Ионизирующие излучения

Основные характеристики ионизирующих излучений. Ионизи­рующим называется излучение, которое, проходя через среду, вы­зывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирую­щее излучение, так же как и электромагнитное, не воспринима­ется органами чувств человека.' Поэтому оно особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию. Ионизирующее излучение иначе называют радиацией.

Радиация — это поток частиц (альфа-частиц, бета-частиц, нейтронов) или электромагнитной энергии очень высоких час­тот (гамма- или рентгеновские лучи).

Загрязнение производственной среды веществами, являющи­мися источниками ионизирующего излучения, называется ра­диоактивным загрязнением.

Радиоактивное загрязнение — это форма физического (энер­гетического) загрязнения, связанного с превышением естествен­ного уровня содержания радиоактивных веществ в среде в ре­зультате деятельности человека.

Вещества состоят из мельчайших частиц химических элемен­тов — атомов. Атом делим и имеет сложное строение. В центре атома химического элемента находится материальная частица, называемая атомным ядром, вокруг которой вращаются электро­ны. Большинство атомов химических элементов обладают боль­шой устойчивостью, т. е. стабильностью. Однако у ряда извест­ных в природе элементов ядра самопроизвольно распадаются. Такие элементы называются радионуклидами. Один и тот же эле­мент может иметь несколько радионуклидов. В этом случае их называют радиоизотопами химического элемента. Самопроиз­вольный распад радионуклидов сопровождается радиоактивным излучением.

Самопроизвольный распад ядер некоторых химических эле­ментов (радионуклидов) называется радиоактивностью.

Радиоактивное излучение бывает различного вида: потоки частиц с высокой энергией, электромагнитная волна с частотой более 1,5 • 10¹⁷ Гц.

Испускаемые частицы бывают различных видов, но чаще всего испускаются альфа-частицы ( -излучение) и бета-частицы ( -излучение). Альфа-частица тяжелая и обладает высокой энер­гией, это ядро атома гелия. Бета-частица примерно в 7336 раз легче альфа-частицы, но может обладать также высокой энерги­ей. Бета-излучение — это потоки электронов или позитронов.

Радиоактивное электромагнитное излучение (его также на­зывают фотонным излучением) в зависимости от частоты волны бывает рентгеновским (1,5 • 10'⁷...5 • 10" Гц) и гамма-излучением (более 5 • 10'⁹ Гц). Естественное излучение бывает только гам­ма-излучением. Рентгеновское излучение искусственное и воз­никает в электронно-лучевых трубках при напряжениях в десят­ки и сотни тысяч вольт.

Радионуклиды, испуская частицы, превращаются в другие радионуклиды и химические элементы. Радионуклиды распада­ются с различной скоростью. Скорость распада радионуклидов называют активностью.Единицей измерения активности являет­ся количество распадов в единицу времени. Один распад в се­кунду носит специальное название беккерель (Бк). Часто для из­мерения активности используется другая единица — кюри (Ки), 1 Ки = 37 • 10⁹ Бк. Одним из первых подробно изученных радио­нуклидов был радий-226. Его изучили впервые супруги Кюри, в честь которых и названа единица измерения активности. Коли­чество распадов в секунду, происходящих в 1 г радия-226 (актив­ность) равна 1 Ки.

Время, в течение которого распадается половина радионук­лида, называется периодом полураспада(Г_|/2). Каждый радионук­лид имеет свой период полураспада. Диапазон изменения Г_:/2 для различных радионуклидов очень широк. Он изменяется от секунд до миллиардов лет. Например, наиболее известный есте­ственный радионуклид уран-238 имеет период полураспада око­ло 4,5 миллиардов лет.

При распаде уменьшается количество радионуклида и умень­шается его активность. Закономерность, по которой снижается активность, подчиняется закону радиоактивного распада:

где А₀ — начальная активность, А — активность через период времени t.

Воздействие радиации на человека зависит от количества энергии ионизирующего излучения, которая поглощается тканя­ми человека. Количество энергии, которая поглощается едини­цей массы ткани, называется поглощенной дозой.Единицей из-

мерения поглощенной дозы является грей (1 Гр = 1 Дж/кг). Час­то поглощенную дозу измеряют в радах (1 Гр = 100 рад).

Однако не только поглощенная доза определяет воздействие радиации на человека. Биологические последствия зависят от вида радиоактивного излучения. Например, альфа-излучение в 20 раз более опасно, чем гамма- или бета-излучение. Биологиче­ская опасность излучения определяется коэффициентом качества К. При умножении поглощенной дозы на коэффициент качества излучения получается доза, определяющая опасность излучения для человека, которая получила название эквивалентной. Эквива­лентная доза имеет специальную единицу измерения — зиверт (Зв). Часто для измерения эквивалентной дозы используется бо­лее мелкая единица — бэр (биологический эквивалент рада), 1 Зв = 100 бэр. Итак, основными параметрами радиации являют­ся следующие (табл. 2.9).

Таблица 2.9. Основные параметры радиации

Искусственные источники радиации. Кроме облучения от ес­тественных источников радиации, которые были и есть всегда и везде, в XX веке появились и дополнительные источники излу­чения, связанные с деятельностью человека.

Прежде всего — это использование рентгеновского излуче­ния и гамма-излучения в медицине при диагностике и лечении больных. Дозы, получаемые при соответствующих процедурах, могут быть очень большими, особенно при лечении злокачест­венных опухолей лучевой терапией, когда непосредственно в зоне опухоли они могут достигать 1000 бэр и более. При рентге­нологических обследованиях доза зависит от времени обследова­ния и органа, который диагностируется, и может изменяться в широких пределах — от нескольких бэр при снимке зуба до десятков бэр — при обследовании желудочно-кишечного тракта и легких. Флюрографические снимки дают минимальную дозу, и отказываться от профилактических ежегодных флюорографиче­ских обследований ни в коем случае не следует. Средняя доза, получаемая людьми от медицинских исследований, составляет 0,15 бэр в год.

Во второй половине XX века люди стали активно использо­вать радиацию в мирных целях. Различные радиоизотопы ис­пользуют в научных исследованиях, при диагностике техниче­ских объектов, в контрольно-измерительной аппаратуре и т. д. И наконец — ядерная энергетика. Ядерные энергетические уста­новки используют на атомных электрических станциях (АЭС), ледоколах, кораблях, подводных лодках. В настоящее время только на атомных электрических станциях работают свыше 400 ядерных реакторов общей электрической мощностью свыше 300 млн. кВт. Для получения и переработки ядерного горючего создан целый комплекс предприятий, объединенных в ядер­но-топливный цикл (ЯТЦ).

ЯТЦ включает предприятия по добыче урана (урановые руд­ники), его обогащению (обогатительные фабрики), изготовле­нию топливных элементов, сами АЭС, предприятия вторичной переработки отработанного ядерного горючего (радиохимиче­ские заводы), по временному хранению и переработке образую­щихся радиоактивных отходов ЯТЦ и, наконец, пункты вечного захоронения радиоактивных отходов (могильники). На всех эта^: пах ЯТЦ радиоактивные вещества в большей или меньшей сте­пени воздействуют на обслуживающий персонал, на всех этапах могут происходить выбросы (нормальные или аварийные) ра­дионуклидов в окружающую среду и создавать дополнительную дозу на население, особенно проживающее в районе предпри­ятий ЯТЦ.

Откуда появляются радионуклиды при нормальной работе АЭС? Радиация внутри ядерного реактора огромна. Осколки де­ления топлива, различные элементарные частицы могут прони­кать через защитные оболочки, микротрещины и попадать в теп­лоноситель и воздух. Целый ряд технологических операций при производстве электрической энергии на АЭС могут приводить к загрязнению воды и воздуха. Поэтому атомные станции снабже­ны системой водо- и газоочистки. Выбросы в атмосферу осуще­ствляются через высокую трубу.

При нормальной работе АЭС выбросы в окружающую среду малы и оказывают небольшое воздействие на проживающее по близости население.

Наибольшую опасность с точки зрения радиационной безо­пасности представляют заводы по переработки отработанного ядерного горючего, которое обладает очень высокой активно­стью. На этих предприятиях образуется большое количество жидких отходов с высокой радиоактивностью, существует опас­ность развития самопроизвольной цепной реакции (ядерная опасность).

Очень сложна проблема борьбы с радиоактивными отхода­ми, которые являются весьма значимыми источниками радиоак­тивного загрязнения биосферы.

Однако сложные и дорогостоящие системы защиты от радиа­ции на предприятиях ЯТЦ дают возможность обеспечить защиту человека и окружающей среды до очень малых величин, сущест­венно меньших существующего техногенного фона. Другая си­туация имеет место при отклонении от нормального режима ра­боты, а особенно при авариях. Так, произошедшая в 1986 г. ава­рия (которую можно отнести к катастрофам глобального масштаба — самая крупная авария на предприятиях ЯТЦ за всю историю развития ядерной энергетики) на Чернобыльской АЭС привела к выбросу в окружающую среду лишь 5 % всего топли­ва. В результате в окружающую среду было выброшено радио­нуклидов с общей активностью 50 млн. Ки. Этот выброс привел к облучению большого количества людей, большому количеству смертей, загрязнению очень больших территорий, необходимо­сти массового переселения людей.

Авария на Чернобыльской АЭС ясно показала, что ядерный способ получения энергии возможен лишь в случае принципи­ального исключения аварий крупного масштаба на предприяти­ях ЯТЦ.

Воздействие радиации на организм человека. В организме че­ловека радиация вызывает цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являются про­цессы ионизации и возбуждения молекул и атомов в тканях. Важную роль в формировании биологических эффектов играют свободные радикалы Н⁺ и ОН", образующиеся в процессе радиолиза воды (в организме содержится до 70 % воды). Обладая вы­сокой химической активностью, они вступают в химические ре­акции с молекулами белка, ферментов и других элементов биологической ткани, вовлекая в реакции сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением, что приводит к нарушению биохими­ческих процессов в организме. Под воздействием радиации на­рушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойствен­ные организму (токсины). А это в свою очередь влияет на про­цессы жизнедеятельности отдельных органов и систем организ­ма: нарушаются функции кроветворных органов (красного кост­ного мозга), увеличивается проницаемость и хрупкость сосудов, происходит расстройство желудочно-кишечного тракта, снижа­ется сопротивляемость организма (ослабевает иммунная система человека), происходит его истощение, перерождение нормаль­ных клеток в злокачественные (раковые) и др.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом, по­сле чего происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это приводит к изменению генного аппарата челове­ка. Стойкие изменения хромосом приводят к мутациям, которые отрицательно влияют на потомство.

Перечисленные эффекты развиваются в различные времен­ные промежутки: от секунд до многих часов, дней, лет. Это за­висит от полученной дозы и времени, в течение которого она была получена.

Острое лучевое поражение (острая лучевая болезнь) возникает тогда, когда человек в течение нескольких часов или даже минут получает значительную дозу. Принято различать несколько сте­пеней острого лучевого поражения (табл. 2.10).

Таблица 2.10. Последствия острого лучевого поражения

Эти градации весьма приблизительны, поскольку зависят от индивидуальных особенностей каждого организма. Например, наблюдались случаи гибели людей и при дозах менее 600 бэр,

зато в других случаях удавалось спасти людей и при дозах более 600 бэр.

Острая лучевая болезнь может возникнуть у работников или населения при авариях на объектах ЯТЦ, других объектах, ис­пользующих ионизирующие излучения, а также при атомных взрывах.

Хроническое облучение (хроническая лучевая болезнь) возникает при облучении человека небольшими дозами в течение длитель­ного времени. При хроническом облучении малыми дозами, в том числе и от радионуклидов, попавших внутрь организма, суммарные дозы могут быть весьма большими. Наносимое орга­низму повреждение, по крайней мере частично, восстанавлива­ется. Поэтому доза в 50 бэр, приводящая при однократном облу­чении к болезненным ощущениям, при хроническом облучении, растянутом во времени на 10 и более лет, к видимым явлениям не приводит.

Степень воздействия радиации зависит от того, является ли облучение внешним или внутренним (облучение при попадании радионуклида внутрь организма). Внутреннее облучение воз­можно при вдыхании загрязненного радионуклидами воздуха, при заглатывании зараженной питьевой воды и пищи, при про­никновении через кожу. Некоторые радионуклиды интенсивно поглощаются и накапливаются в организме. Например, радио­изотопы кальция, радия, стронция накапливаются в костях, ра­диоизотопы йода — в щитовидной железе, радиоизотопы редко­земельных элементов повреждают печень, радиоизотопы цезия, рубидия угнетают кроветворную систему, повреждают семенни­ки, вызывают опухоли мягких тканей. При внутреннем облуче­нии наиболее опасны альфа-излучающие радиоизотопы, т. к. альфа-частица обладает из-за своей большой массы очень высо­кой ионизирующей способностью, хотя ее проникающая спо­собность не велика. К таким радиоизотопам относятся изотопы плутония, полония, радия, радона.

Гигиеническое нормирование ионизирующего излучения осущест­вляется по СП26.1—758—99. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Устанавливаются дозовые пределы эквивалентной дозы для следующих категорий лиц:

• персонал — лица, работающие с источниками радиации (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

• все население, включая лиц из персонала, вне сферы и ус­ловий в их производственной деятельности.

В табл. 2.11 приведены основные дозовые пределы облуче­ния. Основные дозовые пределы облучения персонала и населе­ния, указанные в таблице, не включают в себя дозы от природ­ных и медицинских источников ионизирующего излучения, а также дозы, полученные в результате радиационных аварий. На эти виды облучения в НРБ-99 устанавливаются специальные ог­раничения.

Таблица 2.11. Основные дозовые пределы облучения (извлечение из НРБ-99)

Помимо дозовых пределов облучения в НРБ-99 устанавлива­ются допустимые уровни мощности дозы при внешнем облуче­нии, пределы годового поступления радионуклидов, допустимые уровни загрязнения рабочих поверхностей и т. д., которые явля­ются производными от основных дозовых пределов. Числовые значения допустимого уровня загрязнения рабочих поверхностей приведены в табл. 2.12.

Для ряда категорий персонала устанавливаются дополни­тельные ограничения. Например, для женщин в возрасте до 45 лет эквивалентная доза, приходящаяся на нижнюю часть жи­вота, не должна превышать 1 мЗв в месяц.

При установлении беременности женщин из персонала рабо­тодатели обязаны переводить их на другую работу, не связанную с излучением.

Таблица 2.12. Допустимые уровни общего радиоактивного загрязнения рабочих поверхностей, частиц/(см² • мин) (извлечение из НРБ-99)

Для учащихся в возрасте до 21 года, проходящих обучение с источниками ионизирующего излучения, принимаются дозовые пределы, установленные для лиц из населения.

Контрольные вопросы

1. Укажите основные виды ионизирующих излучений.

2. В чем отличие фотонного ионизирующего излучения от ЭМИ?

3. Какими параметрами характеризуется радиация и ее источники? Укажи­те единицы измерения радиационных доз и активности радионуклидов.

4. Назовите источники радиации в промышленности и на производстве.

5. Расскажите о воздействии радиации на человека.

6. Когда возникает острая и хроническая лучевая болезнь? Степени лу­чевой болезни.

7. Какими путями можно получить облучение и от чего зависит степень воздействия радиации?

8. Как и по каким параметрам осуществляется гигиеническое нормиро­вание ионизирующего излучения?

9. Укажите источники ионизирующего излучения на производстве в со­ответствии с вашей будущей профессией.

Электрический ток

Параметры электрического тока и источники электроопасности

Основными параметрами электрического тока являются час­тота электрического тока (Гц), электрическое напряжение в се­ти U (В), сила электрического тока I (А). С точки зрения элек­тробезопасности важное значение имеет тип электрической сети. В настоящее время наиболее распространены следующие типы электрических сетей:

• четырехпроводные электрические сети с глухозаземленной нейтральной точкой (рис. 2.21). Три провода сети являют­ся фазными проводами, а один — нейтральный рабочий провод. Нейтральная точка сети и рабочий нейтральный провод имеют соединение с землей (заземлены). Напряже­ние между любыми двумя фазными проводами равно ли­нейному напряжению U₄, а между любым фазным и ней­тральным проводами — фазному С/_ф. Линейное и фазное напряжение связаны соотношением и_п = ___. Например, в сети напряжением 380/220 В линейное напряжение 380 В, а фазное 220 В. Четырехпроводная сеть с заземлен­ной нейтралью наиболее распространена как в промыш­ленности, так и в бытовых электрических сетях;

трехпроводные электрические сети с изолированной нейт­ралью (рис. 2.22). В этих сетях имеется три фазных прово­да, отсутствует нулевой рабочий провод, а нейтральная точка изолирована от земли. Эти сети нашли менее широ­кое распространение и используются в промышленности и технике для электроснабжения специальных технических устройств и технологических процессов;

• однофазные электрические сети.

Электрический ток подразделяется на постоянный и непосто­янный (переменный). Токи промышленной частоты имеют частоту 50 Гц. Однако для питания ряда технических устройств, электро­инструмента применяются токи и более высоких частот, напри­мер 400 Гц.

По напряжению электрический ток подразделяется на низко­вольтный и высоковольтный. Высоковольтным считается напря­жение свыше 1000 В.

Источники электрической опасности. Электрический ток ши­роко используется в промышленности, технике, быту, на транс­порте. Устройства, машины, технологическое оборудование и приборы, использующие для своей работы электрический ток могут являться источниками опасности.

Поражение электрическим током может произойти при при­косновении к токоведущим частям, находящимся под напряже­нием, отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного вклю­чения в сеть, к нетоковедущим частям, выполненным из прово­дящего электрический ток материала, после перехода на них на­пряжения с токоведущих частей.

Кроме того, возможно поражение человека электрическим током под воздействием напряжения шага при нахождении че­ловека в зоне растекания тока на землю; электрической дугой, возникающей при коротких замыканиях; при приближении че­ловека к частям высоковольтных установок, находящимся под напряжением, на недопустимо малое расстояние.

Человек может оказаться под воздействием напряжения при­косновения и напряжения шага.

Растекание тока в грунте (основании) возникает при замыка­нии находящихся под напряжением частей электрических уста­новок и проводов на землю. Замыкание может произойти при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус электроуста­новки, при обрыве и падении провода под напряжением на зем­лю и по другим причинам.

При растекании тока в грунте (основании) на поверхности земли (основания) формируется поле электрических потенциа­лов ф. Чем дальше от точки замыкания тока на землю, тем мень­ше электрический потенциал. Электрический потенциал в зоне

растекания тока распределяется по гиперболическому закону (рис. 2.23):

где к — постоянная величина, определяемая в зависимости от электрического сопротивления грунта и величины стекающего тока замыкания; х — расстояние от точки замыкания до земли.

Зона растекания тока практически составляет 20 м. За преде­лами этой зоны величины электрических потенциалов незначи­тельны, и их можно принимать нулевыми.

Напряжение прикосновения — это разность электрических по­тенциалов между двумя точками тела человека, возникающая при его прикосновении к токоведущим частям, корпусу электро­установки или нетоковедущим частям, оказавшимся под напря­жением. На рис. 2.24 изображена схема формирования напряже­ния прикосновения, возникающего между рукой человека, при­коснувшегося к корпусу электроустановки, оказавшемуся под напряжением, и его ногами. Напряжение прикосновение (U_np) равно разности потенциалов, под которыми находятся рука (ср_р) и ноги (ф_н) человека:

Потенциал руки (ср ) равен потенциалу корпуса, а потенциал ног (ф_н) равен потенциалу земли, который зависит от удаленно­сти человека от точки стекания тока в землю. Если корпус уста­новки, оказавшейся под напряжением, изолирован от земли или человек находится на расстоянии более 20 м от точки стекания тока с корпуса в землю, то потенциал земли нулевой и напряже­ние прикосновения фактически равно потенциалу корпуса. Если человек находится в зоне растекания тока, то чем дальше чело­век находится от точки стекания тока в землю, тем меньше по­тенциал земли, а следовательно, больше напряжение прикосно­вения, под которым находится человек. Если человек стоит ря­дом с точкой стекания тока, потенциал земли (потенциал ног) практически равен потенциалу корпуса (потенциалу руки), и на­пряжение прикосновения равно нулю, т. е. человек находится в безопасности.

Напряжение шага возникает, когда человек находится в зоне растекания электрического тока в основании (земле). Схема формирования напряжения шага показана на рис. 2.25. Как вид­но из рисунка, если ноги человека удалены на различное рас­стояние от точки стекания тока, которое, как правило, опреде­ляется размером шага, то они будут находиться под различными потенциалами. В результате между ногами возникает напряже­ние шага, равное разности потенциалов, под которыми находят­ся ноги. Чем дальше находится человек от точки замыкания тока на землю, тем более пологой является кривая растекания тока, и при одной и той же величине шага напряжение прикосновения меньше.

Категорирование помещений по степени электрической опасно­сти. Помещения без повышенной опасности — это сухие, беспыль­ные помещения с нормальной температурой воздуха и с изоли­рующими (например, деревянными) полами, т. е. в которых от­сутствуют условия, свойственные помещениям с повышенной опасностью и особо опасными.

Примером помещений без повышенной опасности могут служить обычные конторские помещения, инструментальные кладовые, лаборатории, а также некоторые производственные помещения, в том числе цеха приборных заводов, размещенные в сухих, беспыльных помещениях с изолирующими полами и нормальной температурой.

Помещения повышенной опасности характеризуются наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность:

• сырость, когда относительная влажность воздуха длитель­но превышает 70 %; такие помещения называют сырыми;

• высокая температура, когда температура воздуха длительно (свыше суток) превышает +30 "С; такие помещения назы­ваются жаркими;

• токопроводящая пыль, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль (например, угольная, металлическая и т. п.) в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т. п.; такие помещения называются пыльными с токопроводящей пылью;

• токопроводящие полы — металлические, земляные, желе­зобетонные, кирпичные и т. п.;

• возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зда­ний, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с од­ной стороны, и к металлическим корпусам электрообору­дования — с другой.

Примером помещения с повышенной опасностью могут слу­жить лестничные клетки различных зданий с проводящими по­лами, складские неотапливаемые помещения (даже если они размещены в зданиях с изолирующими полами и деревянными стеллажами) и т. п.

Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность:

• особая сырость, когда относительная влажность воздуха близка к 100 % (стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой); такие помещения называ­ются особо сырыми;

• химически активная или органическая среда, т. е. поме­щения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень, действующие разру­шающие на изоляцию и токоведущие части электрообору­дования; такие помещения называются помещениями с химически активной или органической средой;

• одновременное наличие двух и более условий, свойствен­ных помещениям с повышенной опасностью.

Особо опасными помещениями является большая часть про­изводственных помещений, в том числе все цехи машинострои­тельных заводов, испытательные станции, гальванические цехи, мастерские и т. п. К таким же помещениям относятся и участки работ на земле под открытым небом или под навесом.