Doorheen de geschiedenis van het leven op aarde zijn organismen voortdurend blootgesteld aan kosmische straling en de radionucliden die ze in de atmosfeer vormen, evenals aan straling van stoffen die alomtegenwoordig zijn in de natuur. Het moderne leven heeft zich aangepast aan alle kenmerken en beperkingen van de omgeving, inclusief natuurlijke bronnen van röntgenstraling.
Hoewel hoge stralingsniveaus zeker schadelijk zijn voor organismen, zijn bepaalde soorten straling essentieel voor het leven. Zo droeg de stralingsachtergrond bij aan de fundamentele processen van chemische en biologische evolutie. Ook duidelijk is het feit dat de warmte van de aardkern wordt geleverd en onderhouden door de vervalwarmte van primaire, natuurlijke radionucliden.
Kosmische stralen
De straling van buitenaardse oorsprong die de aarde continu bombardeert, wordt genoemdruimte.
Het feit dat deze doordringende straling onze planeet bereikt vanuit de ruimte, en niet vanaf de aarde, werd ontdekt in experimenten om ionisatie te meten op verschillende hoogten, van zeeniveau tot 9000 m. Er werd vastgesteld dat de intensiteit van ioniserende straling nam af tot een hoogte van 700 m, en nam daarna snel toe met klimmen. De aanvankelijke afname kan worden verklaard door een afname van de intensiteit van terrestrische gammastraling en een toename door de werking van kosmische straling.
Röntgenbronnen in de ruimte zijn als volgt:
- groepen sterrenstelsels;
- Seyfert-sterrenstelsels;
- Zon;
- stars;
- quasars;
- zwarte gaten;
- supernovaresten;
- witte dwergen;
- donkere sterren, enz.
Bewijs van dergelijke straling is bijvoorbeeld een toename van de intensiteit van kosmische straling die op aarde wordt waargenomen na zonnevlammen. Maar onze ster levert niet de belangrijkste bijdrage aan de totale flux, omdat de dagelijkse variaties erg klein zijn.
Twee soorten stralen
Kosmische stralen zijn onderverdeeld in primaire en secundaire. Straling die geen interactie heeft met materie in de atmosfeer, lithosfeer of hydrosfeer van de aarde wordt primair genoemd. Het bestaat uit protonen (≈ 85%) en alfadeeltjes (≈ 14%), met veel kleinere fluxen (< 1%) van zwaardere kernen. Secundaire kosmische röntgenstralen, waarvan de stralingsbronnen primaire straling en de atmosfeer zijn, zijn samengesteld uit subatomaire deeltjes zoals pionen, muonen enelektronen. Op zeeniveau bestaat bijna alle waargenomen straling uit secundaire kosmische straling, waarvan 68% muonen en 30% elektronen. Minder dan 1% van de flux op zeeniveau bestaat uit protonen.
Primaire kosmische stralen hebben in de regel een enorme kinetische energie. Ze zijn positief geladen en winnen energie door te versnellen in magnetische velden. In het vacuüm van de ruimte kunnen geladen deeltjes lange tijd bestaan en miljoenen lichtjaren reizen. Tijdens deze vlucht verwerven ze een hoge kinetische energie, in de orde van 2-30 GeV (1 GeV=109 eV). Individuele deeltjes hebben energieën tot 1010 GeV.
De hoge energieën van primaire kosmische straling stellen hen in staat om letterlijk atomen in de atmosfeer van de aarde te splitsen wanneer ze botsen. Samen met neutronen, protonen en subatomaire deeltjes kunnen lichte elementen zoals waterstof, helium en beryllium worden gevormd. Muonen zijn altijd geladen en vervallen ook snel in elektronen of positronen.
Magnetisch schild
De intensiteit van kosmische straling neemt sterk toe met het stijgen tot een maximum op een hoogte van ongeveer 20 km. Vanaf 20 km tot de grens van de atmosfeer (tot 50 km) neemt de intensiteit af.
Dit patroon wordt verklaard door een toename van de productie van secundaire straling als gevolg van een toename van de luchtdichtheid. Op een hoogte van 20 km is de meeste primaire straling al in interactie gegaan en de afname van de intensiteit van 20 km tot zeeniveau weerspiegelt de absorptie van secundaire stralen.atmosfeer, gelijk aan ongeveer 10 meter water.
De intensiteit van straling is ook gerelateerd aan de breedtegraad. Op dezelfde hoogte neemt de kosmische stroom toe vanaf de evenaar tot een breedtegraad van 50-60 ° en blijft constant tot aan de polen. Dit wordt verklaard door de vorm van het aardmagnetisch veld en de verdeling van de energie van de primaire straling. Magnetische veldlijnen die zich buiten de atmosfeer uitstrekken, zijn meestal evenwijdig aan het aardoppervlak op de evenaar en loodrecht op de polen. Geladen deeltjes bewegen gemakkelijk langs de lijnen van het magnetische veld, maar overwinnen het nauwelijks in de dwarsrichting. Van de polen tot 60° bereikt vrijwel alle primaire straling de atmosfeer van de aarde, en op de evenaar kunnen alleen deeltjes met een energie van meer dan 15 GeV het magnetische schild binnendringen.
Secundaire röntgenbronnen
Als gevolg van de interactie van kosmische straling met materie wordt continu een aanzienlijke hoeveelheid radionucliden geproduceerd. De meeste zijn fragmenten, maar sommige worden gevormd door de activering van stabiele atomen door neutronen of muonen. De natuurlijke productie van radionucliden in de atmosfeer komt overeen met de intensiteit van kosmische straling in hoogte en breedte. Ongeveer 70% daarvan is afkomstig uit de stratosfeer en 30% uit de troposfeer.
Met uitzondering van H-3 en C-14 worden radionucliden meestal in zeer lage concentraties aangetroffen. Tritium wordt verdund en gemengd met water en H-2, en C-14 combineert met zuurstof om CO2 te vormen, dat zich vermengt met atmosferisch koolstofdioxide. Koolstof-14 komt planten binnen via fotosynthese.
Aardestraling
Van de vele radionucliden die met de aarde zijn gevormd, hebben er maar een paar een halfwaardetijd die lang genoeg is om hun huidige bestaan te verklaren. Als onze planeet ongeveer 6 miljard jaar geleden gevormd zou zijn, zouden ze een halfwaardetijd van minstens 100 miljoen jaar nodig hebben om in meetbare hoeveelheden te blijven. Van de primaire radionucliden die tot nu toe zijn ontdekt, zijn er drie van het grootste belang. De röntgenbron is K-40, U-238 en Th-232. Uranium en thorium vormen elk een keten van vervalproducten die zich bijna altijd in de aanwezigheid van de oorspronkelijke isotoop bevinden. Hoewel veel van de dochter-radionucliden van korte duur zijn, komen ze veel voor in het milieu omdat ze constant worden gevormd uit langlevende moedermaterialen.
Andere primordiale langlevende röntgenbronnen, kortom, zijn in zeer lage concentraties. Dit zijn Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176, enz. Natuurlijk voorkomende neutronen vormen vele andere radionucliden, maar hun concentratie is meestal erg laag. De Oklo-groeve in Gabon, Afrika, bevat bewijs van een "natuurlijke reactor" waarin kernreacties plaatsvonden. De uitputting van U-235 en de aanwezigheid van splijtingsproducten in een rijke uraniumafzetting duiden erop dat hier ongeveer 2 miljard jaar geleden een spontaan opgewekte kettingreactie plaatsvond.
Hoewel primordiale radionucliden alomtegenwoordig zijn, varieert hun concentratie per locatie. HoofdHet reservoir van natuurlijke radioactiviteit is de lithosfeer. Bovendien verandert het aanzienlijk binnen de lithosfeer. Soms wordt het geassocieerd met bepaalde soorten verbindingen en mineralen, soms is het puur regionaal, met weinig correlatie met soorten gesteenten en mineralen.
De verspreiding van primaire radionucliden en hun vervalproducten in natuurlijke ecosystemen hangt af van vele factoren, waaronder de chemische eigenschappen van de nucliden, de fysieke factoren van het ecosysteem en de fysiologische en ecologische kenmerken van flora en fauna. De verwering van gesteenten, hun belangrijkste reservoir, levert U, Th en K aan de bodem. De vervalproducten van Th en U nemen ook deel aan deze overdracht. Vanuit de bodem worden K, Ra, een beetje U en heel weinig Th opgenomen door planten. Ze gebruiken kalium-40 op dezelfde manier als stabiel K. Radium, een vervalproduct van U-238, wordt door de plant gebruikt, niet omdat het een isotoop is, maar omdat het chemisch dicht bij calcium ligt. De opname van uranium en thorium door planten is over het algemeen verwaarloosbaar omdat deze radionucliden gewoonlijk onoplosbaar zijn.
Radon
De belangrijkste van alle bronnen van natuurlijke straling is het smaakloze, geurloze element, een onzichtbaar gas dat 8 keer zwaarder is dan lucht, radon. Het bestaat uit twee hoofdisotopen - radon-222, een van de vervalproducten van U-238, en radon-220, gevormd tijdens het verval van Th-232.
Rotsen, bodem, planten en dieren stoten radon uit in de atmosfeer. Het gas is een vervalproduct van radium en wordt in elk materiaal geproduceerddie het bevat. Omdat radon een inert gas is, kan het vrijkomen van oppervlakken die in contact komen met de atmosfeer. De hoeveelheid radon die uit een bepaalde rotsmassa komt, hangt af van de hoeveelheid radium en het oppervlak. Hoe kleiner het gesteente, hoe meer radon het kan afgeven. De concentratie van Rn in de lucht is naast radiumhoudende materialen ook afhankelijk van de luchtsnelheid. In kelders, grotten en mijnen met een slechte luchtcirculatie kunnen radonconcentraties aanzienlijke niveaus bereiken.
Rn verv alt vrij snel en vormt een aantal dochter-radionucliden. Eenmaal gevormd in de atmosfeer, combineren radonvervalproducten zich met fijne stofdeeltjes die neerslaan op de bodem en planten, en ook door dieren worden ingeademd. Neerslag is bijzonder effectief bij het opruimen van radioactieve elementen uit de lucht, maar de impact en bezinking van aerosoldeeltjes dragen ook bij aan hun afzetting.
In gematigde klimaten zijn de radonconcentraties binnenshuis gemiddeld ongeveer 5 tot 10 keer hoger dan buitenshuis.
In de afgelopen decennia heeft de mens "kunstmatig" enkele honderden radionucliden geproduceerd, geassocieerde röntgenstralen, bronnen, eigenschappen die toepassingen hebben in de geneeskunde, het leger, energieopwekking, instrumentatie en minerale exploratie.
Individuele effecten van door de mens gemaakte stralingsbronnen variëren enorm. De meeste mensen krijgen een relatief kleine dosis kunstmatige straling, maar sommigen ontvangen vele duizenden keren de straling van natuurlijke bronnen. Door mensen gemaakte bronnen zijn betergecontroleerd dan natuurlijk.
Röntgenbronnen in de geneeskunde
In de industrie en de geneeskunde worden in de regel alleen zuivere radionucliden gebruikt, wat de identificatie van lekpaden van opslaglocaties en het verwijderingsproces vereenvoudigt.
Het gebruik van straling in de geneeskunde is wijdverbreid en kan een aanzienlijke impact hebben. Het bevat röntgenbronnen die in de geneeskunde worden gebruikt voor:
- diagnostiek;
- therapie;
- analytische procedures;
- pacing.
Voor diagnostiek worden zowel ingekapselde bronnen als een breed scala aan radioactieve tracers gebruikt. Medische instellingen maken over het algemeen onderscheid tussen deze toepassingen als radiologie en nucleaire geneeskunde.
Is een röntgenbuis een bron van ioniserende straling? Computertomografie en fluorografie zijn bekende diagnostische procedures die met zijn hulp worden uitgevoerd. Daarnaast zijn er veel toepassingen van isotopenbronnen in medische radiografie, waaronder gamma- en bètabronnen, en experimentele neutronenbronnen voor gevallen waarin röntgenapparatuur onhandig, ongepast of gevaarlijk kan zijn. Uit milieuoogpunt vormt radiografische straling geen risico zolang de bronnen ervan verantwoordelijk blijven en op de juiste manier worden verwijderd. In dit opzicht is de geschiedenis van radiumelementen, radonnaalden en radiumhoudende luminescente verbindingen niet bemoedigend.
Veelgebruikte röntgenbronnen gebaseerd op 90Srof 147 Pm. De komst van 252Cf als draagbare neutronengenerator heeft neutronenradiografie op grote schaal beschikbaar gemaakt, hoewel de techniek in het algemeen nog steeds sterk afhankelijk is van de beschikbaarheid van kernreactoren.
Nucleaire geneeskunde
De belangrijkste gevaren voor het milieu zijn de labels van radio-isotopen in de nucleaire geneeskunde en röntgenbronnen. Voorbeelden van ongewenste invloeden zijn:
- bestraling van de patiënt;
- bestraling van ziekenhuispersoneel;
- blootstelling tijdens transport van radioactieve geneesmiddelen;
- impact tijdens productie;
- blootstelling aan radioactief afval.
De afgelopen jaren is er een trend geweest om de blootstelling van patiënten te verminderen door de introductie van isotopen met een kortere levensduur met een beperkter effect en het gebruik van meer gelokaliseerde medicijnen.
Kortere halfwaardetijd vermindert de impact van radioactief afval, aangezien de meeste langlevende elementen via de nieren worden uitgescheiden.
De milieu-impact van riolen lijkt niet af te hangen van het feit of de patiënt intramuraal of poliklinisch is. Hoewel de meeste vrijgekomen radioactieve elementen waarschijnlijk van korte duur zijn, overtreft het cumulatieve effect de vervuilingsniveaus van alle kerncentrales samen ver.
De meest gebruikte radionucliden in de geneeskunde zijn röntgenbronnen:
- 99mTc – schedel- en hersenscan, hersenbloedscan, hart, lever, long, schildklierscan, placenta-lokalisatie;
- 131I - bloed, leverscan, placenta-lokalisatie, schildklierscan en behandeling;
- 51Cr - bepaling van de duur van het bestaan van rode bloedcellen of sekwestratie, bloedvolume;
- 57Co - Schilling-test;
- 32P – botmetastasen.
Het wijdverbreide gebruik van radio-immunoassay-procedures, urineonderzoek en andere onderzoeksmethoden met behulp van gelabelde organische verbindingen heeft het gebruik van vloeibare scintillatiepreparaten aanzienlijk verhoogd. Organische fosforoplossingen, meestal op basis van tolueen of xyleen, vormen een vrij grote hoeveelheid vloeibaar organisch afval dat moet worden afgevoerd. Verwerking in vloeibare vorm is potentieel gevaarlijk en onaanvaardbaar voor het milieu. Daarom heeft afvalverbranding de voorkeur.
Aangezien de langlevende 3H of 14C gemakkelijk oplossen in de omgeving, ligt hun blootstelling binnen het normale bereik. Maar het cumulatieve effect kan aanzienlijk zijn.
Een ander medisch gebruik van radionucliden is het gebruik van plutoniumbatterijen om pacemakers van stroom te voorzien. Duizenden mensen leven tegenwoordig omdat deze apparaten hun hart helpen functioneren. Verzegelde bronnen van 238Pu (150 GBq) worden chirurgisch geïmplanteerd bij patiënten.
Industriële röntgenstraling: bronnen, eigenschappen, toepassingen
Geneeskunde is niet het enige gebied waarop dit deel van het elektromagnetische spectrum toepassing heeft gevonden. Radio-isotopen en röntgenbronnen die in de industrie worden gebruikt, vormen een belangrijk onderdeel van de technogene stralingssituatie. Toepassingsvoorbeelden:
- industriële radiografie;
- stralingsmeting;
- rookmelders;
- zelflichtende materialen;
- Röntgenkristallografie;
- scanners voor het screenen van bagage en handbagage;
- röntgenlasers;
- synchrotrons;
- cyclotrons.
Omdat bij de meeste van deze toepassingen ingekapselde isotopen worden gebruikt, treedt blootstelling aan straling op tijdens transport, overdracht, onderhoud en verwijdering.
Is een röntgenbuis een bron van ioniserende straling in de industrie? Ja, het wordt gebruikt in niet-destructieve testsystemen op luchthavens, bij de studie van kristallen, materialen en structuren, en bij industriële controle. In de afgelopen decennia hebben de doses stralingsblootstelling in de wetenschap en de industrie de helft van de waarde van deze indicator in de geneeskunde bereikt; daarom is de bijdrage aanzienlijk.
Ingekapselde röntgenbronnen hebben op zichzelf weinig effect. Maar hun transport en verwijdering zijn zorgelijk wanneer ze verloren gaan of per ongeluk op een stortplaats worden gedumpt. dergelijke bronnenRöntgenstralen worden meestal geleverd en geïnstalleerd als dubbel afgedichte schijven of cilinders. De capsules zijn gemaakt van roestvrij staal en moeten periodiek worden gecontroleerd op lekkage. Hun verwijdering kan een probleem zijn. Bronnen met een korte levensduur kunnen worden opgeslagen en afgebroken, maar zelfs dan moeten ze op de juiste manier worden verantwoord en moet het resterende actieve materiaal worden afgevoerd naar een erkende faciliteit. Anders moeten de capsules naar gespecialiseerde instellingen worden gestuurd. Hun kracht bepa alt het materiaal en de grootte van het actieve deel van de röntgenbron.
Röntgenbron opslaglocaties
Een groeiend probleem is de veilige ontmanteling en decontaminatie van industriële sites waar in het verleden radioactieve materialen zijn opgeslagen. Dit zijn meestal oudere nucleaire opwerkingsinstallaties, maar er moeten ook andere industrieën bij worden betrokken, zoals fabrieken voor de productie van zelflichtende tritiumborden.
Langlevende bronnen op laag niveau, die wijdverbreid zijn, vormen een bijzonder probleem. 241Am wordt bijvoorbeeld gebruikt in rookmelders. Naast radon zijn dit de belangrijkste bronnen van röntgenstraling in het dagelijks leven. Afzonderlijk vormen ze geen enkel gevaar, maar een aanzienlijk aantal kan in de toekomst een probleem vormen.
Kernexplosies
In de afgelopen 50 jaar is iedereen blootgesteld aan straling van radioactieve neerslag veroorzaakt door het testen van kernwapens. Hun hoogtepunt was bij1954-1958 en 1961-1962.
In 1963 ondertekenden drie landen (USSR, VS en Groot-Brittannië) een overeenkomst over een gedeeltelijk verbod op kernproeven in de atmosfeer, de oceaan en de ruimte. In de daaropvolgende twee decennia voerden Frankrijk en China een reeks veel kleinere tests uit, die in 1980 werden stopgezet. Er zijn nog steeds ondergrondse tests aan de gang, maar die produceren over het algemeen geen neerslag.
Radioactieve besmetting van atmosferische tests v alt in de buurt van de explosieplaats. Sommigen van hen blijven in de troposfeer en worden op dezelfde breedtegraad door de wind rond de wereld gedragen. Terwijl ze bewegen, vallen ze op de grond en blijven ze ongeveer een maand in de lucht. Maar de meeste worden de stratosfeer in geduwd, waar de vervuiling vele maanden blijft en langzaam over de planeet zakt.
Radioactieve fall-out omvat honderden verschillende radionucliden, maar slechts enkele van hen kunnen het menselijk lichaam beïnvloeden, dus hun grootte is erg klein en verval is snel. De belangrijkste zijn C-14, Cs-137, Zr-95 en Sr-90.
Zr-95 heeft een halfwaardetijd van 64 dagen, terwijl Cs-137 en Sr-90 ongeveer 30 jaar hebben. Alleen koolstof-14, met een halfwaardetijd van 5730, zal tot ver in de toekomst actief blijven.
Kernenergie
Kernenergie is de meest controversiële van alle antropogene stralingsbronnen, maar het draagt heel weinig bij aan de gevolgen voor de menselijke gezondheid. Tijdens normaal bedrijf geven nucleaire installaties verwaarloosbare hoeveelheden straling af in het milieu. februari 2016Er waren 442 civiel werkende kernreactoren in 31 landen en er waren er nog 66 in aanbouw. Dit is slechts een deel van de productiecyclus van nucleaire brandstof. Het begint met de winning en vermaling van uraniumerts en gaat verder met de productie van splijtstof. Na gebruik in energiecentrales worden brandstofcellen soms opgewerkt om uranium en plutonium terug te winnen. Uiteindelijk eindigt de cyclus met de verwijdering van nucleair afval. In elke fase van deze cyclus kunnen radioactieve stoffen vrijkomen.
Ongeveer de helft van de productie van uraniumerts in de wereld komt uit open mijnen, de andere helft uit mijnen. Het wordt vervolgens verpletterd in nabijgelegen brekers, die een grote hoeveelheid afval produceren - honderden miljoenen tonnen. Dit afval blijft miljoenen jaren radioactief nadat de fabriek haar activiteiten heeft stopgezet, hoewel straling maar een heel klein deel van de natuurlijke achtergrond uitmaakt.
Daarna wordt het uranium omgezet in brandstof door verdere verwerking en zuivering in verrijkingsinstallaties. Deze processen leiden tot lucht- en watervervuiling, maar ze zijn veel minder dan in andere stadia van de brandstofcyclus.
