Nukleáris alapok
(Magfizika, Detektorok,
Sugárvédelem, Reaktor)
1. Magfizikai alapismeretek
Az atommagok 10-15 m méretű részecskék. Pozitív
elektromos töltésű (+e) protonokból és semleges neutronokból állnak. A
protonokat és neutronokat összefoglaló néven nukleonoknak nevezzük. A proton és
a neutron nem elemi részecskék, bennük kvarkok találhatók. Egy atommagot az
összetételével jellemezzük. A benne lévő protonok számát rendszámnak nevezzük,
és általában Z betűvel jelöljük. Nem a neutronok számát szokás megadni második
adatként, hanem az atommagban található összes nukleon számát. Ezt tömegszámnak
hívjuk, és „A” betűvel jelöljük. Nyilván A
= Z+N (ahol N a neutronok száma). Egy meghatározott atommag jele: , ahol X helyébe a Z rendszámú elem kémiai vegyjelét kell
írni. Pl. . Időnként a rendszámot is elhagyjuk, hiszen a vegyjel azt
egyértelműen meghatározza. Pl. .
A nukleonokat az atommagban egy, az elektromágneses
kölcsönhatásnál erősebb kölcsönhatás tartja össze, legyőzve a protonok rövid
távolságon fennálló igen erős Coulomb-taszítását. Ez az intenzív kölcsönhatás a
magerő. Ez egy másodrendű kölcsönhatás. Egy alapvető kölcsönhatást általában
úgy írunk le, hogy töltések között hat. (Kivétel a gravitáció, melynek más
leírásai is ismertek.) Egy kölcsönhatás másodrendű változata az, amikor a saját
töltései szerint semleges objektumok között hat. Távolról nézve nem is lenne
erőhatás, de az objektumok szerkezete miatt közelről a kölcsönhatás érezhető.
Ezek mindig rövid hatótávolságú erők. Ilyen például a semleges atomok között
ható másodrendű elektromágneses kölcsönhatás, a Van der Waals erő. A kvarkok
között ható erős kölcsönhatás a természet egyik alapvető kölcsönhatása. Ennek
másodlagos formája a magerő, ami kvarkokból álló szerkezettel bíró objektumok
között a nukleonok között hat. A magerő hatótávolsága néhány femtométer, az
atommagok mérete is ekkora.
Radioaktivitásnak nevezzük az atommagok spontán átalakulását, amely általában
gyorsan mozgó, nagy energiájú részecskék kibocsátásával jár együtt. A gyors
mozgás a fénysebesség egy tizedét elérő, legtöbbször meg is haladó sebességet
jelent. A kibocsátott részecskék energiája a kémiai folyamatokban felszabaduló
energiáknál kb. milliószor nagyobb. Mivel ilyenkor általában egy kezdeti
részecskéből spontán módon több részecske keletkezik, radioaktív bomlásnak
is nevezzük ezeket az átalakulásokat. Ez az elnevezés kicsit félrevezető, mert
nem a bomlás radioaktív, hanem az az atommag, ami spontán átalakul. Radioaktív
sugárzásnak nevezzük a radioaktív bomlásban keletkező gyorsan mozgó
részecskék áramát.
A töltött részecskék, ha ilyen gyorsan mozognak, akkor az őket körülvevő
közeg atomjainak és molekuláinak elektronjait gerjesztik vagy ionizálják. Ezért
az ilyen radioaktív sugárzásokat ionizáló sugárzásnak is nevezzük. Az
ionizáló sugárzás tágabb fogalom. Ide tartozik még például a röntgensugárzás,
ami nem közvetlen radioaktív bomlás terméke, de annak kísérő jelensége lehet.
A röntgensugárzás legtöbbször kétféle módon keletkezhet:
vagy atomi elektronok átmenetei során, vagy fékezési sugárzásként. Gyorsítóban
kellően felgyorsított töltött részecskék árama is az ionizáló sugárzások
csoportjába tartoznak.
A radioaktív sugárzásokat elektromos térben történő eltérülésük
alapján három csoportra lehet osztani.
Az alfa-bomlás során a
kezdeti atommag egy hélium atom pozitív elektromos töltésű atommagját bocsátja
ki általában 5-10 MeV mozgási energiával (1 MeV =1,6·10-13 J). Az
alfa-részecske (a hélium atommagja) két proton és két neutron erősen kötött
rendszere, ezért energetikailag kedvező a megvalósulása. Az alfa-bomlás során
az atommag pozitív töltése kettővel csökken, így az atommagon belül a protonok
taszításából származó, a nukleonok kötését gyengítő elektrosztatikus energia is
jelentősen csökken. Emellett alfa-bomlás során a magszerkezet átrendeződése is
a magerők erősebb kötését eredményezi.
Az alfa-bomlás reakcióegyenlete a következő: . Itt X helyébe a Z rendszámú „anyamag” kémiai vegyjelét, Y
helyébe pedig a Z-2 rendszámú leányelem kémiai vegyjelét kell írni. Pl.
A béta-bomlásnak több
fajtája van. A negatív béta-bomlásban elektron keletkezik, ez – negatív
elektromos töltése miatt – ellenkező irányban térül el elektromos térben, mint
az alfa-részecske. A pozitív béta-bomlásban az elektron helyett pozitron lép
ki, ami az elektron pozitív töltésű, de vele azonos tömegű antirészecskéje. A
béta-bomlás lezajlása a gyenge kölcsönhatás eredménye, ami a természet eddig
nem említett, negyedik alapvető kölcsönhatása. A béta-bomlásban neutrínók is
részt vesznek. A béta-bomlások mindig az atommagon belüli protonok és neutronok
egymásba történő átalakulásai. Ha neutron alakul át protonná, akkor egy negatív
töltésű elektron keletkezik, így marad meg az elektromos töltés a folyamatban.
Az elektronnal együtt keletkezik egy antineutrínó.
Az elektron és a neutrínó könnyű elemi részecskék: leptonok, az ő
antirészecskéi (pozitron, antineutrínó) antileptonok. A béta-bomlás során
fennáll a leptonszám-megmaradás törvénye. Az elektronnak és a
neutrínónak egy a leptonszáma, az antirészecskéknek -1. A béta-bomló atommag
leptonszáma 0 (ez nem lepton, hanem hadron), így a béta bomlás termékeinek
összes leptonszáma is 0. A harmadik gyakran előforduló béta-bomlás, amikor a
proton úgy alakul át neutronná egy atommagon belül, hogy egy elektront befog a
K-héjról egy elektront. Ilyenkor a kezdeti állapotban van egy lepton, és a
végállapotban is kell lennie a leptonszám megmaradás miatt, tehát egy neutrínó
is keletkezik. A három bomlás reakcióegyenlete a nukleonok szintjén a
következő:
Az atommagok szintjén a három fenti bomlás a következőképpen
írható:
A gamma-bomlás egy
adott tömegszámú és rendszámú atommag gerjesztett állapotából indul, és
ugyanazon atommag alapállapotában (vagy alacsonyabb energiájú gerjesztett
állapotában) végződik. Az atommagok gerjesztett állapotait sokféleképpen
elképzelhetjük. Ilyen lehet, hogy egy atommag forog, rezeg vagy benne egy
nukleon más kvantummechanikai pályára áll.
Az atommagok sugarát többféle módszerrel megmérték, és az az
általános érvényű tapasztalat adódott jó közelítéssel a stabil atommagok
esetére, hogy a sugár a tömegszám egyharmadik hatványával arányos, azaz . Ez azt jelenti, hogy az atommagok térfogata a tömegszámmal,
azaz a bennük lévő nukleonok számával arányos. Ezt úgy képzelhetjük el, mint
állandó sugarú golyók egymáshoz érintkező térkitöltése. Őket a magerő tarja
össze, és ez mindig csak az első szomszédok között hat. Ezen modell neve a
cseppmodell.
Egy atommag pontos tömege kisebb, mint az őt összetevő protonok és
neutronok tömegének összege. A hiányzó tömeg neve tömeghiány. Ennek eredete az
Einstein féle E = mc2 képlettel a
következőképpen magyarázható. Az atommagban a protonok és neutronok kötött
rendszert képeznek, az atommag képződésekor a kötési energia felszabadul. Ennek
az eltávozott energiának megfelelő „hiányzó” tömeg a tömeghiány. Ennek alapján
az atommagok kötési energiája az atommag tömegéből meghatározható: az az
energia, ami egy atommag nyugalmi tömegéből származó energia és az
összetevőinek nyugalmi tömegéből származó energia különbsége.
Eköt=mAc2-Nmnc2-Zmpc2
Az egy nukleonra jutó kötési energia a kötési energia és a
tömegszám hányadosa: . Az atommag akkor jobban kötött, ha az egy nukleonra jutó
kötési energiája abszolút értékben nagyobb. A stabil atommagok egy nukleonra
jutó kötési energiája a tömegszám növekedésével nagyjából úgy változik, hogy a
kis atommagoktól a 56Fe-ig erősödik a kötés. A 56Fe a
legkötöttebb atommag, majd a tömegszám további növekedésével a kötés gyengül, a
protonok taszítása miatt. Az egy nukleonra jutó kötési energia a Z = 15 rendszám feletti atommagok esetén
mindig 7,5 - 8,5 MeV/nukleon között van. Ez meglepően állandó, aminek
magyarázata az, hogy a kötési energia döntő részben a szomszédos nukleonok
között fennálló magerő miatt van, és egy nagy magban mindig ugyanannyi
szomszédja van egy nukleonnak. A felületi effektusok és az elektromágneses
taszítás módosít kis mértékben ezen.
A radioaktív bomlások negyedik fajtája a hasadás. A maghasadás az,
amikor egy atommag spontán, vagy egy neutron befogás hatására két részre ún.
hasadványra esik szét. A hasadás csak a legnagyobb rendszámú radioaktív
atommagok között fordul elő. A legismertebb eset a 235U neutronok
befogása utáni hasadása. Ilyenkor a befogott neutron miatt a 236U
atommag, mint egy csepp, rezegni kezd, közel piskóta alakúra megnyúlik, majd
középen elszakad. A 244Pu példa a spontán hasadó atommagokra,
ilyenkor a hasadás (0,12%) és az alfa-bomlás (99,88%) egyaránt megvalósulhat, a
két folyamat versenyez egymással.
Ha egy koordinátarendszer x-tengelyére az atommagban található
neutronok számát mérjük fel, az y-tengelyre pedig a protonok számát (a
rendszámot), és a negyedsíkot egységnégyzetekből rakjuk ki, akkor minden
atommagot egy négyzet reprezentál. A stabil atommagok egy az y=x egyenes mentén
induló vonalban helyezkednek el, majd ez a vonal elgörbül, mert a nehezebb
atommagokban már neutrontöbblettel kell kompenzálni a több proton atommagot
szétfeszíteni akaró taszítását. Az urán a természetben található legnehezebb
atommag. Ennek hasadásakor a protonok és a neutronok véletlenszerűen kerülnek
az egyik vagy a másik hasadványba, ezért a proton/neutron arány azonos lesz az
uránban, és a két hasadványban is. A nehéz uránból két kisebb hasadványmag
keletkezik, amelyek stabil összetételű izotópjaiban azonban jóval kevesebb
neutronra lenne szükség. Az erős neutronfelesleg miatt a maghasadást egyrészt
neutronok kilépése (prompt, vagy azonnali neutronok), másrészt negatív
béta-bomló hasadási termékek keletkezése kíséri.. A hasadási termékek
béta-bomlásainak felezési ideje perces nagyságrendű. Van olyan béta-bomlás, ami
a keletkező atommag erősen gerjesztett állapotára érkezik. Néha annyira nagy a
gerjesztési energia, hogy elég egy neutron leválasztásához. Ilyenkor a neutron
magától leválik az atommagról. Ezek a neutronok – a megelőző béta-bomlás miatt
– a hasadás után sok másodperccel keletkeznek, és a nevük késő neutronok. A reaktorok szabályozásában nagyon fontos szerepük
van.
A radioaktív atommagok száma egy adott mintában a bomlások miatt
csökken. A minta aktivitásának az
időegységenkénti bomlások számát nevezzük. Ez egy egyszerű bomlás esetén
arányos a még el nem bomlott magok számával. A = -DN/Dt
µ N. (A negatív előjel azért van, mert
az atommagok száma csökken, viszont az aktivitás pozitív) Az arányossági
tényező abszolút értékét bomlási állandónak hívjuk, és l-val jelöljük, Ez megadja az
időegységre jutó bomlási valószínűséget. Azaz Minél több atommag
bomlott már el, annál kevesebb marad, így annál kisebb az időegység alatt
elbomló magok száma, a bomlás üteme csökken. A differenciálegyenletet megoldva
kapjuk az exponenciális bomlástörvényt: A felezési idő
az az idő, ami alatt a kezdeti magok számának fele elbomlik. Az exponenciális
bomlástörvénybe behelyettesítve, a felezési idő és a bomlási állandó
kapcsolata: T1/2 = ln2/l
A bomlási állandót definiáló bomlási ütemet megadó egyenletből
adódik az aktivitás és a mintában lévő radioaktív magok számának összefüggése,
ami a legtöbb nukleáris analitikai meghatározás alapja. A=lN
2. Detektor-alapismeretek
A radioaktív sugárzások detektálása során azt használjuk ki, hogy
a gyorsan mozgó töltött részecskék ionizálják a közeget, amin áthaladnak. A
sugárzás energiát hagy az anyagban, és ezt az energiát (vagy ennek egy részét)
általában elektromos impulzussá alakítják a detektorok. Az elektromos
impulzusok időbeli hossza a nanoszekundum és a mikroszekundum időtartományába
esik. Ezek elég rövid idők ahhoz, hogy minden egyes részecskét külön-külön
detektálni lehessen.
Az elektromos impulzussá alakítás módja és a detektor anyaga
alapján a detektorok három csoportját különböztetjük meg: félvezető-,
szcintillációs- és a gáztöltésű detektorokat. Ezen kívül vannak még a vizuális
detektorok, amelyeken a részecskék nyoma fényképezés után láthatóvá válik.
Ilyenek a ködkamrák és a nyomdetektor, többek között.
A félvezető detektorok anyaga szilícium vagy germánium
egykristály. A detektorra működése során nagyfeszültséget kapcsolnak. Ideális
esetben a kristály nem vezeti az áramot, csak az ionizáló részecskék hatására
válik vezetővé rövid időre. Ez teszi lehetővé a részecskék detektálását. A
kristályok elektronszerkezete sávszerkezet, és a félvezetőkre az jellemző, hogy
a vegyértékelektronok alkotta energiasáv kb. 1 eV energiával a vezetési sáv
alatt helyezkedik el. Ha egy elektromosan töltött ionizáló részecske (pl.
elektron) halad át a kristályon, akkor abban lead energiát, amely elég ahhoz,
hogy elektronokat gerjesszen fel a vezetési sávba. Általában egyszerre sokat.
Ezek az elektronok kijutnak a kristály szélére, és elektromos impulzust
okoznak. Az impulzus magassága az ionizáló részecske által leadott energiával
arányos. Az impulzusok száma másodpercenként pedig a mért minta aktivitásával
arányos. Lehet olyan jó a detektor, hogy minden a bomláskor felszabaduló
sugárzást tudunk detektálni, de általában nem ez a helyzet. Az időegységenként
detektált és a keletkező résecskék hányadosát hatásfoknak nevezzük. Egyszerűen
már azért is kisebb a hatásfok 100%-nál, mert a detektor nem tudja teljesen
körbevenni a mintát, és így lesznek olyan részecskék, melyek éppen nem a
detektor anyaga felé indulnak el. Másrészről például gamma-sugárzás
detektálásakor a gammák át is mehetnek a detektor anyagán úgy, hogy nem hatnak
vele kölcsön.
Az egyes impulzusok a detektort lefoglalják egy időre. Ha ilyenkor
jön egy újabb detektálandó részecske, ezt nem tudjuk detektálni. Az ilyen
időtartamot, ami alatt a detektor nem érzékeny holtidőnek nevezzük, és
általában %-ban adják meg egy mérésnél.
Mivel a félvezetőkben a vezetési sáv csak kevéssel van a
vegyérték-elektronok alkotta sáv fölött, ezért sajnos már a termikus mozgás
hatására is elektronok ugorhatnak fel a vezetési sávba. A rákapcsolt
nagyfeszültség hatására ezek az elektronok is kijutnak a kristály szélére, és a
kristály kismértékben vezeti az áramot. Ez az áramvezetés zavarja a részecskék
detektálását, ezért ezeket a detektorokat hűteni kell.
A szcintilláció látható és/vagy UV fény felvillanását jelenti. A
szcintillációs detektor szcintillátor anyagból és fotoelektron-sokszorozóból
áll. A szcintillátoron keresztülhaladva egy elektromos töltésű részecske (pl.
elektron) gerjeszti a detektor anyagában lévő elektronokat. Amikor ezek
visszatérnek alapállapotba, akkor bocsátják ki a szcintillációs fotont. A
szcintillátorra nem kell nagyfeszültséget kapcsolni, de a fotonokat valahogy
elektromos impulzussá kell alakítani. A keletkező felvillanásban egyszerre sok
foton keletkezik. A fotonok száma arányos a leadott energiával. A fotonokat a fotoelektron-sokszorozó
alakítja elektromos jellé. A nagy felvillanásokból nagyobb feszültség-impulzus
lesz. Ez a detektor is képes a leadott energia mérésére. A
fotoelektron-sokszorozó (FES) működése: a szcintillátorban keletkező fotonok a
FES fotokatódjára esnek, ahol fotoeffektussal elektront löknek ki kb. 20%
valószínűséggel. A keletkezett fotoelektront kell megsokszorozni. Ezért néhány
száz volt feszültséggel felgyorsítva egy speciális fémlapra fókuszáljuk őket.
Ezen minden becsapódó gyors elektron kb. 3 új, de lassú elektront lök ki. A
keletkezett elektronokat újra felgyorsítva és egy dinódára vezetve már 9
elektront kapunk, és így tovább még 8-10 dinódát használva egy elektronból
félmillió elektron lesz. Ilyen erősítés mellett a felvillanásban keletkező
fotonok már mérhető áramimpulzust keltenek. (Van olyan FES, ami egy elektront
is képes érzékelni.) A FES-ra kb. 1-2 ezer volt feszültséget kell általában
kapcsolni.
A gáztöltésű detektorok legismertebb példája a GM-cső. A
gáztöltésű detektorokban gázzal töltött kondenzátor lemezei között halad át az
elektromosan töltött részecskékből álló ionizáló sugárzás, és elektronokat kelt
ionizációval, ugyanúgy mint az előző két esetben. Itt az elektronok a gázban
mozognak a kondenzátoron belüli térerősség miatt. Ha csak az ionizáló sugárzás
által keltett elektronokat (és ionokat) gyűjtjük be, akkor ionizációs kamráról
beszélünk. Nagyobb feszültséget kapcsolva a kamrára, az elektronok a gázban
lévő atomokkal történő két ütközés között annyira fel tudnak gyorsulni, hogy
ionizálni tudják az atomokat az ütközés során, és ezzel újabb elektronokat
szabadítanak ki. Az elektronok száma növekszik, a cső több elektront (és iont
gyűjt be, mint amennyit a primer ionizáló részecske létrehozott, a cső erősíti
is az áramimpulzust. Amíg az anódra érkező áramerősség arányos marad a primer
részecske által keltett töltéssel, addig a detektort „proporcionális” (arányos)
számlálónak hívjuk. Az ilyen detektor még tudja mérni a detektorban leadott
energiát. Még tovább növelve a feszültséget, a cső telítésbe megy, a kiadott
impulzus ugyan nagy lesz, de már nem áll fenn az arányosság. Minden ionizáló
részecskét ugyanakkora impulzussal jelez a detektor. Ilyen üzemmódban működik a
GM-cső (Geiger-Müller féle szmlálócső). A GM-csőnél gondoskodni kell az
elektron-lavina kioltásáról is, emiatt a detektor holtideje is elég nagy.
Gamma-sugárzás
detektálása:
Mindegyik detektortípusnál hangsúlyoztuk, hogy közvetlenül csak elektromos
töltésű részecskét (pl. elektronokat) tudnak detektálni. Gamma-sugárzás
közvetlenül nem detektálható. Közvetett módon azonban igen, mert a
gamma-sugárzás három folyamat során is tud elektronokat „kelteni” az anyagban,
amelyeket azután a detektorok már érzékelni tudnak:
-
Fotoeffektus. Ennek során a gamma-foton egy atom
erősen kötött elektronját „kiüti”, annak lényegében teljes energiáját átadja.
Így nagy energiájú elektron keletkezik
-
Compton-szórás. A gamma-foton rugalmasan ütkozik
az anyagban lévő lazán kötött elektronnal. Azt meglöki, energiájának egy részét
átadja, ő maga pedig kisebb energiával más irányban továbbhalad
-
Párkeltés. Egy nagy energiájú gamma-foton
elektron-pozitron párt kelt. Az Einstein-féle E=mc2
összefüggés alapján ehhez legalább az elektron-pozitron pár nyugalmi tömegének
megfelelő 1,022 MeV energia szükséges. A párkeltés kísérőjelensége az annihilációs
sugárzás, amikor egy, az anyagban lelassult pozitron egy elektronnal
megsemmisül, és ismét gamma-sugárzás – két, egymással ellentétes irányba
induló, egyenként 0,511 MeV energiájú foton – keletkezik.
Mivel a gamma-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal három bonyolult
folyamat révén történik, a detektorokban gamma-sugarak hatására leadott energia
eloszlása is bonyolult alakot mutathat
A mérések során a sugárzások által a detektorban leadott energia
gyakoriság-eloszlását kell felvennünk, és ezt energiaspektrumnak híjuk. Az
energiaspektrum egy digitális elektronikai feldolgozás eredménye. Az analóg
elektromos impulzusok nagyságát digitalizálni kell, és egy 0-1024 vagy 0-4096
közötti egész számmal jellemezzük a jelnagyságot, ami az energiával arányos.
Ezt a leadott energiával arányos egész számot (legyen i a jele) gyakran csatornaszámnak
hívjuk, mert egy hosszú mérés alkalmával azt számoljuk meg, hogy hányszor
érkezett be ilyen i nagyságú impulzus, és ezt úgy is mondhatjuk, hogy az i. csatornába
hány beütés érkezett. Ez a berendezés az amplitúdó analizátor, vagy
sokcsatornás analizátor.
3. Sugárvédelmi alapismeretek
Az emberi tevékenységek során gyakran vállaljuk valamilyen káros
esemény bekövetkezésének valószínűségét valamilyen előnyért cserében. Például,
annak ellenére, hogy a repülőgépek nem teljesen biztonságosak, az emberek döntő
többsége használja őket hosszú utazásokra. Minden munkahelyi tevékenységnek is
van kockázata. Ezt számszerűsíteni nem könnyű, de az évenkénti halálozási arány
az egyik olyan mennyiség, amivel le tudjuk írni a kockázatot. A pénzügyi
műveleteknek is van kockázata, és ezt a banki matematika világában precízen
számolják is. Az ionizáló sugárzásokkal történő munka is kockázatos. Például a
röntgensugárzással pontos diagnózis adható csontok állapotáról, de a gépet
működtetők is szenvedhetnek kárt, sőt a megröntgenezett páciens is kis
mértékben kockázatnak van kitéve. A reaktoros energiatermelésben dolgozók is ki
vannak téve kockázatnak, de az egész társadalom számára termelnek energiát.
Mindig a tevékenység haszna és a kockázat mértéke kell eldöntse, hogy egy adott
tevékenység a társadalom számára elfogadható-e.
A radioaktív sugárzások dózisa. A dózisokat leíró legalapvetőbb
fogalom az elnyelt dózis, ami a tömegegységben elnyelt energiát jelent.
Mértékegysége a gray [Gy], ami J/kg. A sugárvédelem gondolatkörében abból
indulunk ki, hogy a sugárzás biológiai hatása ezzel arányos. Azonban a
tapasztalatok szerint az egyes sugárzások esetén az arányossági tényező nem
azonos. A sugárzás biológiai hatásait leíró mennyiség az egyenértékdózis.
Ez a H, az előbb említett sugárzási
tényező és az elnyelt dózis szorzata H = wr·D.. Az egyén különböző szerveit más és más egyenértékdózis érheti.
A hosszú idő távlatában várható károsodás megállapításához egyes szervekre meg
kell nézni ezt az egyenértékdózist, és ezeket tapasztalati súlyfaktorokkal megszorozva
kell átlagolni az egész testre. Ez már az egész testre vonatkozó ún. effektív
dózis. A sugárvédelmi szabályozásban az effektív dózis az a mennyiség,
amelynek értékeire általában a korlátok vonatkoznak. Az egyenértékdózis és az
effektív dózis egysége a sievert [Sv]. A embert érő effektív dózisok
nagyságrendjeit jól kell ismernünk. A természetes háttérsugárzás dózisa, ami a
föld gamma-sugárzásától kezdve, a bezárt levegő radontartalmán keresztül az
élelmiszerek radioaktivitásáig mindent magában foglal átlagosan 2,4 mSv évente.
A sugárveszélyes munkahelyeken dolgozók megengedett dózisa 20 mSv/év. Az előző
kb. tízszerese. A determinisztikusan orvosi elváltozásokat okozó dózis kb. 300
mSv, ismét egy több, mint tízes faktorral nagyobb. A félhalálos dózis kb. 5
Sv.
A sugárzás biológiai hatása két alapvetően elkülönülő esetre
bontandó. A kisebb dózisok esetén sztochasztikus hatásról beszélünk.
Ekkor a megbetegedés (leukémia, vagy rákos daganatok) valószínűsége arányos a dózissal. Ilyenkor a megbetegedés azonban
csak sok év múlva jelentkezik. A determinisztikus, biztosan bekövetkező
károsító hatást, tehát a besugárzott szövet akut pusztulását okozó legkisebb
effektív dózis 300 mSv (ez az egész testre van vonatkoztatva). Ez közvetlenül a
dózis elszenvedése után (napoktól 2-3 hónapig terjedő idő alatt) kialakuló,
orvosilag diagnosztizálható elváltozásokat jelent.
A küszöbdózis közelében például bőrpír, hányinger alakulhat ki. A
determinisztikus hatás esetén a megbetegedés súlyossága arányos a dózissal, és csak kb. 5 Sv egésztest dózis
körül van a halálozásnak jelentős valószínűsége. Meg kell említeni, hogy több
Sv dózisokat orvosi felügyelet mellett megkapva, és azt rosszul működő
szervekre koncentrálva gyógyulást is el lehet érni a sugárzásokkal. Egy további
hatás a genetikai elváltozás. Nem ez a sugárzások biológiai hatásai közül a
legfontosabb. Ez kis valószínűséggel bekövetkező folyamat, és a szervezet
reagáló képessége ki tudja védeni ezeket az elváltozásokat.
A sugárvédelem egyik legfontosabb gondolata, hogy a sugárveszélyes
munkahelyeken megadott dóziskorlátokat hogyan kell kialakítani. A fő elv a társadalmilag
átlagos munkahelyi kockázat fogalma köré csoportosul. Ez az ország összes
munkahelyén a munkahelyi kockázatok súlyozott átlaga. Ha sugárveszélyes
munkakörben dolgozók a sugárzás miatt ennél kisebb kockázatnak vannak kitéve,
akkor az elfogadható. Ez a szint függ az ország fejlettségi állapotától. A
sugárveszélyes tevékenység tervezésénél az ALARA-elv követendő. Ez azt
fejezi ki, hogy indokolatlanul nem szabad dózist kapni a dolgozóknak. Amilyen
alacsony dózis mellett csak lehet, úgy kell elvégezni a műveleteket. Például
árnyékolni kell, vagy nem szabad sokáig a sugárzási térben lenni. (ALARA = As
Low As Reasonable Achievable = annyira alacsony, amennyire az még ésszerűen
megvalósítható)
A sugárzások elleni védelem három fő formája az idő-, a
távolságvédelem, és az árnyékolás. Egy radioaktív forrást csipesszel megfogva
nagyobb távolságban van a kezünk, a kapott dózis a századrészére csökkenthető.
Ha nem tartózkodunk a forrás közvetlen közelében, és csak rövid ideig dolgozunk
vele, szintén nagy dózis küszöbölhető ki. Bizonyos esetekben, például egy
reaktor üzemeltetésekor árnyékolással kell dolgozni. Az aktív zóna aktivitása
természetesen nagy, de körülötte több méter beton és számos sugárzásmérő
készülék ügyel arra, hogy az ott dolgozók ne legyenek kitéve felesleges
dózisnak.
A sugárvédelmi rendelkezések napjainkban kevéssé vonatkoznak
természetes sugárzásokra. Általában zárt preparált sugárforrásokkal,
röntgencsövekkel történik a munka. Ha természetes eredetű forrással például
demonstrációt végzünk, vagy napokig tartózkodunk egy magas radontartalmú
barlangban, akkor ez a természetes sugárzás dózisának tárgykörébe tartozik,
nincs ezekre hivatalos korlátozás.
A természetes sugárzások dózisának világátlagban kb. 50%-a a radon
és leányelemeinek sugárzásból származik. Ezért egyre több EU országban az új
építésű lakások éves átlagos radonkoncentrációjára küszöbszinteket vezetnek be.
4. Reaktor alapismeretek
A BME Oktatóreaktora nem energiatermelő reaktor, de aktív
zónájában nagy neutronfluxus található. Ezzel reaktorfizikai kutatások
mellett alkalmazott pl. környezetfizikai kutatások végezhetők. A reaktor
hasadásos reaktor, a hasadás az urán 235-ös izotópjával történik, ez a reaktor üzemanyaga.
Az urán természetes körülmények között a talajokban is megtalálható, de két
izotópja közül a 235-ös sokkal kisebb százalékban található meg (0,7%), mint a
238-as. Ezért dúsítani kell az uránt ahhoz, hogy üzemanyag legyen. Az urán
hasadását egy lassú neutron befogása váltja ki a reaktor aktív zónájában. A
hasadáskor 2-3 új neutron is keletkezik, amelyek sokkal gyorsabban mozognak,
mint a termikus energiájú neutronok. A termikus energia az ekvipartíció
tételéből számítható ki. Például 25 °C szobahőmérséklettel termikus
egyensúlyban lévő neutronok 3/2 kT energiával rendelkeznek átlagosan, ami 0,025
eV mozgási energiát jelent.
A láncreakció elve az, hogy a keletkező neutronokat felhasználjuk
további hasadások előidézésére. Mivel több neutron keletkezik, mint 1, ezért –
ha minden neutron újabb hasadást hozna létre - a neutronok száma
exponenciálisan növekedne. A neutronok azonban ki is szökhetnek a reaktorból,
vagy pedig különböző anyagok – maga az urán is – elnyelhetik őket. Ezek
elvesznek a láncreakció számára. Ezért általában nehéz láncreakciót
megvalósítani. A hasítás valószínűségének növeléséhez először le kell lassítani
őket. Ezt végzi a moderátor. A moderátor többféle anyag is lehet,
grafit, nehézvíz vagy könnyűvíz. A maghasadás során nagy energiafelszabadulás
is történik, ezt el kell a reaktorból szállítani. Ezért a stabil működéshez, és
egyébként az energiatermeléshez is nélkülözhetetlen harmadik elem a hűtőközeg.
A vízzel hűtött és vízzel moderált reaktorokban a hűtőközeg ugyanaz a víz, mint
a moderátor. Ennek az az előnye, hogy ha valamilyen üzemzavar folytán elfolyna
a hűtőközeg, egyúttal a moderátor is eltűnik, és a láncreakció automatikusan
leáll (hiszen a fenntartásához a moderátorra szükség van). A reaktoroknak
kiterjedt biztonsági rendszere van (mint a repülőknek). A rudak
formájában az aktív zónában lévő üzemanyag mellett vannak biztonsági rudak és
szabályzó rudak. A szabályzó rudak jó neutronelnyelő anyagból készülnek (ilyen
például a kadmium vagy a bór), és szabályozható neutronelnyeléssel fenntartják
az egyenletes neutronfluxust a reaktorban (stacionárius üzemmód). A biztonsági
rudak vészleálláshoz használhatók. Ha bármi rendellenességet észlelnek
műszerek, a rudakat az üzemanyag rudak mellé benyomják, és a teljes
neutronfluxus rohamosan csökken.
A neutronfluxus az egységnyi (képzelt) felületen időegység alatt
átmenő bármilyen energiájú és irányú neutronok száma. A hasadásban nagy
energiával keletkeznek a prompt neutronok, a hasadványok béta-bomlása után a
késő neutronok. Ebből a két részből áll össze a teljes neutronfluxus, aminek a
neutronlassítás (moderálás) miatt van egy energia szerinti jellegzetes
eloszlása (energiaspektruma). Ebben mindig találhatók még a hasadáskor
keletkező energiához közeli „gyors” neutronok, és már teljesen lelassult
neutronok is.
A nyomott vizes típus (PWR, pressurised water reactor) az
energiatermelő reaktorok (mint a paksi is) egyik legbiztonságosabb fajtája.
Benne kb. 300 fokos víz kering, ez hozza el a hőt és lassítja a neutronokat. A
víz mégsem forr fel, mert nagy nyomást (kb. 125 bar) biztosít benne a
túlnyomás-tartály. Ez az ún. primer kör, ami az energiatermelő
reaktorokban egy hőcserélőn keresztül csatlakozik a szekunder körhöz,
amiben alacsonyabb nyomáson (kb. 42 bar) vizet forralnak, és a keletkezett gőz
hajtja meg a turbina kerekeit, ami aztán áramot fejleszt elektromos
indukcióval.
A láncreakciót az effektív (neutron)sokszorozási tényezővel
szokás jellemezni (keff).
Az effektív sokszorozási tényező a neutronok számának relatív változását adja
meg egy neutron-ciklusra vonatkoztatva (pl. a maghasadástól a következő
maghasadásig). . Itt Ni+1
és Ni a reaktorban lévő
neutronok száma két egymás követő ciklusban. A sokszorozási tényező függ a
hasadáskor keletkező neutronok átlagos számától, a neutronok kiszökésétől
(kidiffundálásától) a zónából, és a neutronok elnyelődésétől is.
A reaktor működését gyakran a reaktivitással írják le. A
reaktivitás az effektív sokszorozási tényező 1-től való relatív eltérését adja
meg: . A reaktivitás és az effektív sokszorozási tényező nagyon
hasonló paraméterek. Stabil működéskor a reaktivitás 0, ezt hívjuk kritikus reaktornak. Ha a reaktivitás
pozitív, a neutronfluxus és a reaktor teljesítménye nő és szuperkritikus reaktorról beszélünk. Szubkritikus a reaktor, ha a reaktivitás negatív.