Nukleáris környezetvédelem

1. Nukleáris környezetvédelem • Dózisfogalmak • Az ionizáló sugárzások egészségkárosító hatásai • A dózis meghatározásának mérési és számítási módszerei • A sugárvédelmi szabályzás rendszere • Természetes és mesterséges radioaktivitás (hulladékok) a környezetben • Szennyezések terjedése a környezetben, környezeti monitorozás

2. 1/1 1. Dózisfogalmak Párhuzamos fotonnyaláb gyengülése anyagi közegben / [m2/kg] • = 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

3. = H D * w [ Sievert , Sv ] R 1/2 Négyzetes gyengülési törvény – dózisszámítás Egyenérték dózis wR sugárzási tényező - a LET függvénye wR,α = 20, wR,γ= 1, wR,β= 1, wR,n= 5÷20

4. Effektív dózis wT szöveti súlyozó tényező DCF [Sv/Bq] – egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (HE/A) kockázat/effektív dózis-egyenes meredeksége: 5*10-2 eset / Sv 1/3 A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személy kölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre. Szöveti súlyozó tényezők: ivarszervek wT=0.20 (genetikus hatás) szomatikus hatások legérzékenyebb wT=0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő érzékenyek wT=0.05 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny wT=0.01 bőr

5. 2/1 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

6. 2/2 Sztochasztikus hatás: - nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt) - sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus) - kockázat-dózis-függvény lineáris (?)

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

8. 3/2 Külső sugárterhelés mérése Dózismérés: „utólagos” kiértékelés filmdózismérő - kémiai változás TLD: szilárdtest-dózismérő (termolumineszcencia) elektronikus dózismérők: elektroszkóp, impulzusüzemű gáztöltésű detektorok Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelés impulzusüzemű gáztöltésű detektorok szerves szcintillátor detektor

9. 3/3 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 azonos • a detektorra és a testszövetre • szövetekvivalens detektor • „energiafüggetlenség” = • azonos energiafüggés a két • közegre

10. Belső sugárterhelés számítása 3/4 Belső dózis a „T” cél (target) szövetben, az „S” forrás (source) szövetekből kiinduló „R” sugárzásoktól • DCF = dóziskonverziós tényező [Sv/Bq] • Eltérő lehet • Beviteli útvonal szerint (belégzés vagy lenyelés), • Kémiai forma szerint (a testnedvekben oldható vagy nem oldható) • Életkor szerint

11. 3/5 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. Hatásfok:

12. 3/6 Két további dózismennyiség Lekötött dózis Kollektív dózis 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.

13. 4/1 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.

14. DC å £ £ A és A * DCF DC max, i max, i i DCF i i << A A max, i ki , i 4/2 A dóziskorlátozás rendszere DL – immissziós korlát foglalkozási korlát 20 mSv/év (5 év átlagaként) lakossági korlát1 mSv/év DC - emissziós korlát(dózismegszorítás) és A kibocsátott aktivitás a környezeti terjedés során jelentősen hígul Az emissziós és immissziós korlátok nem keverhetők

15. 4/3 A dóziskorlátozás rendszere Szabályzásból 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

16. 5/1 5. Természetes és mesterséges radioaktivitása környezetben – radioaktív hulladékok Természetes radioaktivitás: * kozmikus sugárzás szoláris, galaktikus, befogott részecskék világűrben: protonok, -részecskék, pozitív ionok légkörben: 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

17. 238U bomlási sorozata 5/2 238U: T= 4.47 milliárd év (4-6 ppm a Föld felszínén) – bomlási sor leányelemek között226Ra, 222Rn 222Rn (T= 3.8 nap) rövid felezési idejű, - és --sugárzó leányelemei 218Po, 214Pb, 214Bi, 214Po belső sugárterhelés: átlagosan 1.0 – 2.0 mSv/év 222Rn-koncentráció (EEC): szabad levegőn 1 – 10 Bq/m3 zárt térben 5 – 100 Bq/m3 sok radon: pince, bánya, barlang, építőanyag kevés radon: víz felett aktivációs termékek238U –ból nukleáris reaktorban: 239Pustb. hasadóanyag, nagy DCF

18. 5/3 További bomlási sorozatok 232Th: T= 14.1 milliárd év (7-10 ppm a Föld felszínén) bomlási sor - leányelemek: köztük220Rn 220Rn (T= 55 s) – kevéssé tud kikerülni a levegőbe dózisjárulék 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

19. 5/4 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

20. 5/5 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

21. 5/6 Kategóriák a mentességi szint (MEAK [Bq/kg]) alapján: kis-, közepes- és nagyaktivitású hulladék AK: aktivitás-koncentráció [Bq/kg] Kisaktivitású hulladék (LLW) 1 < S < 1000 Közepes 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

22. 5/7 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

23. 5/8 • Térfogatcsökkentés • Általános: préselés, égetés, bepárlás • Specifikus: felületi (szorpció), térfogati (extrakció) • Kondicionálás • Cementezés (LLW, ILW) • Bitumenezés (szerves LLW) • Üvegesítés (HLW)

24. 5/9 • Radioaktív hulladék elhelyezése Mérnöki gátak – mélységi védelem módszere • Átmeneti: telephelyen belül vagy önálló felszíni telephelyen (KKÁT) • Végleges: • LLW – ILW: felszínközeli vagy mélységi lerakóhely (Püspökszilágy *** Bátaapáti) • HLW: mélységi lerakóhely (Boda – BAF) • Alternatíva: reprocesszálás TENORM és nukleáris energiatermelés összehasonlítása – üzemi adatok Kibocsátott összes radioaktivitás (1988): Paks AE: 0.5 MBq/MW Ajka, Pécs szénerőmű: 3-4000 MBq/MW

25. 6/1 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, karsztvíz Heterogén rendszerek: talajvíz, geológiai rétegek, biológiai anyagok Terjedési egyenletek inverze szükséges az emissziós korlátozás megállapításához Nukleáris/radiológiai balesetek, kibocsátások Windscale, Three Mile Island, Csernobil, Goiania, Algeciras, Tokai-mura. Csernobil becsült magyarországi hatása 1 – 3 mSv

26. 6/2 Terjedési egyenletek Általános egyenlet időfüggő forrástaggal Advekció és diffúzió kifejtése Egyirányú advekció, homogén diffúzió

27. 6/3 Nukleáris környezeti monitorozás • DL és DC betartásának ellenőrzése: • Mérés • Kiértékelés • Beavatkozás • A feladatok hasonlóak normális és baleseti helyzetben is. • Irányadó szintekszükségesek minden radionuklidra a környezeti közegekben (levegő, víz, talajstb.) • Biztonság: a szint mérhető kell, hogy legyen, mielőtt az irányadó szintet túllépnénk. • Monitorozás: mintavétel, mérés és kiértékelés szervezett, standard rendszere.

28. 6/4 Nukleáris környezeti monitorozás • Helyi rendszerek: emissziót produkáló létesítmény körül [= kibocsátás-ellenőrzés ??] • Regionális rendszerek:immisszióellenőrzése 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.

29. 6/5 Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerek Gamma-dózisteljesítmény mérése folyamatos/automatizált mérési adatgyűjtés környezeti dózisteljesítmény (talajszint) : 70 – 180 nSv/h OSJER 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.

30. 6/6 Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerekkörnyezeti dózisteljesítmény monitorozása hosszú időn át dózisteljesítmény [nSvh] • 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.

31. 6/7 Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerekhelyi hatások a környezeti dózisteljesítményre dózisteljesítmény [nSvh] Oktatóreaktorban frissen előállított 24Nasugárforrások ideiglenes tárolását érzékelte a monitor. A felfutó él a művelet pillanatszerűségére, a lefutás a főkomponens felezési idejére jellemző.

32. dózisteljesítmény [nSvh] Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerekkörnyezeti 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.

33. 6/8 Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerekkörnyezeti 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.

34. 6/9 Nukleáris környezeti monitorozás – korai riasztást adó rendszerekaeroszol 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

35. 6/10 Nukleáris környezeti monitorozás aeroszol mintavételezés és mérésa kibocsátási forrás közelében Lokális rendszer egy emissziós forrás köré telepítve Várható szennyezési profil: egységugrás-függvény Activity on filter Előnyös módszer: mozgó szűrőszalag (differenciálás) time

36. 6/11 Nukleáris környezeti monitorozásaeroszol mintavételezés és mérésa kibocsátási forrástól távol Regionális rendszer – egyenletesen elosztott állomások - immisszió felügyelete Várható szennyezési profil: elnyújtott, lassan növekvő Activity on filter Előnyös módszer: álló szűrőlap (integrálás) time

37. Nukleáris környezeti monitorozás környezet-ellenőrzés aeroszol mintavétellel Az állomásvezérlő programja az alábbi feladatokat látja el: • Adatgyűjtés a detektor(ok)tól; • Nukleáris spektrumok kiértékelése – mesterséges radioaktivitás azonosításaváltozó 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.

38. Nukleáris környezeti monitorozás Detektorok válaszának modellezése 6/12 Ezeket a számításokat a kiértékelő programnak kell elvégeznie.

39. 6/13 222Rn alfa-béta spektrum

40. 6/14 220Rn + 222Rn alfa-béta spektrum

41. 6/15 222Rn

42. 6/16 Radon – LDs - Time

43. 6/17 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 )