Podstawowe informacje

o promieniowaniu , promieniowaniu jonizującym i promieniotwórczości

PROMIENIOWANIE - to jeden ze sposobów przenoszenia energii

Promieniowanie elektromagnetyczne

rozchodzące się w przestrzeni wzajemnie sprzężone zmienne pola elektryczne i magnetyczne. Promieniowanie opisujemy podając długość fali, λ (jednostka - metr[m]), częstotliwość ,ν (jednostka - herc [Hz]=[1/s]) (częstotliwość jest odwrotnością okresu drgań, T, wyrażonego w sekundach) oraz prędkości rozchodzenia się, V (jednostka [m/s])

λ = VT = V/ν

w próżni fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością c=3×10⁸ m/s,

λ = cT = c/ν

w ośrodku materialnym V<C

Różne zakresy długości fal elektromagnetycznych noszą różne nazwy - możemy wyróżnić promieniowanie radiowe, radar, podczerwień, fale świetlne, promieniowanie nadfioletowe, rentgenowskie czy gamma...... Promieniowanie elektromagnetyczne możemy, ze względu na tzw. dualizm korpuskularno-falowy, rozumieć i opisywać jako strumień cząstek, zwanych kwantami lub fotonami, niosących energię

E = hν = hc/λ

gdzie stała h („stała Plancka”) ma wartość 6,626×10 ^-34[J×s] = 4,136×10 ^{- 15} [eV×s]

Energia fotonów promieniowania elektromagnetycznego, E, rośnie gdy wzrasta częstotliwość, ν, a maleje wraz ze wzrostem długości fali, λ.

Gdy promieniowanie elektromagnetyczne niesie energię wystarczającą do wybicia elektronów z atomów lub molekuł (taki proces nazywamy jonizacją) nazywane jest promieniowaniem jonizującym .

Promieniowanie elektromagnetyczne towarzyszy nam od zawsze, dochodzi do nas np. ze Słońca i całego Wszechświata, potrafimy je wytwarzać (łączność radiowa, telewizja, radar, telefonia komórkowa, kuchenki mikrofalowe, promienniki podczerwieni, światło widzialne, nadfiolet, promieniowanie rentgenowskie , promieniowanie gamma) i stosować.

Promieniowanie korpuskularne

to rozchodzenie się w przestrzeni drobin materii -„cząstek”, posiadających określoną masę (m) i prędkość (υ) czyli energię kinetyczną E_K (wyrażaną w dżulach, J, lub elektronowoltach, eV)

gdy w wyniku oddziaływania promieniowania korpuskularnego z materią ośrodka następuje wybicie elektronów z atomów lub molekuł (a więc jonizacja) to mamy wtedy promieniowanie jonizujące - mogą to być elektrony, protony, jony, a nawet neutrony, które, choć nie posiadają ładunku elektrycznego, mogą, przez innego typu oddziaływania, pośrednio zjonizować ośrodek. Promieniowanie korpuskularne dociera do nas ze Słońca i całego Wszechświata, z naturalnych i sztucznie wytwarzanych substancji promieniotwórczych, możemy je wytwarzać , celem dalszego zastosowania, w akceleratorach , reaktorach i innych urządzeniach.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Promieniotwórczość to spontaniczna emisja promieniowania jonizującego (elektromagnetycznego lub korpuskularnego) z jąder atomowych określonych izotopów.

Warto zapamiętać:

Nie każde promieniowanie elektromagnetyczne czy korpuskularne jest promieniowaniem jonizującym

Promieniotwórczość zawsze oznacza emisje promieniowania jonizującego, ale nie każde promieniowanie jonizujące pochodzi z przemian promieniotwórczych ;

Pierwiastki chemiczne określamy przez nazwę (np. wodór, potas, uran......), symbol chemiczny (wodór - H, potas - K, uran - U,...) lub przez podanie liczby atomowej, Z (czyli „numeru” w Tablicy Mendelejewa) ; Przykładowo: dla wodoru, H, Z=1, dla potasu, K, Z=19, dla uranu, U, Z=92..... ;

Liczba atomowa - Z („numer” w Tablicy Mendelejewa) to liczba protonów (o dodatnim ładunku) w jądrze atomowym, równa liczbie krążących wokół jądra elektronów (o ładunku ujemnym);

Izotopy określonego pierwiastka chemicznego X (o danej liczbie atomowej Z) różnią się liczbą neutronów (N) w jądrach atomowych, a więc mają różną liczbę masową A=Z+N.

Liczba masowa A = Z + N. „Wizytówka” izotopu wygląda tak :

zapis pełny
, zapis uproszczony

ponieważ symbol chemiczny pierwiastka (X) jednoznacznie określa Z;

Przykład: izotop wodoru, H, (Z=1, jeden proton) zawierający 2 neutrony (N=2) to ³H, a izotop potasu, K, (Z=19) zawierający 21 neutronów (N=21) to ⁴⁰K

Rozpad promieniotwórczy to spontaniczna, samorzutna emisja energii z jąder atomowych danego izotopu, w postaci cząstek materii o określonej energii kinetycznej (α, β, protonów, neutronów, jonów...) lub fotonów γ (kwantów) promieniowania elektromagnetycznego o energii E = hν= hc/λ;

W znanych nauce izotopach energie promieniowania α,β,γ nie przekraczają kilkunastu MeV

1 eV = 1,6 × 10^-19 J; 1 keV = 10³ eV; 1 MeV = 10⁶ eV; 1 GeV = 10⁹ eV;

Promieniowanie jonizujące to cząstki (jak protony, cząstki α, β, jony, fotony γ, neutrony...) o energii wystarczającej do oderwania elektronu od atomu lub molekuły (a więc mogące zjonizować atomy ośrodka).

Przenikliwość promieniowania jonizującego - przy tej samej energii promieniowania- największa dla promieniowania γ, najmniejsza dla promieniowania α;

promieniowanie α ( o energii ~1 MeV) ma zasięg ok. 1 mg/cm², zatrzyma je warstwa powietrza ~1 cm, kartka papieru o grubości 0,1 mm, warstwa wody o grubości 0,1 mm

promieniowanie β ( energia ~1 MeV):zasięg ~3 m powietrza, 4 mm plexi, 0,6 mm stali

osłabienie o połowę promieniowania γ ( 1 MeV) wymaga grubości ok. 10 g/cm², czyli

~10 cm wody , ~3 cm betonu, ~1 cm ołowiu, ~100 m powietrza

Aktywność, czyli liczba rozpadów promieniotwórczych jąder atomowych danego izotopu, ΔN, w czasie Δt, w próbce zawierającej N atomów jest proporcjonalna do N: ΔN/Δt=λN co prowadzi do zależności

N(t) = N₀exp(−λt) , gdzie stała rozpadu, λ, opisuje szybkość zachodzenia procesu;

Jednostką aktywności jest bekerel [Bq], równy 1 rozpadowi w czasie 1 s;

Czas połówkowego zaniku, T_½ . to czas, w którym ulega rozpadowi połowa początkowej liczby jąder danego izotopu promieniotwórczego; Jest to również miara szybkości zachodzenia rozpadu. Relacja pomiędzy stałą rozpadu, λ, a czasem T_½ : λ=ln2/ T_½

• niekiedy, zamiast T_½ podawany jest średni czas życia , τ = 1/λ,

• mierzone obecnie czasy T_½ wynoszą od ułamków nanosekund do ~10²² lat; Dla niektórych obiektów pytanie o trwałość jest zagadnieniem zasadniczym - pomiary trwałości protonu określiły dolną granicę średniego czasu życia ,τ,na 2,1×10²⁹ lat, dolna granica τ dla elektronu to 4,6×10²⁶ lat, dla jednego z izotopów telluru, ¹²⁸Te , gdzie przewidywany jest tzw. podwójny rozpad beta (jednoczesna emisja dwóch elektronów) dolna granica pomiaru T_½ wynosi ~10²⁴lat

Jonizacja ośrodka to przekazanie energii od poruszającej się cząstki do atomów ośrodka;

Dawka pochłonięta to ilość energii przekazanej przez promieniowanie jonizujące jednostce masy absorbenta, jednostką jest grej [Gy]=[J/kg] - 1 Gy to przekazanie 1 J energii do 1 kg ośrodka

Dawka efektywna to miara działania promieniowania jonizującego na organizmy żywe - podawana jest w siwertach [Sv];

Skutek biologiczny [Sv] ~ Q×dawka [Gy], gdzie Q to liczba zależna od rodzaju i energii promieniowania jonizującego oraz od cech tkanki ;

Moc dawki - odniesienie dawki do czasu - Gy/h, mSv/rok, ...

Obecnie w Polsce średnio, na osobę, mamy 3,3 mSv/rok = 0,376 μSv/h = 0,376×10⁻⁶ Sv/h

Naturalne tło promieniowania jest różne w różnych rejonach świata od ~0,3 mSv rocznie na środku oceanu do ~ 300 mSv rocznie lokalnie w Brazylii, Kanadzie, Iranie czy Chinach;

Średnia dawka śmiertelna ,
(ang. „lethal dose” , zdefiniowana jako śmierć 50 % populacji w czasie pierwszych 30 dni od otrzymania dawki ), wynosi ~3 Sv w czasie 1÷2 godzin (na całe ciało, bez pomocy lekarskiej);

Próg szkodliwości oceniany jest na ~200mSv /h

Naturalne tło promieniowania γ w Polsce 2008 r 51÷152 nGy/h, średnio 89 nGy/h = 89×10⁻⁹ Gy/h

Roczny efektywny równoważnik dawki promieniowania jonizującego

dla Polski - według źródeł pochodzenia

[ dane - CLOR ]

rok 1999 - 3,3 mSv, rok 2000 - 3,3 mSv rok 2002 - 3,36 mSv

ŹRÓDŁA NATURALNE	1999 %	2000 %	2002 %	ŹRÓDŁA SZTUCZNE	1999 %	2000 %	2002 %
radon	40,0	40,0	40,5
toron	2,0	2,0	3,0
gamma	13,9	13,8	13,7
wewnętrzne	8,5	8,6	8,2
kosmiczne	8,7	8,7	8,6
				diagnostyka medyczna	25,8	25,8	25,3
				awarie	0,4	0,4	0,4 0,3 praca ~(0,1) przedmioty(0,1) wybuchy (0,1)
				inne( np. TV,PC)	0,7	0,7
RAZEM	73,1	73,1	74,0		26,9	26,9	26,0

rok 2003 - 3,35 mSv, rok 2004 - 3,4 mSv , rok 2005 - 3,35 mSv

ŹRÓDŁA NATURALNE	2003 %	2004 %	2005 %	ŹRÓDŁA SZTUCZNE	2003 %	2004 %	2005 %
radon	40,6	40,7	40,6
toron	3,0	3,0	3,1
gamma	13,8	13,9	13,8
wewnętrzne	8,1	8,0	8,1
kosmiczne	8,5	8,5	8,4
				diagnostyka medyczna, w tym: badania rentgenowskie badania „in vivo”	25,4	25,4 24,55 0,85	25,4 24,55 0,85
				awaria elektrowni w Czarnobylu	0,3	0,2	0,2
				inne (np. TV, PC), w tym praca przedmioty stare wybuchy żywność	0,3 (0,1) (0,1) (0,1)	0,3 (0,1) (0,1) (0,1)	0,4 ~(0,089) ~(0,149 ~ (0,040) ~(0,140)
RAZEM	74,0	74,1	74,0		26,0	25,9	26,0

Dane radiologiczne za rok 2007 na stronie GUS, www.stat.gov.pl ( ⇒ temat: Środowisko. Energia⇒pozycja2: Ochrona środowiska 2008⇒pobierz - dane szczegółowe na str 392 i nast.)

rok 2006- 3,35 mSv, , rok 2007- 3,35 mSv

ŹRÓDŁA NATURALNE	2006 %	2007 %	ŹRÓDŁA SZTUCZNE	2006 %	2007 %
radon	40,65	40,67
toron	3,02	3,02
gamma	13,80	13,81
wewnętrzne	8,21	8,13
kosmiczne	8,48	8,49
			diagnostyka medyczna, w tym: badania rentgenowskie badania „in vivo”	25,39 (23,88) (1,49)	25,40 (23,91) (1,49)
			awaria elektrowni w Czarnobylu	0,149	0,209
			inne w tym praca przedmioty stare wybuchy	0,299 ~(0,060) ~(0,149 ~(0,090)	0,271 ~(0,061) ~(0,120) ~(0,090)
RAZEM	74,16	74,12		25,84	25,88

Opad beta (średni, roczny, całkowity) 2007 - 0,31 kBq/m² , 2008 - 0,30 kBq/m²

Średnie stężenia w glebie [Bq/kg] :

²²⁶Ra 25,0

²²⁸Ac 23,4

⁴⁰K 408

Typowe dawki medyczne przy badaniach rtg:

zdjęcie klatki piersiowej 0,11 mSv

zdjęcie „małoobrazkowe” 0,8 mSv

zdjęcie kręgosłupa od 3 do 4,3 mSv

,

Niektóre nuklidy promieniotwórcze zawarte w organizmie ludzkim

[oszacowane dla ciała tzw. „umownego człowieka” *) ],

oraz podstawowe charakterystyki związanego z nimi promieniowania

Pierwiastek	Izotop	Liczba atomów	Liczba rozpadów	Typ rozpadu	Energia rozpadu	Energia średnia < E β >	Orientacyjny zasięg R**) w tkance dla < E β >
			[ Bq ]		[ keV ]	[ keV ]	[ μm ]
wodór	^3H	4,2•10^10	75	β	19	5,7	0,5
węgiel	^14C	7 •10^14	2690	β	156	49,5	39
potas	^40K	2,5 •10^20	4340	β, ~90 % γ, ~10 %	1312 1461	455 nie dotyczy	1600 promieniowanie gamma (γ) opuszcza nasze ciało
rubid	^87Rb	1,4•10^21	625	β	274	82	95

*) dla celów naukowych i statystycznych wymyślony został tak zwany ''umowny człowiek'' - ang''reference man''-

waga: 70 kg, wzrost: 175cm, pracujący: 40 godz./tydzień,

dieta to ok. 1,5 kg żywności + 1,2 litra płynów,

oddychanie: 20 m³ powietrza. na dobę (czyli umiarkowany wysiłek fizyczny)

**) Zasięg R (czyli dystans przebyty w ośrodku, aż do zastopowania cząstki) określamy dla promieniowania alfa -α- oraz promieniowania beta -β;

Dla promieniowania gamma -γ - (czyli strumienia fotonów, których nie można zatrzymać) miarą osłabienia jest grubość warstwy d_½ , po przejściu której natężenie promieniowania

(w wyniku różnych oddziaływań) maleje do połowy.

W oparciu o książkę prof. A. Hrynkiewicza - „ENERGIA-WYZWANIE XXI WIEKU”, [Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2002, obj. 270 stron, cena 26 zł]

przypominamy elementarne wiadomości o energii :

Określona energia umożliwia wykonanie określonej pracy,

Moc pozwala określić tempo wykonywania pracy lub tempo przekazywania energii;

Jednostki energii: w układzie SI jednostką energii jest dżul [J], jednostką mocy - wat [W];

Przy opisywaniu silników (również samochodowych) jednostką mocy jest tzw. „koń mechaniczny”, KM = 736 W

Stosowane skróty: kilo(k)=10³, mega(M)=10⁶, giga(G)=10⁹, tera(T)=10¹², peta(P)=10¹⁵, exa (E)=10¹⁸;

mili(m)=10^-3; mikro (μ) = 10^-6; nano(n) = 10^-9; piko(p) =10^-12;

W gospodarstwach domowych oraz w przemyśle często energię wyrażamy w „kilowatogodzinach” [kWh] ;

Kilowatogodzina 1kWh = 1 kW × 3600 s = 1 000 W × 3600 s = 3600 kJ = 3,6 MJ

Energia (chemiczna) dla produktów żywnościowych podawana jest często (np. w nadrukach na opakowaniach) w „kilokaloriach” [kcal]; 1 kcal = 1000 cal , kaloria jest zdefiniowana jako energia, potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1 ºC- od 14,5 ºC do 15,5 ºC 1 kaloria = 4,1868 J, 1 kcal [„kilolkaloria”] = 4,1868 kJ

W fizyce atomowej i fizyce jądrowej często stosujemy bardzo wygodną dla mikroświata jednostkę energii, jaką jest elektronowolt 1 eV = 1,6 × 10^-19 J. Elektronowolt odpowiada energii kinetycznej nabytej przez elektron przy przejściu (w próżni) różnicy potencjałów 1 V

W przemyśle, przy ocenie nośników („magazynków”) energii stosowane są nazwy „wartość opałowa” czy „paliwo wzorcowe”

• Wartość opałowa, to ilość energii cieplnej uzyskana przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa, pod warunkiem, że temperatura produktów spalania jest równa temperaturze substancji wstępujących w reakcję (chemiczną), a powstająca para wodna, unoszona przez spaliny, nie ulega skropleniu

• Paliwo wzorcowe: węgiel kamienny o wartości opałowej 7000 kcal/kg, tona takiego węgla to jednostka tce = {ton of coal equivalent }= 7 Gcal = 29,3 GJ= 8,14 MWh

• Paliwo wzorcowe: ropa o wartości opałowej 42 MJ/kg, tona takiej ropy to jednostka

toe = {ton od oil equivalent}= 10 Gcal = 42 GJ = 11,67 MWh = 1,435 tce

Jednostka toe jest równoważna (średnio):

• 1,8 t węgla kamiennego

• 4,7 t węgla brunatnego

• 1 t ropy naftowej

• 1200 m³ (pod normalnym ciśnieniem) gazu ziemnego

W handlu, przemyśle, prasie i na giełdach, przy obrocie ropą naftową, często stosowana jest jednostka „baryłka ropy” (ang. BARREL) (bbl) równa 136 kg ropy o średniej gęstości, co jest równoważne 5,7 MJ/baryłkę. W literaturze anglojęzycznej są niekiedy używane jednostki energii BTU = 252 cal = 1055 J lub QUAD = 10¹⁵ BTU ≈ 1,055 × 10¹⁸ J

CZŁOWIEK

• przemiana podstawowa wymaga dostarczania ~ 80÷100 W

• użyteczna energia powstaje w mięśniach z zawartej w pożywieniu energii chemicznej z wydajnością < 25%, średnia moc człowieka ≤250 W

• domowe żarówki 15-200 W, czajnik elektryczny ~2 000 W, kalkulator 0,00043 W

• rakieta SATURN 100 000 000 000 W

• ogrzanie domu (pow. 150 m², w centralnej Polsce) wymaga mocy 4÷6 kW ( przez półrocze).

Jak uzyskujemy energię dla nas użyteczną:

Energia pierwotna

to złoże węgla, złoże ropy lub gazu, ruda uranowa, gorące źródła,.....

Energia finalna dociera do odbiorcy jako : energia elektryczna wytworzona w elektrowni zasilanej paliwem kopalnym (węgiel, ropa, gaz): ogrzanie wody⇒wytworzenie pary⇒uruchomienie turbiny - taki proces zamienia na energię elektryczną ok. 30-40% energii pierwotnej energia elektryczna wytworzona w elektrowni nuklearnej: budowa reaktora ⇒ przygotowanie paliwa jądrowego⇒proces rozszczepienia⇒ciepło⇒gorąca para⇒turbina rurociąg z ropą⇒rafinerie ⇒stacje paliw rurociąg z gazem⇒stacje uzdatniania⇒instalacja gazowa lub butla z gazem ciekłym rurociąg z gorącą wodą ze źródeł geotermalnych paliwo stałe - np. koks

Użytkownik zamienia energię finalną na energie użyteczną, np : energię mechaniczną ⇒transport (od samochodu do rakiety na Księżyc), ogrzewanie⇒ogrzewanie budynków, gotowanie strawy , wytop szkła, wytop metali.... ochładzanie ⇒ zamrażanie żywności, klimatyzacja pomieszczeń, ...... promieniowanie elektromagnetyczne⇒stacje nadawcze radia, telewizji, radaru, telefonii komórkowej, oświetlanie pomieszczeń,......... wytwarzanie biomasy przez sterowanie procesem fotosyntezy⇒cieplarnie, uprawy hydroponiczne.... sprawność urządzeń rozumiana jako odniesienie otrzymanej energii użytecznej do energii pierwotnej jest zazwyczaj niska: światło widzialne wysyłane przez tradycyjną żarówkę ~1 %, to samo światło z żarówki luminescencyjnej ~20 %, turbiny parowe ≤ 45 %, elektrownie nuklearne ≤40%

• Naturalny uran jest mieszaniną trzech izotopów:

• 99,2724 % to atomy izotopu ²³⁸U,

• 0,72 % to atomy izotopu ²³⁵U

• 0,0055 % to atomy izotopu ²³⁴U.

• Uran zawierający więcej niż 0,72 % ²³⁵U nazywamy uranem wzbogaconym, uran z mniejszą od 0,72 % zawartością ²³⁵U to uran <zubożony> - por. odsyłacz do artykułów w numerze 3/2001 czasopisma WIEDZA I ŻYCIE

• W procesie rozszczepienia izotopu ²³⁵U przez neutrony termiczne uzyskujemy energię ~195 MeV na jedno jądro atomowe, co jest energią ogromną - w uranowej bombie rozszczepieniowej , która zniszczyła miasto Hiroszima, zabijając ponad sto tysięcy ludzi, użyto kilku kg izotopu ²³⁵U, proces rozszczepienia zaszedł w ~1 kg materiału, a efektywnej zamianie na energię uległa masa ok. 1 grama. Dla porównania - średnia energia, uzyskana w chemicznym procesie spalania węgla, wynosi ok. 4 eV na jeden atom.

• Celem wykorzystania tak ogromnej energii buduje się różnego typu reaktory nuklearne, nieściśle nazywane <atomowymi>, w których kontrolujemy przebieg reakcji rozszczepienia przez odpowiednie rozmieszczenie paliwa - materiału rozszczepialnego - ( izotopy uranu U, plutonu Pu, toru Th) i sterując strumieniami neutronów.

• Istniejące reaktory można <poszufladkować> na trzy grupy, zależnie od tego, jaki jest zasadniczy cel ich pracy:

• Reaktory badawcze, bardzo małej, małej lub średniej mocy - takim reaktorem jest działający w Świerku reaktor MARIA (o nominalnej mocy 30 MW ) - w reaktorach tego typu wytwarza się dla potrzeb nauki odpowiednio duże strumienie neutronów do badań podstawowych (bo przecież, jeżeli chcemy badać własności neutronów albo badać cokolwiek neutronami, musimy te neutrony stale wytwarzać). W reaktorze MARIA strumień neutronów wewnątrz rdzenia wynosi ~10¹⁴ neutronów przechodzących przez 1 cm² w czasie 1 sekundy. W kanałach poziomych strumień wynosi ok. ~ 10⁸ neutronów przechodzących przez 1cm² w czasie 1 sekundy. Reaktory badawcze produkują niewielkie ilości izotopów promieniotwórczych dla potrzeb nauki, techniki czy medycyny, w tym :

• izotopy pochodzące z rozszczepienia uranu lub reakcji wychwytu neutronu, jak izotop jodu, ¹³¹ I ( używany do diagnostyki i terapii tarczycy), izotopy molibdenu i technetu (dla kardiologii), izotop cezu, ¹³⁷Cs (dla onkologii),

• wytwarzany przez wychwyt neutronów izotop kobaltu, ⁶⁰Co, stosowany w medycynie i technice w tzw. „bombach kobaltowych”,

• wytwarzane w uranowych prętach paliwowych ( przez kolejne wychwyty neutronów i przemiany beta) izotopy pierwiastków cięższych od uranu ( czyli takie, gdzie Z>92, bowiem dla uranu Z = 92 ), przykładowo: pluton Pu (Z=94), ameryk Am (Z=95, stosowany w czujkach dymu), kaliforn Cf ( Z = 98, bardzo dobre laboratoryjne źródło neutronów),

• Reaktory energetyczne - w elektrowniach nuklearnych z paliwem uranowym lub plutonowym - do końca r. 2000 było ich 433, o nominalnej mocy elektrycznej ~349 GWe , wytwarzają ~20 % energii elektrycznej na świecie. W pasie < 300 km od naszych granic otacza Polskę 27 reaktorów energetycznych;

• Reaktory wytwarzające pluton dla celów militarnych ( do wytwarzania broni masowego rażenia - bomba, która zniszczyła miasto Nagasaki, była bombą plutonową) - ale nikt się nie chwali ich posiadaniem. Wydaje się, że zniszczona w 1986 r przez pożar elektrownia nuklearna w Czarnobylu (jak wszystkie reaktory typu RBMK) była cywilną „przykrywką” wytwórni plutonu dla celów militarnych.

• Co wiemy o reaktorze MARIA - za sprawozdaniem, ( autor A. Gołąb) za rok 2005, wydrukowanym w kwartalniku „POSTĘPY TECHNIKI JĄDROWEJ”, vol. 49, Z. 1, str. 39 ÷ 42 :

• w rdzeniu reaktora znajdują się 22 elementy paliwowe o wzbogaceniu ~ 36 %, zawierające odpowiednio po 430÷540 g izotopu ²³⁵U

• moderatorem, czyli spowalniaczami neutronów są woda i beryl,

• nadwyżka energii cieplnej przesyłana jest do chłodni kominowej, reaktor MARIA nie wytwarza energii elektrycznej,

• w tzw. kanałach poziomych zastosowano wiązki neutronów do badania fazy skondensowanej ( jak wyznaczanie własności monokryształów, własności magnetycznych stopów itd.),

• wypalone paliwo magazynowane jest na terenie Ośrodka Świerk w specjalnych przechowalnikach,

• w reaktorze naświetlane są m.in. siarka (aby uzyskać izotop fosforu ³²P), TeO₂ (dla uzyskania izotopu jodu ¹³¹I ), KCl (aby uzyskać izotop siarki ³⁵S), KBr,Cu, Co, Au, pierwiastki ziem rzadkich (La, Sm, Lu, Yb) oraz różne materiały biologiczne i geologiczne

• reaktor MARIA objęty jest stałą kontrolą międzynarodową

ORIENTACYJNA WARTOŚĆ ENERGETYCZNA RÓŻNYCH MATERIAŁÓW

Nośnik energii	MJ/kg
D-D ( reakcja syntezy)	~ 10^8
czysty ^235U (pełne rozszczepienie przez neutrony termiczne)	7,0×10^7
D2O (reakcja syntezy D-D)	~10^7
paliwo typu UO2, wzbogacenie 2,5% neutrony termiczne	1,5×10 ^6
naturalny uran, neutrony termiczne	5,0×10 ^5
^210Po (rozpad α) T½ = 138,4 dni	moc wydzielana ~200 W/g
^238Pu (rozpad α) T½ = 87,74 lat	moc wydzielana ~0,5 W/g

Nośniki konwencjonalne

Materiał	MJ/kg		Porównanie typowych paliw	Ciepło spalania (w MJ/kg)
wodór	~120			węgiel kamienny	20 ÷ 37
metan	~50			węgiel brunatny	~ 17
paliwa kopalne	20 - 110			koks	~32
wodospad wysokość 100m	~1			drewno (suche)	10 ÷15
różne baterie chemiczne	0,1 - 0,4			ropa	40 ÷ 42
sprężyna	0,00016			benzyny	41 ÷ 44
						oleje opałowe	40 ÷ 45

1 MeV = 1 000 000 eV

Spalenie (w tlenie) jednego atomu węgla ~ 4 eV

Jądrowe [nuklearne] źródła energii, oparte na reakcji rozszczepienia jąder ciężkich ,

np. ²³⁵U+n_th ⇒ produkty rozszczepienia + 195 MeV

Termojądrowe [termonuklearne] źródła energii, oparte na reakcji fuzji lekkich jąder:

D+T ⇒ α + n +17,6 MeV

D+D ⇒ ³He+ n + 3,27 MeV

D+D ⇒ T + p + 4 MeV

D+³He ⇒ α + p +18,3 MeV

ŹRÓDŁO:

Egbert Boeker & Rienk van Grondelle Environmental Physics

wydane po polsku - „FIZYKA ŚRODOWISKA” PWN 2002

Opad promieniotwórczy w Polsce [ promieniowanie β ]

Rok	Opad sumaryczny [ kBq/m^2]	Rok	Opad sumaryczny [ kBq/m^2]	Rok	Opad sumaryczny [ kBq/m^2 ]
1959	12,60	Źródła danych : Roczniki statystyczne za rok 1997, Tab. 32 ( 50 ), str 36, rok 1998, Tab. 23 ( 34 ), str. 29, biuletyn PAA : „BEZPIECZEŃSTWO JĄDROWE I OCHRONA RADIOLOGICZNA” ,
1960	1,49
1961	18,99	1976	1,31	1991	0,39
1962	37,75	1977	1,91	1992	0,36
1963	34,67	1978	0,98	1993	0,36
1964	7,39	1979	0,49	1994	0,34
1965	2,72	1980	0,46	1995	0,33
1966	1,51	1981	1,21	1996	0,34
1967	1,19	1982	0,44	1997	0,35
1968	1,98	1983	0,45	1998	0,32
1969	1,85	1984	0,41	1999	0,34
1970	2,46	1985	0,41	2000	0,33
1971	2,75	1986	19,01	2001	0,34
1972	1,65	1987	0,53	2002	0,34
1973	0,50	1988	0,45	2003	0,32
1974	1,21	1989	0,43	2004	0,34
1975	0,77	1990	0,39	2005	0,32
								2006	0,31

. W roku 2007 opad wynosił 0,31 kBq/m², w r. 2008 0,30 kBq/m²..[Author ID1: at Tue Sep 15 11:20:00 2009 ] Patrząc na zestawienie opadów promieniotwórczych w Polsce widać, że nie tylko Czarnobyl posypał nam głowy niewłaściwym popiołem!! Proszę nie zapominać, że zwykły popiół też zawiera materiały promieniotwórcze - polski węgiel kamienny, podobnie jak węgiel kamienny z wielu innych krajów zawiera nieco uranu , ok. 2 g w każdej tonie, co daje w popiołach 20 g uranu na 1 tonę. Zużywając w naszym kraju rocznie ok. 85-90 mln ton węgla kamiennego , wyrzucamy na hałdy tony uranu - a jeżeli hałda `'fruwa'' w powietrzu, to uran jest stale obecny w zawiesinie, zwanej aerozolem, której obłoki unoszą się nad Śląskiem i resztą Polski

Najbardziej znane wybuchy jądrowe

Gdzie	Ofiary śmiertelne	Aktywność [10^18Bq]	kilotony TNT*)	Paliwo	Wysokość
Alamogordo	?		19	pluton Pu	wieża 30m
Hiroshima	140 000 na 350 000 mieszkańców	~0,01	~15	uran U	samolot ~580 m
Nagasaki	70 000 na 270 000 mieszkańców	~0,01	~20	pluton Pu	samolot

*)jednostka <kilotona > to tysiąc ton trotylu, czyli ok. 4·10¹² J(dżuli ) energii

Za raportem UNSCEAR - 2000

Kraj	Razem	W atmosferze	Mt	Pod ziemią	Mt	Razem Mt
Chiny	44	22	20,7	22	1	22
Francja	210	50	10,2	160	3	13
Indie	6	-	-	6
Pakistan	6	-	-	6
Zjednoczone Królestwo	57	33	8,1	24	2	10
Stany Zjednoczone	1127	219	154	908	46	200
ZSRR	969	219	247	750	38	285
Razem:	2419	543	440	1876	90	530

Z 440 Mt bomby <atomowe> to 189 Mt, a <wodorowe> to 440 Mt „rekord” - Nowa Ziemia, 20 X 1961, <wodorowa>, oceniona na ~ 50 Mt,

Po eksplozji bomby o mocy ~30 Mt możliwe są następujące skutki :

Skutek	Promień [ km ]
krater	0,8
kula ognia ( fireball.)	3
podmuch 0,34 atm	12
podmuch 0,12 atm	30

Na podstawie książki A Hrynkiewicz : „ENERGIA - wyzwanie XXI wieku” (Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2002) Liczba dni, o które może zostać skrócone życie mieszkańca USA : LLE - Loss of Life Expectancy
LLE	Przyczyna
3070	− urodzić się mężczyzną, a nie kobietą
2000	− być kawalerem
1600	− być panną
1110	− praca w kopalni
1600	− palenie papierosów - 1 paczka dziennie		20 sztuk dziennie - 2370
1300	− nadwaga ~30 %		~20 % tylko 985
210	− wypadki samochodowe
130	− alkohol - przeciętne spożycie (USA)
40	− wypadki pieszych
40	− utonięcie
30	− pożary
		lekka praca w edukacji ~ 30
		naturalne promieniowanie ~8
		50 mSv/rok przez 30 lat ~150
		10 mSv/rok przez 30 lat ~30
		wypadki w domu ~95
12	− praca zawodowa, ze źródłami promieniotwórczymi, od ~19 roku życia do ~ 65 roku życia − „od matury do emerytury”
6	− rentgenowska diagnostyka medyczna
0,4	− mieszkanie, przez całe życie, w pobliżu elektrowni jądrowej

Mikroryzyko - to ryzyko jednego zgonu na milion mieszkańców w wyniku wykonywania ( przez każdą osobę z tego miliona) tej samej, określonej czynności. Takie mikroryzyko pojawi się, gdy ktokolwiek z nas uczestniczy w takich zwykłych czynnościach, jak

• jazda pociągiem na dystansie 2 500 km

• przelot samolotem 2 000 km (ostatnio to ~650 km )

• 80 kilometrów jazdy autobusem

• 65 kilometrów jazdy samochodem

(ostatnio oceniane na~100 km )

• 12 kilometrów jazdy na rowerze

• 3 kilometrów jazdy na motocyklu

• wypalenie jednego papierosa

• 1-5 min wspinaczki wysokogórskiej

• 1-5 tygodni pracy w normalnej fabryce

• 1 godzina połowów na morzu

• przebywanie przez 2 tygodnie w jednym pomieszczeniu z palaczem

• wypicie pół litra wina

• dziesięciodniowy pobyt w murowanym domu

• oddychanie przez 10 dni zanieczyszczonym powietrzem, jakie jest w większości miast "cywilizowanego świata”

Miejsce lub rodzaj pracy	Ryzyko zawodowe w jednostkach mikroryzyka / rok
Handel	10
Fabryka	10 - 100
Transport	400
Kopalnia węgla	800
Zakładanie linii wysokiego napięcia	1200
Platforma wydobywcza na morzu	1800

,

Przykłady przemysłów, w których dochodzi

do zwiększenia narażenia na promieniowanie jonizujące,

pochodzące z naturalnych źródeł

szczegóły w biuletynie: „Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna”

tom 37, numer 1, rok 1999, str. 17 i 18.

Szczegółowe przepisy dotyczące narażenia zawodowego - patrz http://www.paa.gov.pl

Średnia dawka „naturalna” w Polsce ~2,4 mSv/rok, norma dopuszcza dodatkowo 1 mSv/rok dla osób, niezwiązanych zawodowo z jakimkolwiek promieniowaniem jonizującym.

Działalność, przemysł,wyrób	Typowe stężenia radionuklidów	Narażenie zawodowe > 1 mSv	Narażenie osób postronnych
Fosforany: produkcja nawozów	do kilku kBq/kg U, Ra	możliwe	możliwe (składowanie!)
Kwas ortofosforowy: Detergenty, żywność	do 100 kBq/kg Ra	możliwe	możliwe
Produkcja kwasu siarkowego	żużel z pirytów > 1 kBq/kg
Odwadnianie kopalń węgla	szlamy do 100 kBq/kg	możliwe	mozliwe (składowanie !)
Węgiel i popiół lotny	do 10 kBq/kg		możliwe
Wytop metali: cyny Sn, ołowiu Pb, bizmutu Bi, tytanu Ti, aluminium Al	do 100 kBq/kg	możliwe	możliwe
Stopy magnezu/toru	zawartość Th do 4%	możliwe	możliwe, (składowanie !)
Ziemie rzadkie: metalurgia, przerób	rudy mogą zawierać do 10 kBq/kg U, do 1000 kBq/kg Th	możliwe	możliwe
Piaski w odlewniach	piaski cyrkonowe do 5 kBq/kg, piaski monazytowe do 1000 kBq/kg	możliwe
Materiały ogniotrwałe, ścierne i ceramiczne	jeżeli z cyrkonem - aktywności do 5 kBq/kg U, do 1 kBq/kg Th.	możliwe	możliwe
Przemysł naftowy , przemysł gazowy	1÷100 kBq/kg Ra możliwy Th i pochodne	możliwe	prawdopodobne
Przemysł pigmentu TiO2	surowiec: do 10 kBq/kg U,Th, ścieki: do 5 kBq/kg	możliwe	możliwe
Pręty do spawania, osłony gazowe z Th	pręty do spawania - do 500 kBq/kg, (osłony zawierają do 95% tlenków Th)	możliwe	możliwe
Zęby porcelanowe	do 0,03% U	możliwe
Przemysł optyczny , przemysł szklany	proszki do polerowania: zawierają U lub Th, szkła okulistyczne i soczewki - dodatek U lub Th dochodzący do 30 %.	możliwe	możliwa dawka dla soczewki oka > 15 mSv
Kamień naturalny	granity do 1 kBq/kg U,Th, niektóre łupki do 5 kBq/kg	możliwe	możliwe
Torf opałowy	zawiera ~ 100 kBq/kg U, zawartość U w torfie może sięgać kilku % wagowych.	możliwe	możliwe

Wyjaśnienie :

• Zjawisko rozpadu promieniotwórczego to cecha konkretnego izotopu pierwiastka X, o znanej liczbie masowej A - przykładowo dla naturalnego potasu mamy w przyrodzie dwa izotopy stabilne (³⁹K, ⁴¹K )oraz jeden izotop promieniotwórczy, ⁴⁰K, stanowiący 0,0117 % wszystkich atomów . Jeżeli wszystkie izotopy danego pierwiastka są promieniotwórcze to tylko wtedy możemy powiedzieć, że pierwiastek jest promieniotwórczy - takimi są przykładowo uran, tor, rad, kaliforn, promet czy technet

• Zawartość substancji promieniotwórczej X w danym materiale Y możemy definiować w różny sposób:

• Podajemy zawartość pierwiastka X w materiale Y w „gramach na gram” lub w procentach, zakładając, że procentowa zawartość poszczególnych izotopów promieniotwórczych pierwiastka X jest znana

• Podajemy aktywność (w bekerelach, Bq, czyli rozpadach na sekundę) określonego izotopu pierwiastka X (lub kilku izotopów pierwiastka X) dla jednostki masy substancji Y

Niekiedy ważna jest całkowita energia wydzielana przez rozpad promieniotwórczy izotopów pierwiastka X w jednostce masy substancji Y (co skutkuje podgrzaniem substancji Y)

Przykład:

Zawartość potasu w glebie w centralnej Polsce to ok. 0,7 % wagowych.

W 1 kilogramie gleby mamy więc 7 gramów pierwiastka potasu. Średnia masa atomowa potasu to 39,0983, w jednostkach „węglowych” [to jednostka masy , równa 1/12 masy atomu izotopu węgla, ¹²C, oznaczana skrótem u, ma angielską nazwę „atomic mass unit”, równa 1,66054×10⁻²⁷ kg] .

Liczba atomów w gramocząsteczce potasu (~39 gramów) to liczba Avogadro, 6,022×10²³ ;

Wobec tego w jednym kilogramie gleby mamy średnio


atomów potasu

z tego


atomów izotopu ⁴⁰K

znając czas połowicznego rozpadu izotopu ⁴⁰K, wynoszący 1,28×10⁸ lat = 4,04×10¹⁵ sekund

możemy oszacować liczbę rozpadów promieniotwórczych w kilogramie gleby:





średnio w centralnej Polsce mamy ok. 220 rozpadów promieniotwórczych izotopu potasu w każdym kilogramie gleby .

Aktywność gleby, wynikająca ze średniej zawartości izotopu ⁴⁰K wynosi więc ~220 Bq/kg




3

Wstępne przetwarzanie energii pierwotnej to:

- wydobywanie i wstępna obróbka węgla

- odwierty w złożach ropo- i gazonośnych

- metalurgia uranu + separacja izotopów

- ujęcie wody z gejzeru + wymiennik ciepła

---