Część druga: promieniowanie, jednostki, bezpieczeństwo Charakterystyka materiałów nuklearnych i radioaktywnych, zagadnienia dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa w obecności materiałów radioaktywnych Część druga: promieniowanie, jednostki, bezpieczeństwo

Część druga: promieniowanie, jednostki, bezpieczeństwo Zarys Jednostki: bekerel, grej, siwert (nowe) Jednostki: kiur, rad, rem (stare) Efekty, ryzyko, skażenie ALARA

Dawne jednostki promieniowania Aktywność: 1 kiur (1Ci) = 37 GBq (~ 1g Ra) 1 mCi = 37 MBq, 1 µCi = 37 kBq 1 Bq = 27 pCi

Jednostki promieniowania Czym jest bekerel (Bq)? Jednostką radioaktywności. 1 Bq = 1 rozpad atomowy na sekundę. 60 bekereli jest przeciętną ilością naturalnego potasu-40 (K-40) na każdy kg człowieka, tj. ilość K-40 w każdym kilogramie ciała jest taka, że 60 atomów potasu rozpada się w każdej sekundzie. Always distinguish between ACTIVITY and DOSE ! Activity quantifies how much radiation is emitted from a source, i.e. how many radioactive disintegrations happened or particles have been emitted per second. Dose quantifies the effects of irradiation to the human body The unit of radioactivity is the becquerel (Bq), named after Henry Becquerel, who discovered radioactivity in 1896. 1 Bq =1 disintegration per second

Jednostki promieniowania: grej i siwert Aspekt fizyczny: dawka pochłonięta mierzona jest w grejach, 1 Gy jest ilością energii promieniowania równą 1 dżul (1 J) pochłoniętą w 1 kg materii (1 J/kg) Uwaga: definicja dżula - 1 J = energia potrzebna do podniesienia ciężaru 9,8 kg na wysokość 1 m. 2. Aspekt biologiczny: Równoważnik dawki mierzony w siwertach, (Sv) lub dawka równoważna definiują to samo jako dawkę pochłoniętą (J/kg) , lecz zależne są od tkanki biologicznej w której dawka została pochłonięta oraz od rodzaju promieniowania (alfa, beta, gamma, neutrony).

Jednostki promieniowania... Czym jest milisiwert (mSv)? Jednostką dawki promieniowania związaną z energią zaabsorbowaną w ciele. 1 mSv to mniej niż połowa przeciętnej rocznej dawki promieniowania ze źródeł naturalnych, 10-krotność dawki promieniowania z pojedynczego prześwietlenia klatki piersiowej. (1 millisiwert = 1/1000 siwerta = 1000 mikrosiwertów) Radiation dose quantifies the radiation effects to the body. The radiation effects mainly depend on how much radiation energy is absorbed in the body. If the body absorbs no energy, there is no effect. The unit of radiation dose is the Sievert (Sv) or more practical the millisievert (1 mSv), which is 1/1000 of a Sv. For Beta and Gamma Radiation 1 Sv corresponds to a radiation energy aborbed in the body of 1 Joule (1 J) per kg of body mass.

Dawniejsze jednostki promieniowania Dawka: 1 rem = 10 mSv = 0,01 Sv 1mrem = 10 mikrosiwertów (10 µSv) 1 mSv = 100 mrem = 0,1 rem

Nie każde promieniowanie ma ten sam efekt biologiczny Różne rodzaje promieniowania mają różne efekty biologiczne, zależne głównie od gęstości jonizacji Odzwierciedleniem tego jest “relatywna efektywność biologiczna (RBE)”, a wskaźnik “Q” odniesiony do promieniowania , który pokazuje, jak bardzo jest efekt zwielokrotniony, jeśli działają nie  , lecz cięższe lub naładowane cząstki: dla  Q = 1 dla  dla n Q = 5 - 20 (zależnie od energii neutronów) dla α Q = 20 For the same radiation energy absorbed in the body (“absorbed dose”), the biological effects will be different for different kinds of radiation. This mainly depends on the density of ionization, i.e. how much energy is transferred into a certain volume of biological tissue. The smaller the volume into which the energy is deposited, the more cells will die in a certain part of an organ, the higher the damage will be. This is quantified by the “biological effectiveness RBE” of a certain kind of radiation, which is nowadays called the “radiation weighting factor wR”. RBE or wR determine the amount of biological damage for the same absorbed dose of a certain kind of radiation, as compared to gamma- or beta radiation (wR = 1 for - or -radiation).

Największy udział w naszej dawce ma naturalne promieniowanie tła (mSv / rok) Humans have always been exposed to the “natural background radiation”, coming from naturally occurring radioisotopes in the soil, water and air (mainly U, Ra and Th with their decay products, potassium-40 (40K), carbon-14 (14C), and tritium (3H). This part of the natural background radiation is called “terrestrial radiation”. 40K is contained to 0.01% in normal potassium, also in milk, meat and in our body. The human body contains approximately 2 g K per kg of weight, equivalent to an activity of ~ 60 Bq/kg. If your weight is 100 kg about 6000 40K atoms decay every second in your body producing beta and gamma radiation. The average dose from 40K in the body is around 0.2 mSv/year. The by far largest contribution to the exposure by terrestrial radiation stems from radon (Rn), the daughter product of radium. Rn is a noble gas emanating from the ground or building materials. The average concentration of Rn in air is about 10 Bq/m3 outside and 40 Bq/m3 inside buildings, and might be as high as several 1000 Bq/m3 in some houses. This leads to an average dose of ~ 1.2 mSv/a worldwide from Rn alone. In addition high energetic gamma radiation, neutrons, electrons and some heavy particles impinge on the earth from outer space, called “cosmic radiation”. Since this radiation is considerably shielded by the atmosphere, the intensity depends on the altitude. At sea level the average dose is ~ 0.3 mSv/a, in 2000 m altitude it is ~ 0.9 mSv/a.

Sztuczne źródła promieniowania zawarte w dawce (przeciętnie w mSv / rok) Since the discovery of X-rays by W.C. Röntgen and of the radioactivity by H. Becquerel, both in 1896, the number and application of man-made radiation sources has increased dramatically. Today over 100 different artificial radionuclides are produced and applied in medicine, industry and research. Since the late 1940s nuclear weapons and somewhat later nuclear power plants (NPPs) have been developed, today over 450 NPPs are in operation producing some 20% of the electric energy in the world. The largest part of human exposure by man-made radiation comes from medical applications (mainly diagnostic X rays), about 0.5 mSv/a in the average. Normal operation of the ~ 450 NPPs leads to a population exposure of only 0.008 mSv/a, industrial and research applications to < 0.1 mSv/a. Heavy cigarette smoking can produce a considerable internal exposure due to the alpha radiation of 210Po, a daughter product of Ra and Rn, which is contained in tobacco. One pack of cigarettes per day may lead to an internal dose by ingestion and inhalation of up to 0.2 mSv/a. A transatlantic flight leads to an exposure due to cosmic radiation in the order of 0.1 mSv. Fall out from nuclear weapons testing created a large contamination of the biosphere, now decreasing, since atmospheric tests stopped in 1962. At present the average dose is below 0.01 mSv/a.

Dawka promieniowania związana z zawodem Roczne dawki zawodowe dla różnych stanowisk: (przeciętnie w mSv/rok) Personel latający (promienie kosmiczne) 4,0 Pracownicy NPP (przeciętnie) 2,5 Personel medyczny 0,5 Górnictwo (w tym uranu) 6,0 Radiografia przemysłowa 1,5 Badania naukowe 0,8 Air Crew exposure comes from cosmic radiation, which is about 100 times stronger in commercial flight altitudes (10 - 13 km), as compared to sea level. Crew members might be up to 800 hours per year in this altitude and therefore receive radiation exposures in the range of 2 - 8 mSv/a, as compared to the average exposure of radiation workers on ground of about 2 mSv/a. The International Commission on Radiation Protection (ICRP) has therefore recommended to consider air crews as radiation workers (occupationally exposed) and to assess their dose values. The comparably high exposure of miners comes mainly from the Radon concentration in the mines, particularly in uranium mining. NPP workers normally receive rather low doses, only some maintainance workers may get fairly high exposures.

Biologiczne efekty promieniowania Ludzkie ciało składa się głównie z wody. Jeśli w cząsteczki wody uderzy promieniowanie jonizujące, mogą pękać wiązania chemiczne i tworzyć się wolne rodniki. Mogą one uszkadzać lub zabijać komórki. Jeśli niezbyt wiele komórek zginie, mogą one łatwo być zastąpione.

Biologiczne efekty promieniowania Jeśli zbyt wiele komórek zginie, organ lub cały organizm umiera. Jeśli komórki są uszkodzone lecz nie zabite, organizm może próbować je naprawić, korzystając z DNA jako wzorca Naprawy mogą być prawidłowe lub błędne.

Biologiczne efekty promieniowania Jeśli naprawa jest błędna, komórka może przeżyć, lecz jej biologiczny program może ulec zmianie (“Mutacja”) Może to w ostateczności być przyczyną raka

Biologiczne efekty promieniowania Są dwa rodzaje efektów Efekty ostre: Dawka > 1 Sv: zmiany we krwi, oparzenia, choroba popromienna (więcej komórek zostało zabitych, niż może być naprawionych). Im większa dawka, tym silniejszy efekt! Efekty ostre mogą wystąpić jedynie, gdy dawka jest powyżej progu ~ 1 Sv!

Biologiczne efekty promieniowania Dwa rodzaje efektów Efekty ostre: 1 – 2 Sv: Wymioty i mdłości po 24 godzinach, brak trwałych uszkodzeń 3 – 4 Sv: 50% zgonów w ciągu 60 dni (LD50) > 8 Sv: 100% zgonów w ciągu 2 tygodni (LD100) If the human body is exposed to ionizing radiation two different kinds of effects can happen: Acute Effects: cells are killed by the toxic effects of the free radicals which are produced by irradiation. The higher the dose, the more cells will be killed. This will happen immediately after heavy exposure. Our body will try to replace the dead cells. Late (Latent) Effects: if the DNA molecule in the nucleus of a cell is hit, the cell may be damaged but not killed. The cell will try to repair the damage. If the repair is done correctly, there will be no effect. However, if the repair is faulty, the biological program of the cell may change (“mutation”). This may later be the origin of cancer. . Acute effects will become evident, if the more cells are killed than can be replaced. Therefore accute effects appear only after a high dose of more than ~ 1 Sv, has been received. So there is a dose threshold for acute effects (~ 1 Sv). Below this threshold no damage will appear. It is relatively easy to avoid acute effects, just by ensuring that the dose is always below the threshold. Above a single whole body exposure of some 10 Sv death will be certain within 1 - 2 weeks.

Biologiczne efekty promieniowania Dwa rodzaje efektów Efekty opóźnione: Rak, białaczka; jeśli komórki przeżyły lecz zmutowały (przez nieudaną naprawę). Nie ma tutaj progu! Im większa dawka, tym większe prawdopodobieństwo („statystyka”). If the DNA molecule in the nucleus of the cell - which is the memory for the inherited information - is changed by faulty repair, the cell may change its biological program and properties. Sometimes this leads to uncontrolled reproduction of the cells and eventually originates cancer. This can be caused by a single hit of one particle with a DNA molecule, particularly if both strands of the DNA helix are damaged. Therefore no lower dose limit exists, however, if the dose is small it is very unlikely that mutation will occur. The probability to initiate cancer by ionizing radiation depends on the dose, i.e. very low doses rarely initiate cancer, higher doses have a higher probability. Since this is a probability based, “statistical” effect the Late Effects are also called “statistic” or “stochastic” effects. Creation of cancer is a multi-stage process which takes a lot of time and only happens, when other noxious influences play a part in this process. It may need 20 or more years to develop radiation induced cancer (“latency period”). Younger people have a higher chance to develop radiation induced cancer, older might die before on other reasons.

Biologiczne efekty promieniowania Dwa rodzaje efektów Efekty opóźnione: Jeśli mutacja wystąpi w komórkach rozrodczych (gonady) efekty mogą być oddziedziczone przez następne pokolenia (“efekty genetyczne”) Efekty rozwijają się wiele lat po ekspozycji na promieniowanie

Perspektywa ryzyka Relatywne ryzyko śmierci z prawdopodobieństwem 1 do miliona: Wypalenie 1,4 papierosa (rak płuc) Spożycie 40 łyżek masła orzechowego (cholesterol) Spożycie 100 steków grillowanych na węglu drzewnym (rak) Spędzenie 2 dni w Nowym Jorku (zanieczyszczenie powietrza)

Perspektywa ryzyka Relatywne ryzyko śmierci z prawdopodobieństwem 1 do miliona: Przejechanie 65 km samochodem (wypadek) Przelecenie 4000 km samolotem (wypadek) Spływ łodzią canoe przez 6 minutes (utonięcie) Pochłonięcie dawki promieniowania ~ 0,1 mSv These numbers are of course rough estimates and should only illustrate that different activities in our life involve different risks. We have no clear appreciation of risks and all such judgements are extremely subjective. It is useful, however, to consider risks in perspective and to try quantifying them. This can be done based on statistical data of accidents or deaths for health reasons. Such data depend on the lifestyle and living conditions in different countries and are therefore difficult to compare as such. The reason for comparison of risks is to establish a feeling for “acceptable risks”. It is a fact that we accept high risks for certain activities which we like - e.g. smoking, drinking or some sports - and reject others on the basis of much lower risks (e.g. radiation).

Limity ekspozycji rocznej Ogólny dla ludności: 1 mSv / rok Pracownicy przemysłu jądrowego: 20 mSv / rok The International Commission on Radiation Protection (ICRP) has proposed maximum dose limits for radiation workers and the general population. The limits are based on a comparison of radiation induced risks with occupational risks for different jobs. Statistical data on accidental death in different occupations show an average annual risk of accidental death for all occupations to be about 1 in 10000 workers. In so-called “safe occupations” such as trade, services or administration the risks are about one order of magnitude lower, in others such as mining, construction or agriculture the risks to die by accident are up to 10 times higher. To define maximum dose limits ICRP has compared the risks of “safe occupations” with the radiation induced risks. This leads to a maximum dose limit of : 20 mSv/year for radiation workers 1 mSv/year for the general population The lower limit for the general population is due to the fact that this group includes children, elderly and healthwise weakened persons, while radiation workers are at least 18 years old, healthy and periodically controlled by dosimeters and occupational medicine.

Limity ekspozycji rocznej Dawka 1 mSv/rok odpowiada ryzyku śmierci na raka spowodowanego napromieniowaniem w wysokości ~50 zgonów na milion ludzi (5% na Sv). Jest to 1/10 przeciętnego rocznego ryzyka śmierci w wypadku przy pracy dla rolników, pracowników budowlanych, górników lub kierowców ciężarówek Przeciętne ryzyko śmierci na raka bez napromieniowania wynosi około 20% (~ 200.000 zgonów na milion)

Ekspozycja a skażenie Jesteś eksponowany(-na), jeśli znajdujesz się w pobliżu źródła. Im dłużej tam pozostajesz, im bliżej się znajdujesz, tym większa jest twoja pochłonięta dawka promieniowania. Nie staniesz się od tego radioaktywny(-na).

Ekspozycja a skażenie Jeśli radioaktywny materiał znajdzie się na tobie lub co gorsza wewnątrz ciebie, jesteś skażony (-na), praktycznie jesteś chodzącym źródłem promieniowania. Wchłonięcie materiału radioaktywnego następuje przez wdychanie i/lub spożycie

(tak niewiele, jak to jest rozsądnie osiągalne) Być może niewielkie jest ryzyko ekspozycji na niewielkie promieniowanie: Powinieneś (powinnaś) zawsze przestrzegać “ALARA” AS LOW REASONABLY ACHIEVABLE (tak niewiele, jak to jest rozsądnie osiągalne) ICRP has recommended three basic principles for radiation protection: Justification, i.e. every reason for exposure has to be justified, Optimization, i.e. in any case the dose has to be kept As Low As Reasonably Achievable (“ALARA Principle”) Limitation, i.e. maximum dose limits are always to be observed Since health detriment can never be completely ruled out after radiation exposure (latent - stochastic effects) it is prudent to always keep the exposure ALARA.

Zasady ekspozycji ALARA Są trzy podstawowe zasady dla zachowania niskiej ekspozycji: Czas: redukcja czasu ekspozycji Dystans: zwiększenie dystansu od źródła Osłona: stosowanie osłon

Pytania