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1 辐射防护基础知识 2011 年近代物理研究所开放日讲座 苏有武中科院近物所辐射安全与防护室兰州 2011 年 5 月

2 目录 1 辐射防护的概念 目的与任务 2 电离辐射对人类和环境的影响 3 辐射剂量与辐射防护中常用量及其单位 4 射线对人体的作用 5 辐射防护的基本方法 6 外照射防护与内照射防护的基本方法 7 加速器与反应堆 2

3 辐射防护的概念 目的与任务 什么是辐射? 电离辐射与非电离辐射非电离辐射 : 红外线 紫外线 可见光 微波 电离辐射 :x 射线 γ 射线 中子 质子 重离子 辐射防护的目的与任务 : 防治确定性效应, 限制随机性效应 既要保护从事放射工作者本人和后代以及广大公众乃至全人类的安全 ; 保护好环境 ; 又要允许进行那些可能会产生辐射的必要实践以造福于人类 辐射防护三原则 : 实践的正当性, 辐射防护最优化, 个人剂量限值

4 生活中的辐射来源 { 天然辐射 人工辐射 天然辐射是人类的主要辐射来源 4

5 天然辐射源对人类和环境的影响 宇宙射线 天然辐射 特 点 宇生放射性核素原生放射性核素 人人有份地区差异环境及生活习惯差异 一般场所 : 天然本底为 2. 4mSv/a, 多为内照射 ( 222 Rn, 60%) 5

6 天然照射的组成 6

7 部分国家的天然本底水平 2008 年近物所职工辐射安全教育兰州, 2008,9 7

8 人工辐射源对人类和环境的影响 医疗照射 人工辐射 核电站 核试验 8

9 人工辐射源对人类和环境的影响 人工辐射 医疗辐射 1. 放射诊断 2. 放射治疗 3. 核医学 医疗辐射是最大的人工辐射来源 ; 各种人 工放射性核素, 大约 80% 用于医学目的

10 人工辐射 核电站 反应堆运行 : 大气,Kr Xe I 3 H 14 C 16 N 35 S 41 Ar; 水中, 3 H 和裂变产物 后处理 : 长寿命核素, 3 H 14 C 85 Kr 90 Sr 等, 以及超铀元素的同位素 核能生产所致居民人均年剂量当量, 美国 加拿大为 Sv, 英国为 Sv 燃煤电站导致的居民辐射剂量是核电站的 3 倍!

11 人工辐射 核爆炸 局部沉降 放射性落下灰 ( 含 200 多种放射性物质 ) 带状沉降 全球性沉降 外照射 : 137 Cs 95 Zr 106 Ru 140 Ba 等 ; 内照射 : 14 C 137 Cs 3 H 131 I 239 Pu 240 Pu 241 Pu 等 食物链转移问题 碘片的防辐射作用

12 生活方式对辐射水平的影响 类型 剂量水平 (msv) 看电视每天 2 小时 <0.01 msv/a 夜光表 0.02 msv/a 乘飞机 2000km 0.005mSv/h 眼镜 ( 局部 ) 0.01~0.04mSv/a 家用天然气 ( 局部 ) 0.06~0.09mSv/a 假牙 ( 局部 ) 1μSv/a 吸烟每天 20 支 ( 钋弹 ) 0.5~1 msv/a 诊断 X 射线人均年有效剂量 0.3 CT 人均单次有效剂量 8.6 使用火力发电厂带来的照射 核电站附近人均年有效剂量 核设施附近人均年有效剂量

13 人工辐射的组成

14 日常活动中的辐射 辐射无处不在, 是我们生存环境的组成部分

15 辐射防护中常用量及其单位 吸收剂量 当量剂量 有效剂量 电离辐射授予某一体积元中物质的平均能量除以该体积元中物质的质量的商单位 : 焦耳每千克 (J/kg) 专用单位 : 戈瑞 (Gy) 吸收剂量与辐射权重因子的积 考虑了辐射类型差异的吸收剂量单位 : 焦耳每千克 (J/kg) 专用单位 : 希沃特 (Sv) 当量剂量与组织权重因子的积 考虑了组织对辐射敏感性差异的当量剂量 单位 : 焦耳每千克 (J/kg) 专用单位 : 希沃特 (Sv)

16 辐射权重因子 (ICRP60 号出版物 ) 辐射类型和能量范围 辐射权重因子 光子, 所有能量 1 电子和 μ 子 : 所有能量 1 中子, 能量为 : <10keV 5 10~100keV keV~2MeV 20 2MeV ~20MeV 10 >20MeV 5 质子, 能量 >2MeV 5 α 粒子, 裂变碎片, 重核 20 组织权重因子 (ICRP60 号出版物 ) 组织或器官组织权重因子 睾丸 0.20 红骨髓 0.12 结肠 0.12 肺 0.12 胃 0.12 膀胱 0.05 乳腺 0.05 肝 0.05 食道 0.05 甲状腺 0.05 皮肤 0.01 骨表面 0.01 其余组织或器官 0.05

17 电离辐射对人体健康的作用 辐射作用的特点 : (1) 低吸收能量引起高生物效应 以 6Gy 剂量的急性照射为例, 它可以致人死亡, 但是此时吸收的能量如果全部转换为热能, 却只能使组织的温度升高 0.00l4 (2) 短暂作用引起长期效应 a. 物理 化学阶段 : 从 秒 ~1 秒 b. 生物阶段 : 从秒延续到年, 甚至终生

18 辐射生物效应的作用途径 DNA 单链断裂 : 无差错修复 DNA 双链断裂 : 错误修复

19 辐射效应的分类 依据效应发生的个体 : 躯体效应 遗传效应 依据效应发生的时期 : 早期效应 晚发效应 依据效应 - 剂量关系 : 确定性效应 随机性效应

20 辐射效应的分类 按效应发生的个体按效应表现情况按剂量 - 效应关系 躯体效应 大剂量照射的 早期效应 急性放射病 晚发效应 确定性效应 白血病 癌症 白内障 不育 特殊的躯体效应 宫内受照后胚胎和胎儿的效应 : 致死性效应 先天性畸形 生长发育缺陷 远期恶性疾病的诱发 随机性效应 遗传效应 基因突变 发生在性细胞 : 先天性畸形遗传性疾病 生长发育障碍

21 随机性效应 - 单细胞变异所致 特点 : (1) 发生概率与剂量有关 (2) 严重程度与剂量无关 (3) 线性比例 无阈 确定性效应 - 多细胞死亡所致 特点 : (1) 有阈 (2) 严重程度与剂量有关 直线的斜率也称危险度系数, 表示发生严重疾病几率的大小 故也可以用危险度来描写随机性效应 不同的曲线代表了个体差异

22 辐射对人体的效应 临床症状 效应 分子水平 细胞水平 体细胞 功能障碍 DNA 损伤 细胞死亡 生殖细胞 不孕 确定性效应多细胞死亡导致 细胞变异 体细胞 肿瘤 生殖细胞 遗传效应 随机性效应单一细胞变异导致 辐射对人体的效应 不同剂量照射下人体反应

23 辐射对细胞的损伤作用 剂量,Gy 损伤类型说明 0.01~ >4.00~ 突变 ( 染色体畸变, 基因损伤 ) 有丝分裂延迟, 细胞功能的损伤有丝分裂永久性抑制, 细胞功能损伤间期死亡即刻死亡 不可逆, 染色体断裂可修复可逆的某些功能可修复, 可能发生一次或一次以上分裂无分裂蛋白质凝固

24 一些确定性效应阈值 组织器官 效 应 单次照射剂量阈值,Gy 皮肤 红斑 (X γ) 暂时性脱发永久性脱毛 5~8 3~5 7 造血系统 受照者 50% 死亡 2~3 眼睛 晶体混浊 (X 射线 ) 白内障 (100%) 白内障 ( 随访 35 年 ) 睾丸 暂时性不育永久性不育 卵巢 不育 2.5~6

25 辐射生物效应的影响因素 物理因素 (1) 辐射类型外照射 : g>b>a ( 危害程度 ) 内照射 : a>b>g ( 危害程度 ) (2) 剂量率 受照时间间隔剂量率 生物效应 时间间隔 生物效应 (3) 照射部位与面积不同部位 不同的敏感度面积 生物效应 (4) 几何条件不同的几何条件 不同的生物效应 生物因素 (1) 生物种系 一般来说, 越高等的生物对辐射越敏感 (2) 年龄 年龄越小对辐射越敏感, 但老年人由于机体能力下降, 对辐射的敏感性高于成年人 (3) 器官或组织 高度敏感 : 淋巴组织 胸腺 骨髓 性腺 胚胎 肠胃上皮中度敏感 : 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮 唾液腺 肾 肝等轻度敏感 : 中枢神经系统 内分泌腺 心脏不敏感 : 肌肉组织 软骨组织 结缔组织

26 射线对人体的作用 - 总结 根据目前的认识, 大致可分为两类 有益的 : 人类生存条件之一, 天然辐射提高免疫力 刺激作用 有害的 : 大剂量照射时, 可能得各种放射病 ; 小剂量照射时, 有三个大家关心的问题 : 遗传 致癌 寿命 根据目前所掌握的知识来看, 这些影响可忽略, 可被接受 射线对人体作用时, 有三种生化指标可能会发 生变化白血球 红细胞 血小板

27 有效剂量限值和当量剂量限值 GB IAEA No115 ICRP60 剂量限值 应用职业人员公众 年有效剂量 20 msv a -1 连续 5 年内平均 1 msv a msv a -1 在任一年 年当量剂量 眼睛 150mSv 15mSv 皮肤 500mSv 50mSv 四肢 500mSv

28 关于剂量限制 剂量限制 - 由于利益和代价在群体分布的不一致性, 使得在满足了 正当化和最优化原则外, 还必须对个人所受照射进行限制 概念理解 : 不是 安全 与 危险 的分界线 剂量限值应当只适用于实践的控制 ; 超出剂量限值将使指定的实践带来附加的危险, 而这种危险可以合理地描述为正常情况下 不可接受 的 ; 实际的剂量 - 响应关系不存在一个阈值 ; 不能作为防护体系严格程度的唯一度量

29 辐射防护的基本方法 内照射与外照射的特点 照射方式 辐射源类型 危害方式 常见致电离粒子 照射 特点 内照射多见开放源电离 化学毒性 α β 持续 外照射多见封闭源电离高能 β 质子 g X n 间断 防护方法 照射方式定义防护基本办法 外照射 内照射 是指辐射源位于人体外对人体造成的辐射照射 存在于人体内的放射性核素对人体造成的辐射照射 时间距离屏蔽包容 隔离净化 稀释遵守规章制度 做好个人防护

30 不同辐射的穿透能力及适用屏蔽材料

31 加速器与反应堆 加速器 基本原理 : 电场加速, 磁场约束, 获得高能 定向的带电粒子束应用领域 : 科研 同位素生产 辐照应用, 医疗等发展方向 : 高能量 高通量 高品质 全粒子类型 : 高压加速器 回旋加速器 同步加速器 直线加速器 HIRFL-CSR 中国科学院近代物理研究所

32 加速器对辐射环境的影响 贯穿辐射 高能粒子轰击材料, 能够产生各种辐射, 包括中子 γ 射线 x 射线 质子 α β. 在没有屏蔽的时候对环境造成辐射影响 感生放射性 初级射线与物质相互作用, 会产生各种放射性核素, 不加控制流入环境会对环境造成影响 事故影响 发生事故时, 加速器会对人员造成严重伤害 γ 射线 b 射线 中子

33 加速器辐射防护的要点 辐射屏蔽 应根据所加速的粒子种类 能量 流强 束流损失方式, 设计有效的屏蔽措施, 使对环境的影响降到可接受的水平 安全联锁 设置适当的安全联锁措施, 出现事故时及时切断束流 出入控制 开机时辐射区区内有很强的辐射, 应采取有效措施控制人员出入 感生放射性 感生放射性在加速器停机后依然存在, 与所加速的粒子种类 能量 流强 靶材料以及加速器运行时间有关 停机后冷却是降低感生放射性的有效方式 辐射监测 针对加速器产生的辐射种类, 采取适当的探测器, 看到 辐射水平的强弱

34 反应堆 基本原理 : 利用裂变核材料的链式反应, 获取裂变能应用领域 : 核能利用 科研 同位素生产等发展方向 : 安全, 有效利用核材料 清洁类型 : 重水堆 沸水堆 压水堆 快堆 高温气冷堆 反应堆安全要素 : 反应性控制, 余热导出, 放射性物质包容 核电站外貌 链式反应

35 沸水堆 : 热交换是一回路直接进行, 热效率高, 但循环水直接接触堆芯, 易造成污染, 事故时可靠性低 建造较早的没有设置厚重的外安全壳

36 压水堆核电站的基本原理 核蒸汽供应系统 ( 一回路系统 ): 反应堆 蒸汽发生器 稳压器 主循环泵 冷却剂管道 汽轮发电机系统 ( 二回路系统 ): 主蒸汽管道 凝结水系统 给水系统 辅助系统 (BOP)

37 原理 加速器 利用电场 磁场, 增加带电粒子动能 反应堆 利用核材料的链式反应, 获得裂变能 用途科研 同位素生产 辐照应用能源 同位素生产 科学研究 粒子种类电子 质子 种重离子中子 α γ 各种放射性核素 环境影响影响极小影响很小 放射性废物很少量, 低活度大量, 高活度 事故状态容易控制较难控制

38 全世界运行中的核反应 堆 442 座机组 占世界 总发电量 16 % IAEA 统计 全球运行442 在建65 机组 美国104, 法国58, 日本55, 俄罗 斯32, 韩国21, 印度20, 世界各国核电分布情况 核电占总发电量份额 立陶宛 法国 斯洛伐克 比利时 瑞典 乌 克兰 斯洛文尼亚 韩国 瑞士 保加利亚 德国 日本 英国 美国等 19 个国家分别达 到 79 % ~ 20 % 英国19 加拿大18 德国17 乌 克兰15 中国大陆13 发展核电 势在必行

39 核电利用需要重视的问题 安全第一 反应性控制 余热导出 放射性物质包容 选址 设计 应对突发事故 地震 火灾 飓风 海啸 爆炸 飞机坠落 资源利用 铀-235 仅占天然铀 的0.7 % 新型反应堆 聚变堆 乏燃料处理 乏燃料中存在各种放射性同位素 数量多 活度大 大部分 具有很大的利用价值 如何分离 利用这些同位素 加速器+反应堆= 39

40 以上报告纯属个人观点, 欢迎批评指正!

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