa-ryjnych systemów zasilania. To spowodowało unieruchomienie systemów awaryjnego chłodzenia kilku bloków energetycznych. Efektem było przegrzanie i uszkodzenie rdzeni reaktorów oraz basenów wypalonego paliwa jądrowego. Zdarzenie w Czarno-bylu dotyczyło jednego reaktora i zostało w stosunkowo krótkim czasie opanowane. Awaria w Fukushimie objęła cztery reaktory, które zawierały dziesięć razy więcej sub-stancji promieniotwórczych niż reaktor w Czarnobylu. Należy zdać sobie sprawę, że ani jedna, ani druga awaria nie wynikała z usterek konstrukcji reaktorów. W pierw-szym przypadku zawinił człowiek, w drugim – nieokiełznane siły natury. Konsekwen-cją obu tych zdarzeń było niekontrolowane uwolnienia znacznych ilości substancji promieniotwórczych, m.in. jodu – 131 (131I), cezu – 134 (134Cs), cezu – 137 (137Cs), strontu – 90 (90Sr), co spowodowało m.in. skażenie środowiska naturalnego. Ponadto na skutek awarii japońskiej elektrowni jądrowej do atmosfery i środowiska przedosta-ły się znaczne ilości toksycznego i silnie promieniotwórczego izotopu plutonu 239Pu. Jest on szczególnie niebezpieczny dla człowieka, ponieważ wchłonięcie drogą wziew-ną zaledwie miliardowych części grama tego izotopu wystarcza, by wywołać chorobę popromienną [12].

Według oficjalnych danych Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wied-niu do końca 2004 r. wskutek awarii w Czarnobylu śmierć poniosło 56 osób, w tym dziewięcioro dzieci z powodu raka tarczycy [11]. Ponadto szacuje się, że średnio 6% substancji promieniotwórczych stanowiących 1019 Bq materiałów promieniotwórczych znajdujących się w rdzeniu reaktora przedostało się do atmosfery, powodując skażenie środowiska naturalnego i konieczność ewakuacji około 116 tys. osób mieszkających w promieniu 30 km od elektrowni. Około 70% opadów promieniotwórczych znalazło się na Białorusi, a duża część pozostałych opadów na terytorium Ukrainy, Rosji oraz pozostałej części półkuli północnej. Obszar o powierzchni 10 tys. km2 (Ukraina, Rosja, Białoruś) uległ skażeniu cezem (137Cs) do poziomu 550-1500 kBq/m2 i stanowi on strefę nadal znajdującą się pod stałą kontrolą [12].

W przypadku awarii elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi aktywność materiału promieniotwórczego, który przedostał się do powietrza w pierwszych dniach po kata-strofie, oscylowała w granicach od 3,7 x 1017 Bq do 6,3 x 1017 Bq [12]. Ze względu na pojawienie się w powietrzu atmosferycznym znacznych ilości 131J i 137Cs władze admini-stracyjne zarządziły ewakuację ludności najpierw z trzykilometrowej strefy bezpośrednio przylegającej do elektrowni jądrowej, potem w promieniu 20 km, a ostatecznie w strefie 30 km. Doszło do skażenia gleby, wody pitnej i żywności. W raporcie TEPCO (Tokyo

Electric Power Company) z czerwca 2011 r. stwierdzono, że w pierwszych czterech

do-bach po trzęsieniu ziemi do atmosfery przedostały się poza jodem i cezem śladowe ilo-ści izotopów strontu 90Sr, plutonu 238Pu, 239Pu, 240Pu i 241Pu (około 50 g), neptunu 239Np (około 1 mg) i teluru 129Te. Szacuje się, że podczas całej awarii jądrowej do atmosfery

173

Ochrona radiologiczna

przedostały się znaczne ilości cezu 137Cs o aktywności rzędu 1017 Bq. Ponadto według oficjalnych danych TEPCO, do końca marca 2011 r. dawkę skuteczną powyżej 100 mSv otrzymało 21 pracowników. Ilość substancji radioaktywnej, która przedostała się do at-mosfery w trakcie awarii w Fukushimie, była według szacunków dziesięć razy mniejsza, niż miało to miejsce podczas awarii w Czarnobylu [12].

Izotopy promieniotwórcze znalazły również zastosowanie w celach wojskowych. Najważniejszym z nich jest niekontrolowana reakcja łańcuchowa materiału rozszcze-pialnego (uran 233U, uran 235U, pluton 239Pu), używana do produkcji broni jądrowej. Za-nim wprowadzono zakaz wykonywania takich prób we wszystkich krajach, przeprowa-dzonych zostało ponad 2000 wybuchów o łącznej sile 550 Mt TNT [1-3]. Wówczas do wysokich warstw atmosfery zostały wprowadzone takie radioizotopy, jak: 140Be, 131I,

141Ce, 3H, 103Ru, 95Zr, 91Y, 89Sr, a mieszkańcy Ziemi zostali poddani oddziaływaniu dłu-gożyciowych pierwiastków radioaktywnych: 14C, 90Sr, 137Cs, 239Pu i 240Pu.

Wybuchy próbne były prowadzane na poligonach jądrowych znajdujących się przede wszystkim na półkuli północnej, dlatego jej skażenie np. 90Sr jest 3,5 razy większe niż na południowym obszarze kuli ziemskiej [8]. Od roku 1945 do momentu wprowa-dzenia zakazu wykonano około 2000 próbnych wybuchów jądrowych.

Reaktory jądrowe znalazły również zastosowanie jako napędy łodzi podwodnych, krążowników oraz lotniskowców. Użycie tego typu źródła energii szczególnie w okrętach podwodnych spowodowało, że mogą one bez wynurzenia (uzupełniania zapasów paliwa) pokonywać setki tysięcy kilometrów.