Rapport Omslagsbog Beskåret format: 175 x 245 mm (b x h) Sideantal: 666 Indbinding: Fræset/limet Papir: 80g Cyclus Offset Resultat Bogblok: 33 mm Rygbredde: 33 mm Totale bredde: 383 mm Total højde: 245 mm Skønt radioaktiviteten først blev opdaget for mere end et århundrede siden, har radioaktive stoffer og den ioniserende stråling, de udsender, eksisteret siden Jordens skabelse. Studiet af stråling og radioaktive stoffer har siden begyndelsen af forrige århundrede ført til omfattende fremskridt inden for medicinsk diagnostik og terapi. I dag anvendes radioaktive stoffer og ioniserende stråling inden for hospitalsvæsen, industri og forskning. Når ioniserende stråling velkselvirker med menneskeligt væv, vil strålingen afsætte energi i form af ionisering, der kan medføre skader på cellernes DNA-molekyler. Denne energiafsættelse kan føre til enten deterministiske skader (akutte skader) eller stokastiske skader (senskader) i form af cancer eller genetisk betingede sygdomme. Helsefysik er et fagområde, der omfatter ioniserende strålings biologiske virkning (helse) og fysiske natur (fysik). Helsefysikken gør brug af viden og metoder inden for fagområderne biologi, fysik, kemi og matematik og anvendes, hvor man arbejder med radioaktive stoffer og ioniserende stråling, og hvor der således er behov for strålingsbeskyttelse. Helse f ysik er primært en arbejdsmiljødisciplin, men anvendes også ved beskyttelse af personer, der modtager stråling ved diagnostik og terapi og ved beskyttelse af befolkningen, der udsættes for bestråling fra naturligt forekommende strålingskilder eller fra radiologiske eller nukleare uheld, hvor radioaktive stoffer spredes i omegnsmiljøet ved udslip. fysik Bogen Helsefysik giver en samlet indføring i helse fysikkens discipliner og omhandler: historisk beskrivelse af atombegrebet grundlæggende atomfysik strålings vekselvirkning med stof strålingsdosimetri strålingsbiologi principper for strålingsbeskyttelse strålingsmaskiner metoder til måling af ioniserende stråling praktisk strålingsbeskyttelse spredning af radioaktive stoffer til omgivelsern strålingsudsættelse ved uheld PER HEDEMANN JENSEN THOMMY INGEMANN LARSEN BENTE LAURIDSEN JENS SØGAARD-HANSEN ERIK THORN LISBETH WARMING HELSE fysik Bogen er udarbejdet til brug ved uddannelsen af helseassistenter først på Risø og siden i Dansk Dekommissionering. Den benyttes også som en del af pensum i uddannelsen af helsefysikere i Dansk Dekommissionering. Dele af bogen kan også benyttes ved undervisningen i helsefysik på gymnasier og universiteter. Forfatterne er helsefysikere, og de har i en lang årrække arbejdet på Risø med strålingsbeskyttelse i forbindelse med driften af Risøs forskningsreaktorer og de øvrige nukleare anlæg og senere i Dansk Dekommissioning ved anlæggenes dekommissionering. De har gennem alle årene undervist i helsefysik for alle personalekategorier. ISBN 978-87-571-2781-2 9 788757 127812 Helsefysik_omslag_01.indd 1-3 fysik HELSE HELSE PER HEDEMANN JENSEN THOMMY INGEMANN LARSEN BENTE LAURIDSEN JENS SØGAARD-HANSEN ERIK THORN LISBETH WARMING nyttf.dk varenr. 104033-1 NYT TEKNISK FORLAG 12-12-2012 14:31:42
Helsefysik Radioaktivitet, ioniserende stråling, biologiske virkninger og strålingsbeskyttelse Per Hedemann Jensen, Thommy Ingemann Larsen Bente Lauridsen, Jens Søgaard-Hansen, Erik Thorn, Lisbeth Warming
Helsefysik Radioaktivitet, ioniserende stråling, biologiske virkninger og strålingsbeskyttelse 1. udgave 2012 Bogen er udgivet af Dansk Dekommissionering i kommission hos Nyt Teknisk Forlag Dansk Dekommissionering 2012 Forlagsredaktør: Henrik Larsen, hl@nyttf.dk Omslag: Henrik Stig Møller, Dtp: Dansk Dekommissionering ISBN: 978-87-571-3304-2 Varenummer: 104033-9 Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne e-bog må ikke finde sted. Nyt Teknisk Forlag Ny Vestergade 17, 4. sal 1471 København K info@nyttf.dk www.nyttf.dk Ekspedition: Erhvervsskolernes Forlag, +45 63 15 17 00
Indhold 1 Indledning 1 2 Atomernes verden 5 2.1 Atombegrebet fra oldtid til nutid............... 5 2.2 Atomet og de mindste bestanddele.............. 14 2.2.1 Atomets opbygning................... 14 2.2.2 Atomets fysik...................... 17 2.3 Grundstoffer og isotoper.................... 21 2.3.1 Grundstoffer...................... 21 2.3.2 Isotoper......................... 23 2.4 Det Periodiske System..................... 26 2.4.1 Beskrivelse af Det Periodiske System......... 26 2.4.2 Elektronstruktur og opbygningen af Det Periodiske System......................... 29 2.5 Kemisk reaktion og kemisk binding.............. 30 2.5.1 Molekyler, kemiske forbindelser og kemiske reaktioner 30 2.5.2 Kemisk binding..................... 32 2.5.2.1 Valenselektroner................ 32 2.5.2.2 Kovalent binding................ 32 2.5.2.3 Ionbinding................... 33 2.5.2.4 Metalbinding.................. 35 2.5.2.5 Blandede bindinger............... 35 2.5.2.6 Bindinger mellem molekyler.......... 36 2.6 Stoffets faser.......................... 37 2.6.1 Den faste fase...................... 37 2.6.2 Væskefasen....................... 38 2.6.3 Gasfasen......................... 39 2.6.4 Plasmafasen....................... 40 Litteratur............................ 42 3 Spontane kerneomdannelser 43 3.1 Becquerels opdagelse af radioaktivitet............ 43 3.2 De radioaktive henfald..................... 45 3.2.1 Stabile og ustabile kerner............... 45 3.2.2 α-henfald........................ 49 3.2.3 β-henfald........................ 52 3.2.4 Electron Capture (EC) (elektronindfangning).... 58 3.2.5 Spontan fission..................... 59 3.2.6 Ledsagende γ-stråling og røntgenstråling....... 61 3.2.7 Internal Conversion (IC) (intern konvertering)... 65 3.3 Matematisk beskrivelse af radioaktivitet........... 65 3.3.1 Henfaldskonstant, henfaldslov og halveringstid... 65 i
3.3.2 Enheder for radioaktivitet............... 70 3.3.3 Specifik aktivitet.................... 71 3.3.4 Kædehenfald...................... 73 3.4 Nuklidkortet.......................... 81 3.4.1 Atomnummer og atomvægt.............. 81 3.4.2 Farvekoder....................... 82 3.4.3 Oplysninger fra nuklidkortet............. 88 3.4.4 Særlige forhold..................... 91 3.5 Øvelsesopgaver......................... 94 Litteratur............................ 95 4 Ioniserende strålings vekselvirkning med stof 97 4.1 Ioniserende stråling....................... 97 4.1.1 Ionisering og ioniseringsenergi............. 97 4.1.2 Definition af ioniserende stråling........... 101 4.1.3 Typer af ioniserende stråling............. 101 4.1.3.1 Strålingaftunge, ladedepartikler...... 101 4.1.3.2 Elektron- og positronstråling......... 101 4.1.3.3 γ-stråling og røntgenstråling......... 101 4.1.3.4 Neutronstråling................ 103 4.2 Tværsnit og energiomsætning................. 103 4.2.1 Tværsnit........................ 103 4.2.2 Energiomsætning.................... 106 4.3 Tunge og ladede partikler................... 107 4.3.1 Vekselvirkning og energioverførsel........... 107 4.3.1.1 Stoppeevne................... 110 4.3.1.2 Energiafsættelse i stof............. 112 4.3.2 Partikelbane og rækkevidde.............. 112 4.3.2.1 Partikelbane.................. 112 4.3.2.2 Rækkevidde................... 112 4.4 Elektroner og positroner.................... 114 4.4.1 Vekselvirkning og energioverførsel........... 115 4.4.1.1 Kollisionstab (kollisionsstoppeevne)..... 115 4.4.1.2 Bremsestråling................. 117 4.4.1.3 Annihilation.................. 119 4.4.1.4 Cerenkov-stråling................ 120 4.4.2 Dannelse af røntgenstråling.............. 121 4.4.2.1 Karakteristisk (fluorescens) røntgenstråling. 122 4.4.2.2 Bremse-røntgenstråling (bremsestråling)... 122 4.4.3 Partikelbane og rækkevidde.............. 124 4.4.3.1 Partikelbane.................. 124 4.4.3.2 Partikelrækkevidde............... 124 4.5 Gamma- og røntgenstråling.................. 126 4.5.1 Den fotoelektriske effekt................ 127 ii
4.5.2 Comptonspredning og -absorption.......... 129 4.5.3 Pardannelse....................... 130 4.5.4 Fotoaktivering..................... 132 4.5.5 Den eksponentielle svækkelse............. 132 4.6 Neutroner............................ 136 4.6.1 Dannelse af neutroner................. 136 4.6.2 Neutroners vekselvirkning med stof.......... 138 4.6.2.1 Neutronspredning............... 138 4.6.2.2 Neutronabsorption............... 140 4.6.3 Den eksponentielle svækkelse.............. 145 4.7 Øvelsesopgaver......................... 147 Litteratur............................ 148 5 Strålingsfelter og strålingsdoser - begreber og enheder 149 5.1 Fluence og fluencehastighed.................. 150 5.2 Energifluence og energifluencehastighed........... 152 5.3 Stokastiske og ikke-stokastiske størrelser........... 153 5.3.1 Fysik.......................... 154 5.3.2 Biologi.......................... 155 5.3.3 Meteorologi....................... 156 5.4 Energioverførsel og energiafsættelse i stof.......... 157 5.4.1 Overført energi og afsat energi............ 157 5.4.2 Kerma og kermahastighed............... 160 5.4.3 Eksponering og eksponeringshastighed........ 164 5.4.4 Cema og cemahastighed................ 169 5.4.5 Absorberet dosis og absorberet dosishastighed.... 170 5.5 Karakterisering af biologisk skadevirkning.......... 174 5.5.1 Lineær energioverførsel (LET)............ 175 5.5.2 Relativ biologisk effektivitet (RBE)......... 175 5.5.3 Kvalitetsfaktor..................... 179 5.5.4 Strålingsvægtfaktor.................. 180 5.6 Ækvivalent dosis........................ 181 5.7 Risikofaktorer og vævsvægtfaktorer.............. 183 5.8 Effektiv dosis.......................... 185 5.9 RBE-vægtet absorberet dosis................. 187 5.10 Kollektiv dosis......................... 188 5.11 Operationelle dosisstørrelser.................. 189 5.11.1 Miljødosisækvivalent, retningsbestemt dosisækvivalent og persondosisækvivalent............. 190 5.11.1.1Miljødosisækvivalent............. 191 5.11.1.2 Retningsbestemt dosisækvivalent...... 191 5.11.1.3Persondosisækvivalent............ 192 5.11.2 Dosis-konversionskoefficienter............. 192 iii
5.11.3 Bestemmelse af effektiv dosis ud fra operationelle størrelser........................ 194 5.12 Øvelsesopgaver......................... 197 Litteratur............................ 199 6 Eksterne og interne strålingsdoser 201 6.1 Eksterne strålingsdoser..................... 202 6.1.1 Helkropsbestråling................... 202 6.1.2 Delkropsbestråling................... 203 6.1.3 Bestemmelse af eksterne strålingsdoser........ 204 6.1.3.1 Dosishastighedsmåling............. 204 6.1.3.2 Dosismåling.................. 205 6.1.3.3 Beregning af γ-dosishastighed fra kilder... 206 6.1.3.4 Beregning af β-dosishastighed fra kilder... 209 6.1.3.5 Beregning af β-dosishastighed fra hudkontamination........................ 212 6.1.3.6 Beregning af dosishastighed fra neutronstråling213 6.1.3.7 Beregning af dosishastighed fra forurenet luft 218 6.1.4 Reduktion af eksterne doser.............. 220 6.2 Interne strålingsdoser...................... 221 6.2.1 Indtagsveje og transport................ 221 6.2.2 Tilbageholdelse og udskillelse............. 223 6.2.2.1 Tilbageholdelsesfunktioner.......... 223 6.2.2.2 Udskillelsesfunktioner............. 225 6.2.3 Committet ækvivalent dosis til indre organer.... 228 6.2.4 Committet effektiv dosis................ 230 6.2.5 Bestemmelse af interne doser............. 231 6.2.5.1 Målingafkoncentration............ 231 6.2.5.2 Målinger påexcreta.............. 233 6.2.5.3 Helkropsmåling................. 234 6.2.6 Engangsindtag og kontinuerlige indtag........ 235 6.2.7 Reduktion af interne doser............... 237 6.3 Øvelsesopgaver......................... 239 Litteratur............................ 241 7 Menneskets strålingsmiljø 243 7.1 Baggrundsstråling og naturlig radioaktivitet......... 243 7.1.1 Kosmisk stråling.................... 243 7.1.2 Terrestrisk radioaktivitet............... 247 7.1.3 Radon ( 222 Rn)..................... 252 7.1.3.1 Radonkilder....... og. radontransport................. 252 7.1.3.2 Radon.... i indendørsluften..................... 253 7.1.4 Radioaktivitet i mennesket.............. 255 7.2 Menneskeskabt stråling og radioaktivitet........... 258 iv
7.2.1 Kernevåbenforsøg (fall-out aktivitet)......... 259 7.2.2 Kernekraft....................... 261 7.2.2.1 Normal.... drift..................... 261 7.2.2.2 Uheldssituationer......................... 265 7.2.3 Medicinsk bestråling.................. 267 7.2.3.1 Diagnostik......................... 267 7.2.3.2 Terapi......................... 271 7.2.4 Industriel bestråling.................. 271 7.2.5 Forbrugerprodukter.................. 273 7.3 Årlige committede effektive doser............... 274 Litteratur............................ 278 8 Strålings biologiske virkninger 281 8.1 Erfaringsmateriale....................... 282 8.1.1 Deterministiske skader................. 282 8.1.2 Stokastiske skader................... 284 8.2 Cellebiologi og strålingsskader................. 287 8.2.1 Cellebiologi....................... 287 8.2.2 Strålingsskader påcelleniveau............. 290 8.2.2.1 Enkelt- og dobbelt-strengs-brud....... 291 8.2.2.2 Dosis- og dosishastighedseffekt........ 293 8.2.2.3 Deterministiske og stokastiske skader.... 293 8.3 Deterministiske skader..................... 295 8.3.1 Celleoverlevelse efter bestråling............ 296 8.3.2 Dosisrespons og skadetyper.............. 298 8.3.2.1 Dosis-fraktionering og -udstrækning..... 302 8.3.2.2 Hele kroppen.................. 303 A. Akut knoglemarvssyndrom...... 304 B. Kronisk knoglemarvssyndrom.... 308 C. Mave-tarmkanalsyndromet...... 310 D. Centralnervesyndromet........ 311 8.3.2.3 Hud....................... 312 8.3.2.4 Lunger..................... 314 8.3.2.5 Øjne....................... 314 8.3.2.6 Gonader.................... 315 8.3.2.7 Fostre...................... 315 8.3.3 Indtag af radionuklider................ 316 8.3.3.1 α-emittere................... 316 8.3.3.2 β-emittere................... 317 8.3.4 Sammenfatning af deterministiske skader...... 317 8.3.5 Behandling af strålingsskader og personkontamination 318 8.3.5.1 Helkropsbestråling............... 319 8.3.5.2 Ekstremitetsbestråling............. 320 8.3.5.3 Intern kontamination............. 320 v
8.3.5.4 Hudkontamination............... 322 8.4 Stokastiske skader....................... 322 8.4.1 Somatiske skader.................... 322 8.4.1.1 Celleforandringer................ 323 8.4.1.2 Latenstid.................... 323 8.4.1.3 Strålingsrisiko................. 324 A. Risikomodeller............. 324 B. Epidemiologiske undersøgelser.... 332 8.4.1.4 Genetisk bestemt øget følsomhed....... 337 8.4.1.5 Effekter i naboceller.............. 337 8.4.1.6 Kredsløbssygdomme.............. 338 8.4.1.7 Tærskeleffekt for stokastiske skader..... 338 8.4.1.8 Strålingshormesis............... 339 8.4.1.9 Sandsynlighed for årsagssammenhæng.... 341 8.4.2 Genetiske skader.................... 343 8.4.2.1 Mutationer................... 344 8.4.2.2 Dosisrespons og risikofaktorer........ 344 8.4.3 Sammenfatning af stokastiske skader......... 347 Litteratur............................ 349 9 Systemet for strålingsbeskyttelse 355 9.1 Historisk perspektiv...................... 355 9.1.1 ICRP s arbejdsform.................. 355 9.1.2 Udviklingen af ICRP s anbefalinger.......... 357 9.2 ICRP s beskyttelsessystem................... 359 9.2.1 Planlagt eksponering (praksis)............ 359 9.2.1.1 Retfærdiggørelse................ 361 9.2.1.2 Optimering................... 363 9.2.1.3 Dosisgrænser.................. 368 9.2.1.4 Afledt luftkoncentration (DAC)....... 371 9.2.1.5 Medicinsk bestråling.............. 372 9.2.2 Uheldseksponering og eksisterende eksponering... 373 9.2.2.1 Referenceniveauer............... 376 9.2.2.2 Retfærdiggørelse................ 379 9.2.2.3 Optimering................... 381 9.2.2.4 Personale der udfører indgrebsoperationer.. 385 9.3 EU s direktiver for strålingsbeskyttelse............ 386 9.3.1 Planlagte eksponeringssituationer........... 387 9.3.2 Uheldseksponeringssituationer............ 389 9.3.3 Medicinsk bestråling.................. 390 9.4 Danske regler for strålingsbeskyttelse............. 391 9.4.1 Planlagte eksponeringssituationer........... 391 9.4.2 Uheldseksponeringssituationer............ 393 9.4.2.1 Deltagelse i uheldsbekæmpelse........ 393 vi
9.4.2.2 Beskyttelse af enkeltpersoner i befolkningen. 394 9.4.3 Medicinsk bestråling.................. 394 Litteratur............................ 396 10 Strålingsafskærmning 401 10.1 α-stråling............................ 401 10.1.1 Rækkevidde....................... 401 10.1.2 Afskærmning...................... 403 10.2 β-stråling............................ 404 10.2.1 Rækkevidde....................... 404 10.2.2 Bremsestråling..................... 406 10.3 γ-stråling............................ 410 10.3.1 Spredt stråling, build-up, reflektion og sky-shine.. 411 10.3.2 Transmissionsfaktor og dæmpningsfaktor...... 414 10.3.3 Halveringstykkelse og middelvejlængde........ 422 10.4 Neutronstråling......................... 427 10.4.1 Transmissionsfaktor og dæmpningsfaktor...... 429 10.4.2 Halveringstykkelse og relaksationslængde...... 429 10.4.3 Sekundær stråling................... 430 10.4.4 Afskærmningsmaterialer................ 432 Litteratur............................ 434 11 Helsefysisk arbejdshygiejne 435 11.1 Organisation og ansvar..................... 436 11.2 Bekendtgørelser og DD-instrukser............... 436 11.2.1 Bekendtgørelser..................... 437 11.2.2 DD-instrukser...................... 437 11.3 Klassifikation af områder.................... 438 11.3.1 Grundlag for klassifikation af områder........ 438 11.3.1.1 Kontaminationsområder........... 438 11.3.1.2 Strålingsområder............... 442 11.3.2 Klassifikationsgrænser i DD.............. 442 11.4 Arbejde i klassificerede områder................ 445 11.4.1 Normale strålings- og kontaminationsniveauer.... 445 11.4.2 Regler for arbejde i klassificerede områder...... 446 11.5 Helseassistentens arbejdsopgaver............... 447 11.5.1 Rådgivning....................... 447 11.5.2 Kontrol og overvågning................ 448 11.5.3 Rapportering...................... 449 11.6 Helseassistentens rolle for arbejdshygiejnen......... 449 11.6.1 Arbejdsmoral og selvstændighed........... 451 11.6.2 Tillid til helseassistentens vurdering......... 451 11.6.3 Arbejdsbeskrivelser................... 452 11.6.4 Orden.......................... 452 vii
11.6.5 Samarbejde....................... 453 11.7 Praktiske metoder til begrænsning af doser......... 453 11.7.1 Beskyttelse mod ekstern bestråling.......... 453 11.7.1.1 Tid...................... 454 11.7.1.2 Afstand.................... 454 11.7.1.3 Afskærmning................. 455 11.7.2 Beskyttelse mod intern bestråling........... 457 11.8 Praktiske forholdsregler.................... 458 11.8.1 Forholdsregler for arbejde i klassificerede områder. 458 11.8.2 Generelle betragtninger om rengøring efter kontamination.......................... 461 11.8.2.1 Områder og udstyr.............. 461 11.8.2.2 Personer.................... 461 11.9 Helseassistentens 10 bud................... 463 12 Strålingsdetektering 465 12.1 Instrumenter.......................... 465 12.1.1 Gasfyldte detektorer.................. 468 12.1.1.1 Ionkamre................... 470 12.1.1.2 Proportionalkamre.............. 473 12.1.1.3 Geiger-Müllerkamre.............. 477 12.1.2 Scintillatorer...................... 480 12.1.2.1 α-detektering................. 480 12.1.2.2 β-detektering................. 480 12.1.2.3 γ-detektering................. 480 12.1.3 Halvlederdetektorer.................. 485 12.2 Dosimetre............................ 494 12.2.1 Film........................... 494 12.2.2 Termoluminescens-dosimetre (TLD)......... 496 12.2.3 Elektrometre...................... 499 12.2.4 Elektroniske lommedosimetre............. 501 12.2.5 Folier.......................... 501 12.2.6 Kritikalitetsdosimetre................. 503 12.2.7 Kalorimetre....................... 505 12.2.8 Kemiske dosimetre................... 506 12.2.9 Elektronspinresonans-dosimetre............ 506 12.3 Luftmonitering......................... 506 12.3.1 Partikelmonitering................... 507 12.3.1.1Continuous Air Monitor........... 507 12.3.1.2Afkastmonitering............... 512 12.3.2 Monitering af gasformigt jod............. 513 12.3.3 Tritium- og anden gasmonitering........... 515 Litteratur............................ 518 viii
13 Prøvetagning, måling og resultatvurdering 519 13.1 Prøvetagning.......................... 519 13.1.1 Aftørringsprøver (smeartests)............. 520 13.1.2 Vandprøver....................... 520 13.1.3 Luftprøver........................ 521 13.2 Måling af strålingsfelter.................... 521 13.3 Behandling af måledata.................... 522 13.3.1 Almene forhold..................... 522 13.3.1.1 Baggrund................... 522 13.3.1.2 Målegeometri................. 522 13.3.1.3 Måletid.................... 526 13.3.1.4 Tællestatistik................. 526 13.3.2 Detektorafhængige forhold............... 531 13.3.2.1 Egen-effektivitet............... 531 13.3.2.2 Dødtid og mætning............. 531 13.3.2.3 Energirespons................ 533 13.3.2.4 Aktivering og kontaminering........ 533 13.3.3 Kildeafhængige forhold................ 534 13.3.3.1 Henfald.................... 534 13.3.3.2 Henfaldskæder................ 539 13.3.3.3 Energispektrum............... 540 13.3.3.4 Selvabsorption................ 541 13.3.4 Kalibrering og justering................ 542 13.3.4.1 Egen-effektivitet............... 542 13.3.4.2 Geometrifaktor................ 543 13.3.4.3 Absolut-effektivitet og beregningsfaktor.. 545 13.3.5 Eksempel på behandling af måledata......... 547 13.4 Resultatvurdering....................... 550 13.4.1 Dosishastighedsbestemmelse.............. 551 13.4.2 Dosisbestemmelse................... 551 13.4.3 Aktivitetsbestemmelse................. 552 13.5 Rapportering og dokumentation................ 552 Litteratur............................ 555 14 Reaktorer og andre strålingsmaskiner 557 14.1 Fissions-reaktorer........................ 557 14.1.1 Princip og opbygning................. 558 14.1.2 Neutronflux i en reaktorkerne............. 562 14.1.3 Forsøgsreaktorer.................... 565 14.1.4 Kraftreaktorer..................... 569 14.1.4.1 Kogendevandsreaktor............ 570 14.1.4.2 Trykvandsreaktor............... 571 14.1.4.3 Tungtvandsmodereret reaktor........ 572 14.1.4.4 Grafitmodereret reaktor........... 573 ix
14.1.4.5 Gaskølet reaktor............... 574 14.1.4.6 Formeringsreaktor.............. 575 14.2 Acceleratorer.......................... 577 14.2.1 Princip og opbygning................. 577 14.2.2 Van de Graaff-accelerator............... 580 14.2.3 Tandem-Van de Graaff-accelerator.......... 581 14.2.4 Lineær elektronaccelerator (Linac).......... 582 14.2.5 Cyklotron og synkrotron................ 583 14.2.6 Febetron......................... 584 14.2.7 Røntgenapparater................... 584 14.2.7.1 Princip og opbygning............ 585 14.2.7.2 Analyseanlæg................. 587 14.2.7.3 Gennemlysningsanlæg............ 588 14.2.8 Bestrålingsanlæg.................... 590 14.3 Lasere.............................. 590 14.3.1 Princip og opbygning................. 591 14.3.2 Klassifikation af lasere................. 594 14.3.3 Anvendelse af lasere.................. 596 14.4 Bestrålingsanlæg med radioaktive kilder........... 597 14.5 Radiografianlæg......................... 599 14.6 Fusionsmaskiner........................ 601 14.6.1 Princip og opbygning................. 602 14.6.2 Maskiner til fusionsforsøg............... 604 14.6.3 Fusionsreaktorer.................... 605 Litteratur............................ 606 15 Konsekvenser af radioaktive udslip 607 15.1 Spredning i atmosfæren.................... 608 15.1.1 Gauss-modellen..................... 608 15.1.2 Atmosfærens stabilitet................. 611 15.1.3 Ekstern dosis fra luftbåretaktivitet......... 614 15.1.4 Indåndingsdosis fra luftbåren aktivitet........ 616 15.1.5 Ekstern dosis fra deponeret aktivitet......... 616 15.1.6 Indåndingsdosis fra deponeret aktivitet....... 619 15.1.7 Forurening af fødemidler................ 620 15.1.7.1 Fødekæder.................. 620 15.1.7.2 Intern dosis fra forurenede fødemidler... 621 15.2 Spredning i hydrosfæren.................... 623 15.3 Spredning i lithosfæren..................... 625 Litteratur............................ 626 x
16 Uheldseksponering 627 16.1 Ekstern bestråling....................... 627 16.1.1 Bestrålingsanlæg med γ-kilder............ 627 16.1.2 Røntgenanlæg...................... 629 16.1.3 Reaktorer........................ 630 16.1.4 Kritikalitet....................... 631 16.1.5 Acceleratorer...................... 637 16.2 Intern bestråling........................ 638 16.2.1 Indånding........................ 638 16.2.2 Indtag via munden................... 639 16.2.3 Indtag via åbne såroggennemhuden........ 640 16.3 Dosisbestemmelse........................ 640 16.3.1 Personlige dosimetre.................. 641 16.3.2 Bestemmelse af strålingsfelt.............. 641 16.3.3 Helkropsmåling og måling påexcreta......... 642 16.3.4 Personlige genstande.................. 645 16.3.5 Biologiske dosimetre.................. 645 Litteratur............................ 650 Indeks 653 xi
KAPITEL 1 Indledning Skønt radioaktiviteten først blev opdaget for godt og vel 100 år siden, har der altid været radioaktive stoffer på Jorden, og mennesket er derfor altid udsat for ioniserende stråling fra disse stoffer, ligesom mennesket udsættes for stråling fra verdensrummet. I perioden 1900-1930 blev det klarlagt, at stråling fra radioaktive stoffer udsendes som følge af spontane omdannelser af ustabile atomkerner. Studiet af stråling og radioaktive stoffers egenskaber har ført til omfattende teknologiske fremskridt specielt inden for medicinsk diagnostik og behandling samt inden for energiproduktion. I dag anvendes radioaktive stoffer og ioniserende stråling i stor udstrækning inden for hospitalsvæsen, industri, landbrug og forskning. Ved anvendelse af radioaktive stoffer og ioniserende stråling er beskyttelsesforanstaltninger nødvendige. Fagområdet helsefysik beskæftiger sig med strålingsbeskyttelse af mennesker og miljø. Helsefysik har til formål at sikre, at personer, der kan blive udsat for ioniserende stråling, får så lave doser, som det med rimelighed kan opnås. Helsefysik omfatter ioniserende strålings biologiske virkninger (helse) og fysiske natur (fysik). Det helsefysiske fagområde er bredt og gør brug af viden og metoder inden for fagområderne biologi, fysik, kemi, matematik, m.fl. Det omfatter følgende discipliner: - beskrivelse af strålingsdannelse i radioaktive stoffer i naturen og i menneskeskabte radioaktive stoffer, røntgenanlæg, reaktorer mv. - beskrivelse af forskellige strålingstyper: α-, β-, γ-, røntgen- og neutronstråling m.fl. - vekselvirkning mellem stråling og stof - metoder til måling af radioaktivitet og stråling - beskrivelse og bestemmelse af strålingsdoser - omsætning af radioaktive stoffer i mennesket - omsætning af radioaktive stoffer i miljøet - biologisk virkning af strålingsudsættelse - metoder til beskyttelse mod stråling - udvikling af beskyttelsesfilosofi samt normer og regler for strålingsbeskyttelse 1
Indledning Helsefysikken er primært en arbejdsmiljødisciplin, men anvendes også ved beskyttelse af personer, der modtager stråling ved diagnostik og terapi. Den anvendes ligeledes ved beskyttelse af befolkningen, der udsættes for stråling fra naturligt forekommende strålingskilder eller fra uheld, hvor radioaktive stoffer er blevet spredt i omegnsmiljøet. Behovet for strålingsbeskyttelse blev erkendt kort efter Wilhelm Röntgens opdagelse af røntgenstrålingen i 1895 og Henri Becquerels opdagelse af den naturlige radioaktivitet i 1896. Helsefysikken har da også været under konstant udvikling lige siden disse epokegørende opdagelser. Den internationale strålingsbeskyttelseskommission, ICRP, har siden sin dannelse i 1928 været ledende inden for udviklingen af principperne for strålingsbeskyttelse. I dag fremstår disse principper for strålingsbeskyttelse af arbejdstagere og befolkning i både normale som i uheldssituationer som meget gennemarbejdede. Principperne har da også i stigende grad fundet anvendelse inden for den generelle miljøbeskyttelse. Den foreliggende bog Helsefysik giver en samlet indføring i helsefysikkens mange discipliner. Den er udarbejdet specielt til brug ved uddannelsen af helseassistenter på Risø og i Dansk Dekommissionering. Bogen udgør det skriftlige fundament for denne uddannelse. Den giver en bred indføring i helsefysikken, fra den fysiske beskrivelse af radioaktivitet og ioniserende stråling over beskyttelsesprincipper og -foranstaltninger til strålingens biologiske virkninger. Helseassistenter udfører kontrolmålinger af strålingsniveauer og radioaktiv forurening på de nukleare anlæg og i laboratorier på Risø-området, hvor der arbejdes med radioaktive stoffer og ioniserende stråling. Ved enhver arbejdsoperation, hvor der er mulighed for høje strålingsniveauer og/eller spredning af radioaktive stoffer, overvåges operationen af en helseassistent, der løbende vurderer de helsefysiske forhold på arbejdsstedet og kommunikerer relevant helsefysisk information til de involverede personer. Helseassistenter rekrutteres normalt med en uddannelsesmæssig baggrund som laboratorietekniker, laborant eller tilsvarende. Uddannelsen varer et halvt år og består af en blanding af forelæsninger, on-the-job træning samt laboratorieøvelser og løsning af skriftlige opgaver. Uddannelsen afsluttes med en skriftlig og en mundtlig eksamen. Bogen er beskrivende i sin form, og den kan derfor med fordel anvendes ved undervisningi helsefysik på gymnasier. Bogen benyttes også som en del af pensum i uddannelsen af Dansk Dekommissionerings helsefysikere samt inden for andre områder af den helsefysiske undervisning i Dansk Dekommissionering og på Risø DTU. Den kan endvidereanvendes på universiteter, der udbyder kurser i helsefysik og medicinsk strålingsfysik/radiofysik samt medicinsk fysik og teknik. Der er udarbejdet en formelsamling, der indeholder formlerne fra bogen med tilhørende forklaringer. Formelsamlingen er udgivet som en ekstern DD-rapport (ISBN 978-87-7666-027-7 (Internet)). 2
Indledning Beslutningen om at skrive en lærebog blev taget, fordi der var et behov for en samlet og bred fremstilling på dansk af det helsefysiske fagområde, der kunne bruges i undervisningen af Risøs helseassistenter. Bogens kapitler har løbende været anvendt som undervisningsmateriale og har i en årrække været udgivet i rapportform i Dansk Dekommissionerings serie af eksterne rapporter. Kapitlerne har været under løbende revision i takt med udviklingen inden for specielt strålingsbiologien og beskyttelsesfilosofien. Som erfarne helsefysikere er det forfatternes håb, at bogen kan være med til at udbrede kendskabet til faget helsefysik og derigennem at understøtte de gavnlige anvendelser af brugen af radioaktive stoffer og ioniserende stråling. Forfatterne vil gerne takke en række personer for værdifulde kommentarer under bogens udarbejdelse. Det drejer sig først om fremmest om Sören Mattsson, Lunds Universitet og Universitetssjukhuset MAS, Malmö, Leif Sarholt, Københavns Universitet, Bertel Lohmann Andersen, Danmarks Tekniske Universitet, Kaare Ulbak, Statens Institut for Strålebeskyttelse, Lars Thorbjørn Jensen, Glostrup Hospital, Karl Arne Jessen, Århus Universitetshospital og Torben Mikkelsen, Risø DTU. Forfatterne vil ligeledes takke alle de helseassistenter, som i deres undervisningsforløb er kommet med forslag til forbedringer og tilføjelser til bogen. PER HEDEMANN JENSEN THOMMY INGEMANN LARSEN BENTE LAURIDSEN JENS SØGAARD-HANSEN ERIK THORN (1915-2012) LISBETH WARMING 3
KAPITEL 2 Atomernes verden Den viden, vi i dag har om naturens opbygning og udvikling, er en følge af den menneskelige nysgerrighed. Med nysgerrigheden sat i system gennem de naturvidenskabelige fag er denne viden gradvis blevet udbygget og forbedret. Inden for det atomare område har det ved hjælp af eksperimentelt udstyr været muligt at observere en helt ny verden af fænomener ud over dem, vi umiddelbart sanser. For at kunne orientere sig i denne verden, dvs. kunne forstå og bearbejde de eksperimentelle resultater, har det været nødvendigt at indføre nye begreber og måder at beskrive tingene på. Hertil har matematikken leveret nyttigt værktøj. Selv om de fremkomne teorier er abstrakte, er de dog bundet til virkeligheden gennem de forsøg og observationer, der har dannet grundlag for teorierne. I dette kapitel vil en del af den eksisterende viden og teori om stoffets mindste bestanddele blive gennemgået. 2.1 Atombegrebet fra oldtid til nutid Fra historiske skrifter vides det, at oldtidens filosoffer gjorde sig mange tanker om stoffets inderste væsen og opbygning. De udførte ikke eksperimenter, men byggede formodentlig deres teorier på observationer af fysiske fænomener som fortynding og fortætning. De tænkte logisk, men deres tanker var dog også influeret af spirituelle og religiøse erfaringer. Omkring år 600 f.kr. var der hos de græske filosoffer en opfattelse af, at verdenen var opbygget af basisstofferne vand, ild, luft og jord, og disse blev kaldt elementer. Elementerne kunne danne kombinationer med hinanden og gennemtrænge hinanden og derved danne alle andre stoffer. Filosoffen Leukippos (ca. 440 f.kr.) troede ikke på elementteorien og forestillede sig, at alt stof var opbygget af udelelige og uforgængelige små partikler kaldet atomer (fra græsk: atomos = udelelig). Leukippos regnes derfor som fader til atomteorien. Han startede en skole, hvorfra hans lære blev udbredt. Leukippos s elev Demokrit (460-370 f.kr.) videreudviklede den atomistiske ide. Han antog, at der eksisterede uendelig mange slags atomer, der bevægede sig rundt i tomt rum. Når atomerne kom tæt på hinanden, kunne de støde sammen og gå fra hinanden igen, eller de kunne flette sig ind i hinanden og danne eksempelvis vand, ild, planter og mennesker. Den atomistiske lære blev langtfra alment accepteret. Blandt modstanderne var den store filosof Aristoteles (384-322 f.kr.), der gik ind for elementlæren og var med til at videreudvikle denne. Aristoteles s indflydelse 5