ZIEMSKIE PROMIENIOWANIE NATURALNE

(promieniowanie skorupy ziemskiej, odpadów kopalnianych, materiałów budowlanych – intensywność, zawartość w różnych materiałach, szkodliwość)

WSTĘP

Promieniowanie istnieje od zarania Wszechświata. Już na początku dziejów promieniotwórcze pierwiastki ulegały rozpadowi. Wiele z nich zniknęło przekształcając się w czasie na stabilne atomy. Jednak niektóre są nadal radioaktywne, a niekiedy będą promieniotwórcze przez miliardy lat, przechodząc szereg przeobrażeń, które w końcu doprowadzą do stabilności. Inne rodzą się co dzień. Dlatego od początku świata Ziemia oraz wszystkie żywe istoty i wszystko wokół nich są promieniotwórcze.[1a] Człowiek styka się z promieniowaniem każdego dnia. I nie ma znaczenia miejsce, gdzie się znajduje, ponieważ promieniowanie otacza ludzi niemal z każdej strony.

Promieniowanie pochodzi z wielu źródeł. Mogą to być źródła naturalne i źródła sztuczne.

Rys. 1 Źródła promieniowania [2a]

Jednym z naturalnych źródeł promieniowania jest promieniowanie, które ogólnie nazwać można ziemskim. Pod ta nazwą wiele się jednak kryje.

Już sama skorupa Ziemi zawiera w sobie niesamowitą mnogość pierwiastków promieniotwórczych i produktów ich rozpadu, a ciekawostkę może stanowić występujący w przyrodzie reaktor naturalny.

Wiele materiałów budowlanych wywodzi swoje pochodzenie ze skał: kruszywo (granit), cegła (glina-skały osadowe), cement (wapień), itp. Oczywiście gotowe wyroby budowlane przejmują część cech tych skał, zarówno fizycznych jak i chemicznych, m.in. zawartość pierwiastków promieniotwórczych.

Drugim dużym naturalnym źródłem promieniowania jest promieniowanie kosmiczne.
Jak dziś wiemy promieniowanie kosmiczne dociera do nas z głębi kosmosu. Składa się ono z bardzo szybko poruszających się cząstek materii. Cząstki te docierając do atmosfery Ziemi oddziaływają wielokrotnie z jej atomami i powodują jonizację powietrza.[3a]

Innym naturalnym źródłem promieniowania jest żywność i woda pitna.

Człowiek w czasie swojej ewolucji przystosował się do występowania promieniowania naturalnego. Promieniowanie to nie jest więc niebezpieczne dla jego zdrowia, o ile, rzecz jasna, ilość otrzymanego promieniowania nie przekracza określonej dawki.

DROBINA HISTORII

Od niepamiętnych, prehistorycznych czasów człowiek obserwował zjawiska przyrody, powodowany zarówno naturalną ciekawością, jak i chęcią praktycznego wykorzystania zauważonych regularności. Od biernej, przypadkowej obserwacji do celowego, czynnego działania naukowego droga jest jednak bardzo daleka. Nie da się ustalić określonej daty, czy nawet stulecia, które można by uznać za początek fizyki, ponieważ działalność badawcza człowieka nabierała bardzo powoli cech zwanych dziś naukowymi. Niewątpliwie można jednak wyróżnić w historii pewne przełomowe okresy, w których zaszły istotne i raczej trwałe zmiany warunkujące postęp nauki.

Od ponad dwóch tysięcy lat ludzie zastanawiają się jakie są elementarne składniki materii - począwszy od wczesnej teorii atomu, poprzez jego teorie kwantową, aż do najnowszej teorii zwanej Modelem standardowym.[4a]

Już starożytni Grecy przysłużyli się bardzo fizyce tworząc podstawy dla współczesnych zasad: zasady zachowania materii, teorii atomowej i innych. Czterysta lat przed naszą erą Demokryt (460-370 p.n.e.) wysnuł teorię według której wszechświat składa się z pustej przestrzeni i niemal nieskończonej liczby niewidzialnych cząstek, które różnią się miedzy sobą kształtem, położeniem i uporządkowaniem. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek nazwanych atomami.[4a]

Prawie do końca XIX wieku uważano, ze najmniejszą niepodzielną częścią materii jest atom, ale: w 1874 r. George Stoney stworzył teorię elektronu i wyznaczył jego masę, w 1895 r. Wilhelm Roentgen o dkrył promienie X, w 1896 r. Henri Becquerel odkrył promieniowanie atomowe; Badając fluorescencję soli uranowych, francuski fizyk stwierdził, iż klisze fotograficzne leżące w pobliżu związku uranu uległy zaciemnieniu, mimo faktu, że sole te nie były wcześniej poddane działaniu promieni X. Wyciągnął, więc wniosek, iż związki uranu wysyłają promieniowanie same z siebie, są źródłem niewidzialnego przenikliwego promieniowania. w 1898 r. Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem Piotrem odkryli pierwiastki promieniotwórcze; Polon i rad to kolejne pierwiastki emitujące promieniowanie podobne promieniowania odkrytego przez Becquerela. Maria i Piotr Curie opisali zjawisko promieniowania i nazwali je radio-aktywnością. w 1898 r. Joseph Thompson zmierzył własności elektronu i stworzył swój model "ciasta z rodzynkami" budowy atomu - naładowanej dodatnio kuli z ujemnymi rodzynkami-elektronami wewnątrz niej.

Z początkiem dwudziestego wieku uczonym wydawało się, że już rozumieją podstawowe prawa przyrody. Atomy były cegiełkami budowy materii, ludzie wierzyli w prawa mechaniki newtonowskiej, a większość problemów fizyki była rozwiązana. Jednakże już zastąpienie mechaniki Newtona przez teorie względności Einsteina uświadomiło uczonym, że ich wiedza jest daleka od doskonałości. Szczególne zainteresowanie budziła mechanika kwantowa, która kompletnie zmieniła pojmowanie fizyki.[4a] I tak:

· w 1900 r. Max Planck wysuwa przypuszczenie, że promieniowanie jest skwantowane, tzn. jest przesyłane w określonych paczkach, · w 1905 r. Albert Einstein, jeden z niewielu uczonych, którzy potraktowali poważnie idee Plancka, zaproponował kwant światła, czyli foton, który zachowuje się podobnie do cząstki. Einstein także stworzył szczególną teorię względności, przewidział równoważność masy i energii i badał falowo-korpuskularną naturę fotonów. · w 1909 r. Hans Geiger i Ernest Marsden, pod kierunkiem Ernesta Rutherforda, wykonali doświadczenia, w których rozpraszali cząstki alfa przez złotą folię wskazujące, że atomy posiadają małe i ciężkie, dodatnio naładowane jądra. · w 1911 r. Ernest Rutherford wysuwa hipotezę jądra atomowego, · w 1913 r. Niels Bohr tworzy kwantowy model atomu, · w 1919 r. Ernest Rutherford dostarcza pierwszej wskazówki istnienia protonu, · w 1931 r. James Chadwick odkrywa neutron. Problem wiązania i rozpadu jądra nabiera pierwszorzędnej wagi. · w 1934 r. Irena Joliot- Curie i jej mąż Fryderyk dokonali odkrycia sztucznej promieniotwórczości. Przeprowadzili doświadczenie polegające na bombardowaniu atomów glinu jądrami helu, w wyniku, czego powstawały atomy fosforu.

W połowie lat sześćdziesiątych fizycy uświadomili sobie, że ich wyobrażenie, jakoby cała materia zbudowana była z protonów, neutronów i elektronów nie wystarcza do wytłumaczenia mnóstwa nowo odkrywanych cząstek Teoria kwarkowa Gell-Manna i Zweiga rozwiązała ten problem. W ciągu ostatnich trzydziestu lat teoria ta, zwana obecnie Modelem Standardowym cząstek i oddziaływań była udoskonalana i zyskiwała aprobatę w miarę jak napływały jej potwierdzenia z nowych akceleratorów cząstek. [4a]

Rys. 5 Nowoczesny model atomu [4a]

PODSTAWOWE DEFINICJE

Promieniowanie – chem., fiz. strumień cząstek lub fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciała [1];

Promieniowanie jonizujące - posiadające zdolność tworzenia w ośrodku elektrycznie obojętnym - par jonów opatrzonych ładunkami elektrycznymi dodatnimi i ujemnymi [2];

Promieniotwórczość - chem., fiz. zjawisko samorzutnej emisji promieni korpuskularnych (alfa, beta) oraz elektromagnetycznych (gamma) z jąder atomów niektórych pierwiastków, której przyczyną jest przemiana tych jąder; radioaktywność [1];

Rozpad promieniotwórczy to spontaniczna, samorzutna emisja energii z jąder atomowych w postaci cząstek materii o określonej energii kinetycznej (a, b, g, neutronów, jonów.....) lub fotonów (kwantów) promieniowania elektromagnetycznego o energii E = hn= hc/l;

W znanych izotopach energie promieniowania a, b , g nie przekraczają kilkunastu MeV

1 eV = 1,6 ´ 10–19 J; 1 keV = 103 eV; 1 MeV = 106 eV; 1 GeV = 109 eV [3];

Substancja promieniotwórcza - czystą substancję zawierającą izotop promieniotwórczy jakiegoś pierwiastka i emitująca promieniowanie jonizujące [2];

Materiał promieniotwórczy - materiał zawierający w swym składzie substancje promieniotwórcze, a więc będzie nim zarówno farmaceutyk jak i ruda uranowa [2];

Izotopy określonego pierwiastka chemicznego X (o liczbie atomowej Z) różnią się liczbą neutronów (N) w jądrach atomowych. Liczba masowa A = Z + N.

Zapis pełny: ; Zapis uproszczony [3];

Radionuklidy – atomy o jądrach promieniotwórczych, nietrwałe nuklidy, ulegające samorzutnej przemianie promieniotwórczej z emisją cząstki lub kwantu promieniowania gamma [4];

Aktywność,

DN/Dt, danej masy izotopu to liczba rozpadów w czasie 1 sekundy

DN/Dt=lN N(t) = N0exp(-lt) , stała rozpadu, l=ln2/ T½;

Jednostką aktywności jest bekerel [Bq], równy 1 rozpadowi w czasie 1 s [3];

Stężenie radionuklidu – aktywność radionuklidu w jednostce masy lub objętosci; jednostkami stężenia są Bq/kg lub Bq/m3 [4];

Czas połówkowego zaniku, T½ . to czas, w którym ulega rozpadowi połowa początkowej liczby jąder danego izotopu promieniotwórczego ;

Mierzone czasy T½ wynoszą od ułamków nanosekund do ~1026 lat [3];

Dawka pochłonięta to energia przekazana przez promieniowanie jonizujące jednostce masy absorbenta, jednostką jest grej [Gy]=[J/kg] - przekazanie 1 J energii do 1 kg ośrodka [3]

Dawka efektywna to miara działania promieniowania jonizującego na organizmy żywe – podawana jest w siwertach [Sv]; Skutek biologiczny [Sv] ~ Q´dawka [Gy], gdzie Q-liczba zależna od rodzaju i energii promieniowania jonizującego oraz od cech tkanki [3];

Moc dawki – odniesienie dawki do czasu – Gy/h, mSv/rok, ...[3]

Obecnie w Polsce średnio, na osobę, mamy 3,3 mSv/rok = 0,376 mSv/h = 0,376´10-6 Sv/h

Naturalne tło promieniowania g w Polsce 2¸140 nGy/h, średnio 35 nGy/h = 35´10-9 Gy/h

Średnia dawka śmiertelna , , to ~3 Sv w czasie1¸2 godzin [3];

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE

Szczególnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące, posiadające zdolność tworzenia w ośrodku elektrycznie obojętnym – par jonów opatrzonych ładunkami elektrycznymi dodatnimi i ujemnymi. A promieniotwórczość to zjawisko wytwarzania promieniowania jonizującego.[1a]

Francuski fizyk Pierre Curie i jego polska żona Maria Skłodowska-Curie wykonali większość podstawowych badań dotyczących zjawiska promieniotwórczości. W ciągu kilku lat studiów zidentyfikowali kilka rodzajów cząstek emitowanych w procesach promieniotwórczych. Trzy typy promieniowania radioaktywnego oznaczono trzema pierwszymi literami greckiego alfabetu (alfa), (beta) i (gamma).[6a]

Przez przemianę jądrową rozumiemy przekształcenie się danego jądra atomowego w inne jądro w połączeniu z emisją cząstki, (jądra  helu ), beta(elektronu albo pozytonu)  lub (fotonu). Nazwa przemiany określona jest zazwyczaj przez nazwę emitowanej cząstki [5a]. 

Przemiana alfa:

W rezultacie przemiany alfa wyemitowana jest cząstka , a przekształcone jądro ma liczbę masową mniejszą o 4 i liczbę atomową mniejszą o 2.[5a]

Rys. 6 Przemiana alfa [5a]

Cząstki alfa są jądrami helu złożonymi z dwóch protonów i dwóch neutronów: [4a]

Jest to promieniowanie najmniej przenikliwe, które pada np. na skórę dłoni, nie mogąc jej jednak przeniknąć. Cząstki alfa mogą być zatrzymane przez kartkę papieru.

Przemiana beta:

W przemianie beta wyemitowany jest elektron lub pozyton, czyli cząstka , liczba atomowa zmienia się o jeden a liczba masowa nie zmienia się. Za przemianę uważa się także wychwyt przez jądro elektronu z głębokiej powłoki atomowej, reakcja (3).[5a]

Rys. 7 Przemiana beta [5a]

Cząstki beta to szybkie elektrony: [4a]

Jest to promieniowanie mało przenikliwe, które wnika na kilka milimetrów wgłąb dłoni. Cząstki beta mogą być zatrzymane przez folię aluminiową.

Przemiana gamma:

W przemianie gamma obie liczby: atomowa i masowa pozostają niezmienione, zmienia się natomiast energia wzbudzenia jądra. Do przemiany zalicza się też emisję elektronu przez wzbudzone jądro atomowe (tzw. konwersja wewnętrzna, reakcja (2)).[5a]

Rys. 8 Przemiana gamma [5a]

Promienie gamma to wysokoenergetyczny foton: [4a]

Jest to promieniowanie bardzo przenikliwe, które bez trudu przenika przez dłoń. Cząstki gamma mogą być zatrzymane przez tarczę ołowianą. Promieniowanie gamma może wnikać bardzo głęboko w materiał i dlatego jest ono najbardziej niebezpieczne przy pracy z materiałami radioaktywnymi, chociaż wszystkie rodzaje promieniowania są bardzo niebezpieczne.

Rys. 9 Przenikliwość promieniowania [4a]

Ludzkość już od początku swego istnienia narażona jest na działanie różnego rodzaju promieniowanie. Dawniej źródłami promieniowania były tylko źródła naturalne. W obecnych czasach, w dobie intensywnego rozwoju nauki i przemysłu, są to także sztuczne źródła. Na naturalną promieniotwórczość składają się: promieniowanie naturalnych pierwiastków obecnych ziemi, powietrzu i wodzie, a także promieniowanie kosmiczne przenikające do atmosfery ziemskiej. Wewnętrzne napromieniowanie przez pierwiastki radioaktywne odbywa się po ich wchłonięciu przez organizm wraz z pożywieniem, wodą i wdychanym powietrzem. Do źródeł sztucznych można zaliczyć: stosowanie radioizotopów, aparatów rentgenowskich, opady po wybuchach jądrowych.

Rys. 10 Udział promieniowania z różnych źródeł, w średniej dawce rocznej w Europie [2a]

Niemniej jednak wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki jest ciągle taki sam.

Promieniowanie jonizujące jest jednym z wielu czynników wpływających na normalny przebieg procesów biologicznych i chemicznych w żywych tkankach.

Promieniowanie alfa jest promieniowaniem najmniej przenikliwym. Zasięg promieni alfa w powietrzu wynosi kilka centymetrów, a w ludzkiej tkance tylko ułamki milimetrów. W związku z tym oddziaływanie promieni alfa na organizm ludzki może mieć miejsce tylko wtedy, jeżeli przedostaną się do niego podczas oddychania lub z pożywieniem [7a]. Niestety nawet krótkotrwałe działanie cząstek alfa wewnątrz organizmu prowadzi do narażenia na ciężkie uszkodzenia tkanek bądź do ich śmierci. Skutkiem długotrwałego uszkodzenia komórek mogą pojawić się zmiany chorobowe i nowotwory.

Promienie beta, w związku ze względnie niewielkimi rozmiarami nie są tak szybko hamowane jak promienie alfa. Dlatego zasięg ich wynosi w powietrzu do kilku metrów, a w ludzkiej tkance od kilku milimetrów do kilku centymetrów. Krótko - lub długotrwałe napromienienie ciała ludzkiego po wchłonięciu źródła promieni beta, przy oddychaniu lub z pożywieniem prowadzi do podobnych uszkodzeń jak w przypadku promieni alfa. Ponieważ promienie beta mają większy zasięg, mogą one działać na człowieka także z zewnątrz. Dłuższe, zewnętrzne napromienienie przez źródła cząstek beta, jak np. przez stront 90Sr, który został wyemitowany w czasie katastrofy elektrowni w Czarnobylu, a następnie z wiatrem i deszczem rozprzestrzeniony w Europie, objawia się jako tzw. „oparzenia beta". [7a]

Bogate w energię fale elektromagnetyczne promieniowania gamma tylko w bardzo niewielkim stopniu zostają osłabione przy przejściu przez materię. Dlatego zasięg promieniowania gamma wynosi w powietrzu, w zależności od energii tego promieniowania, od kilku metrów do kilku kilometrów. Odpowiednio daleko sięgające jest także jego szkodliwe działanie, które wywołuje podobne zmiany chorobowe jak promieniowanie alfa lub beta. Jeżeli porówna się w jednakowych warunkach badawczych, działania tych trzech rodzajów promieniowania pod względem szkodliwości dla zdrowia, to okazuje się, że promienie alfa działają 20 razy skuteczniej od promieni beta i gamma. Natomiast zasięg działania w ludzkim ciele jest największy dla promieniowania gamma, mniejszy dla beta i najmniejszy dla alfa. [7a]

Wrażliwość i odpowiedź reaktywna na promieniowanie jest bardzo różna, indywidualna i zależy od wieku (bardzo wrażliwe są dzieci), płci i ogólnego stanu zdrowia oraz od czynników zewnętrznych współdziałających (np. temperatura, zmęczenie, ciśnienie atmosferyczne itp.).

Wielkość skutków biologicznych napromieniowania zależy od wielu czynników: wielkości dawki, rodzaju promieniowania, czasu biologicznego połowicznego zaniku radioizotopu, mocy dawki, rodzaju napromieniowanej tkanki (różne narządy i tkanki wykazują rozmaitą wrażliwość na działanie promieniowania), sposobu ekspozycji (zewnętrznej lub wewnętrznej).

Skutki bezpośrednie występują wtedy, gdy cząstki promieniowania zrywają wiązania molekularne w ważnych cząsteczkach na przykład kwasu nukleinowego. Skutki pośrednie polegają na rozbiciu mniej ważnych molekuł wody (tzw. radioliza wody), co prowadzi do powstania aktywnych jonów i wolnych rodników.[8a]

Szkodliwe skutki dzieli się na somatyczne, ujawniające się bezpośrednio u osoby napromieniowanej (choroba popromienna) i genetyczne, ujawniające się dopiero w następnym pokoleniu.[8a]

Skutki somatyczne dalej można podzielić na wczesne i późne oraz stochastyczne (odznaczają się tym, że ich wystąpienie zależne jest od wielkości dawki, ale stopień ich nasilenia nie zależy od dawki; należą do nich białaczka lub inne nowotwory) i niestochastyczne (stopień nasilenia tych skutków zwiększa się wraz z dawką pochłoniętą).[8a]

Podczas badań różnych skutków biologicznych napromieniowań stosowane są dwa podejścia: epidemiologiczne i eksperymenty na żywych komórkach. Poniższy wykaz odnosi się do dawek wchłoniętych jednorazowo przez napromieniowanie całego ciała. W takim wypadku 1 grej jest równoważny 1 siwertowi w przypadku promieniowania X, gamma i beta, oraz 25 siwertom w przypadku promieniowania alfa. [1a]

Dawka promieniowania [mGy] i skutki [1a]:

0¸250 żadnych biologicznych czy medycznych skutków, natychmiastowych czy długotrwałych, nie zaobserwowano u dzieci czy dorosłych; jest to zakres dawek niskich;

250¸1000 niekiedy występują nudności i nieznaczny spadek krwinek białych;

1000¸2500 wymioty, zmniejszenie liczby krwinek, ale zadowalające wyleczenie lub pełny powrót do zdrowia zapewnione;

2500¸5000 poważne konsekwencje dla zdrowia, niezbędna hospitalizacja; dawka 5000mGy otrzymana jednorazowo jest śmiertelna dla co drugiego człowieka;

ponad 5000 niemal pewna śmierć.

Duże dawki promieniowania (rzędu kilku Sv), ich skutki i wpływ na organizm ludzki są dobrze udokumentowane. Przy otrzymaniu przez organizm niewielkiej dawki promieniowania (rzędu kilkunastu mSv), trudno jest określić skutek takiego napromieniowania. Przypuszcza się, że organizm może tolerować niskie dawki promieniowania i wynikające z tego uszkodzenia niewielkiej liczby komórek.

Promieniowanie jonizujące nie zagraża człowiekowi, o ile dawka takiego promieniowania mieści się w pewnych ustalonych doświadczalnie granicach. Należy jednak pamiętać o niemożności przekroczenia tych dawek. Można by było sądzić, iż „kontrolowanie” promieniowania naturalnego jest niewykonalne. Nie całkiem jest to jednak prawdą. Wpływ człowieka na ograniczenie promieniowania jonizującego jest możliwy np.: stosowanie izolacji przed radonem, ograniczenie spalania węgla i rozsiewania nawozów sztucznych.
Ważna jest również edukacja społeczeństwa w zakresie ochrony radiologicznej np. stosowanie ostrzeżeń i odpowiednich symboli na materiałach promieniotwórczych.
W celu zapewnienia możliwości szybkiego wykrywania skażeń i dokonywania w trybie pilnym ocen sytuacji radiologicznej kraju, część placówek badających radiologiczne warunki środowiska tworzy sieć alarmową, której zadaniem jest prowadzenie ciągłych pomiarów mocy dawki promieniowania gamma i radioaktywności powietrza. [10a]

PROMIENIOWANIE SKORUPY ZIEMSKIEJ

Skorupa ziemska zawiera naturalne pierwiastki promieniotwórcze rozproszone w skałach i glebie zwykle w bardzo małych stężeniach.

Pierwiastki radioaktywne (tzw. radionuklidy), z uwagi na ich pochodzenie, można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią pierwiastki radioaktywne utworzone w okresie formowania się systemu słonecznego. Charakteryzują się one długimi okresami połowicznego zaniku, porównywalnymi do czasu istnienia Ziemi wynoszącego około 5 x 10 ⁹ lat. Do grupy tej zaliczane są także pierwiastki promieniotwórcze pochodzące od pierwiastków, które zapoczątkowują tzw. naturalne szeregi promieniotwórcze.

W środowisku Ziemi obecne są pierwiastki promieniotwórcze trzech naturalnych szeregów promieniotwórczych (z czwartego – neptunowego – izotopy już nie istnieją).
Jądra powstające w wyniku przemian jądrowych są często także promieniotwórcze, choć charakteryzują się innym czasem życia. Prowadzi to do tworzenia się tzw. łańcucha lub szeregu promieniotwórczego złożonego z wielu przemian alfa i beta, a kończącego się na jądrze stabilnym czyli takim, które już dalej się nie rozpada. Naturalne przemiany promieniotwórcze tworzą cztery szeregi, których nazwy pochodzą od nazw pierwszych izotopów danego szeregu.  Szeregi te tworzą rodziny izotopów, których liczby masowe wyrazić można wzorem [5a]:

bowiem w każdej przemianie liczba masowa zmienia się o cztery, a w przemianie nie zmienia się.

Nazwa szeregu	A	Izotop początkowy	Izotop końcowy	T1/2, lat
torowy	4n	^23290Th	^20882Pb	1.4*10^10
neptunowy	4n+1	^23793Np	^20983Bi	2.2*10^6
uranowo-radowy	4n+2	^23892U	^20682Pb	4.5*10^9
uranowo-aktynowy	4n+3	^23592U	^20782Pb	7.2*10^8

Tab. 1 Szeregi promieniotwórcze [5a]

We wszystkich trzech naturalnych szeregach promieniotwórczych jest obecny radon: w torowym - ²²⁰R (toron), w uranowo-radowym - ²²²R (radon), w uranowo-aktynowym - ²¹⁹R (aktynon). Izotopy radonu, ulegając rozpadowi, tworzą osad promieniotwórczy zawierający dalsze kolejne pierwiastki promieniotwórcze. Naturalna mieszanina uranu zawiera 99,28 % uranu ²³⁸U, który jest pierwiastkiem macierzystym szeregu uranowo-radowego, 0,0058 % uranu-234 i 0,714 % uranu ²³⁵U dającego początek szeregowi uranowo-aktynowemu. Wzajemne stosunki stężeń izotopów uranu w próbkach środowiskowych są najczęściej takie same, jak w jego mieszaninie naturalnej.[10a]

Ważnym radionuklidem naturalnym (z uwagi na jego duży udział w ziemskim tle promieniowania jonizującego) jest potas ⁴⁰K stanowiący ok. 0,01% domieszkę w potasie naturalnym. Potas ⁴⁰Kemituje promieniowanie beta i gamma. Okres jego połowicznego zaniku wynosi 1,32 x 109 lat. W środowisku ziemskim obecne są w bardzo małych ilościach również inne długo żyjące pierwiastki promieniotwórcze naturalne, jak np. rubid ⁸⁷Rb, lantan ¹³⁸La, samar ¹⁴⁷Sm.[10a]

Druga grupa radionuklidów naturalnych to izotopy promieniotwórcze, powstałe w wyniku reakcji jądrowych zachodzących między cząstkami promieniowania kosmicznego, a jądrami niektórych pierwiastków znajdujących się w powietrzu. W ten sposób powstają: wodór ³H (tryt), beryl ⁷Be, węgiel ¹⁴C.

Pierwiastki promieniotwórcze naturalne z obu grup są wszechobecne w środowisku Ziemi, dzieje się tak ze względu na bardzo długi okres półtrwania pierwszych członów szeregów promieniotwórczych (²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th - pierwotne izotopy promieniotwórcze) i ciągły proces powstawania izotopów wtórnych. Ciekawostkę stanowią izotopy promieniotwórcze, nazwane geologicznie trwałymi, o okresie połówkowego zaniku ponad 10¹² lat. Przykładem może tu być ind ¹¹⁵In (T_1/2=6*10¹⁴ lat), którego po 4 miliardach lat pozostanie w litosferze 99,9995%.

Naturalne pierwiastki promieniotwórcze odgrywają podstawową rolę w bilansie cieplnym Ziemi. Obliczono, że obok toru i uranu promieniotwórczy potas ⁴⁰K odegrał bardzo ważną rolę w początkowym okresie ewolucji Ziemi. Ilość energii emitowanej podczas jego rozpadu była prawdopodobnie tak duża (bo prawie 12 razy więcej niż teraz), że to właśnie ona spowodowała rozgrzanie Ziemi. Pierwiastki te są głównym źródłem ciepła zasilającego procesy geologiczne Ziemi. Przepływ ciepła zachodzi i przejawia się między innymi w postaci wypływu lawy wulkanicznej, w działaniu gejzerów itp.[1a]

A oto krótka charakterystyka niektórych pierwiastków wchodzących w skład szeregów promieniotwórczych oraz kilku naturalnych radionuklidów będących składnikami litosfery. (Ta część opracowania wykorzystuje referaty studentów wydziału fizyki [1a], [11a]).

Uran został odkryty już w XVIII wieku (1789 r.), a więc przeszło sto lat przed odkryciem promieniotwórczości przez Bequerela. Pod względem rozpowszechnienia uran zajmuje 38. miejsce. Naturalny uran ma trzy izotopy o liczbach masowych 238 (99.27%), 235 (0.72%), i 234 (0.01%). Wszystkie wymienione izotopy są alfa-promieniotwórcze. Najdłużej żyjący jest uran ²³⁸U (T_1/2=4.5*10⁹ lat), a najkrócej uran ²³⁴U (T_1/2=2.5*10⁵ lat). Uran-234 jest produktem rozpadów uranu-238 w szeregu promieniotwórczym uranowo-radowym. Znikoma część uranu ulega samorzutnemu rozszczepieniu na mniejsze fragmenty. Uran występuje w przyrodzie w skałach, glebach, rzekach i morzach. Występuje także w rudach w postaci tlenku U₃O₈, jako tzw. smółka uranowa (blenda smolista). Najbardziej znane kopalnie tego minerału znajdują się Czechach i w Kongu. Metaliczny uran otrzymuje się przez redukcję jego tlenku. Chociaż podobny z wyglądu do żelaza, uran jest znacznie cięższy. Jest dość odporny na działanie czynników atmosferycznych. Z kwasami reaguje energicznie. Sproszkowany rozkłada wodę. Uran tworzy związki, w których występuje na różnych stopniach utlenienia (III, IV, V i VI). Pierwiastek ten ma ogólne zastosowanie w energetyce jądrowej oraz przemyśle zbrojeniowym państw, które produkują broń jądrową. Dzięki dużej gęstości (większej od ołowiu) z zubożonego uranu-238 ( po oddzieleniu ²³⁵U ) coraz częściej wykonuje się pojemniki na izotopy, które do niedawna wykonywane były tylko z ołowiu. Ponadto stosuje się go obok ołowiu do wyrobu pocisków artyleryjskich.

Koncentracja uranu jest uzależniona od podłoża i struktury geologicznej. W Polsce od 0,1 do 13g/t, średnia jest niska i wynosi 1,1g/t. Koncentracje powyżej 2g/t występują w Sudetach, Karpatach i Górach Świętokrzyskich. Największe koncentracje uranu jakie znamy występują w Bloku Przedsudeckim.

Tor (⁹⁰Th) został odkryty już na początku XIX wieku przez wybitnego chemika szwedzkiego Berzeliusa, któy nazwał pierwiastek imieniem starożytnego skandynawskiego boga wojny Thora. Tor jest emiterem cząstek alfa o okresie półtrwania T_1/2=1.4*10¹⁰ lat. W skorupie ziemskiej jest go prawie 10 razy więcej niż uranu. Jako mononuklid, tor ²³²Th występuje głównie w piasku manacytowym. Jako krzemian ThSiO₄ - toryt wchodzi w skład niektórych rzadkich minerałów. Czysty metaliczny tor ma temperaturę topnienia 1827^oC, a gęstość 11.7cm^-3. W związkach chemicznych występuje w stopniu utlenienia IV. Jest dość odporny na działanie kwasów i zasad. Tor znalazł zastosowanie jako składnik niektórych stopów. Jest stosowany w technice oświetleniowej. Tlenek toru dawniej był używany do wyrobu koszulek lamp gazowych. Obecnie związek ten ma pewne szanse zastosowania w energetyce jądrowej jako tanie paliwo jądrowe.

Głównym izotopem występującym w minerałach skalnych jest ²³²Th. Średnia koncentracja toru na powierzchni w Polsce wynosi 2,2g/t. Najwyższe koncentracje zanotowano w Karpatach i Sudetach. Koncentracje toru powyżej średniej zanotowano również na Wyżynie Lubelskiej, Roztoczu i południowej części Gór Świętokrzyskich.

Aktyn (⁸⁹Ac) Występuje w przyrodzie głównie jako produkt rozpadu uranu ²³⁵U (szereg uranowo-aktynowy) w postaci alfa i beta^- - promieniotwórczego radionuklidu ²²⁷Ac o okresie półtrwania T_1/2=22 lata (dla przemiany alfa). Jego stężenie jest niewielkie - w jednej tonie bllendy smolistej znajduje się 0,12mg aktynu. Do roku 1950 nie udało się go otrzymać w stanie wolnym. Jego właściwości chemiczne i fizyczne są zbliżone do właściwości lantanu.

Polon (⁸⁴Po) należy do pierwiastków 16 grupy układu okresowego. Odkryty przez małżeństwo Curie polon ²¹⁰Po ma okres półtrwania 138 dni i jest emiterem alfa. W przyrodzie występuje w rudach uranu w szeregach promieniotwórczych jako produkt rozpadu promieniotwórczego. W jednej tonie rudy znajduje się 0.064mg polonu. Jest pierwiastkiem łatwo topliwym (t.t.=250^oC). Ponadto jest łatwo lotny, w związku z tym jest substancją niebezpieczną. Ma on podobne właściwości do selenu i teluru, znajdujących się w tej samej grupie, i tworzy związki, w których występuje na stopniach utlenienia II, IV i VI.

Rad (⁸⁸Ra) jest pierwiastkiem, którego odkrycie wzbudziło chyba najwięcej emocji. Poza odkrytym przez małżonków Curie radem ²²⁶Ra występują jeszcze trzy izotopy radu, wytwarzane w innych rodzinach promieniotwórczych. Ogółem otrzymano 21 izotopów radu. Rad towarzyszy uranowi i jest emiterem promieniowania alfa. W jednej tonie rudy uranowej znajduje się około 0.34g radu w postaci związków chemicznych. Na skutek wymywania z rud jest on rozpowszechniony w skałach, glebie, wodach rzek i mórz oraz tkankach roślin i zwierząt. Należy do 2. grupy układu okresowego. Jest białym błyszczącym metalem o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia (969^oC). Podczas rozpadu promieniotwórczego wydziela się duża ilość ciepła (z jednego grama radu w ciągu gadziny wydziela się 545 J). Świeci w ciemnościach. Rad ma swoje zastosowanie w medycynie (radioterapia), w defektoskopii (wykrywaniu wad w odlewach i spawach). Zmieszany z berylem stanowi źródło neutronów. Nuklid ²²⁶Ra, człon szeregu uranowo-radowego, jest nuklidem o najdłuższym czasie życia (T_1/2=1620 lat) spośród wszystkich znanych izotopów radu. Przemianie alfa towarzyszy tylko nieznaczna domieszka promieniowania gamma. Dlatego rad stosuje się jako źródło promieniowania gamma. Ostatnio rad jest coraz częściej zastępowany przez radionuklidy otrzymywane sztucznie.

Radon (⁸⁶Rn) stanowi produkt rozpadu alfa naturalnych izotopów radu. Towarzyszy on uranowi lub torowi jako jeden z produktów ich rozpadu promieniotwórczego. Ponieważ jest gazem, znajduje się wszędzie - w glebie, minerałach, powietrzu i wodzie. Poszczególne izotopy radonu maja nazwy pochodzące od szeregu promieniotwórczego, w którym powstały, np.: toron - od toru ²³²Th, aktynon - od uranu-235 (z szeregu uranowo-aktynowego). Spośród wszystkich izotopów promieniotwórczych radonu alfapromieniotwórczy ²²⁶Rn ma najdłuższy okres półtrwania (ok. 4 dni). Radon należy do grupy gazów szlachetnych i mimo że jest pierwiastkiem chemicznie nieaktywnym, udało się otrzymać kilka jego związków chemicznych, np. fluorek (RnF₂).

Rys. 11 Stężenie radu 226Ra w glebie w Polsce [9a]

< 20 Bq/kg 20 – 40 40 – 60 >60 [max 124 Bq/kg]

Rys. 12 Stężenie potasu 40K w glebie w Polsce [9a]

< 300 Bq/kg 300 – 500 500 – 700 >700 [max 1020 Bq/kg]

Średnie wartości stężeń naturalnych radionuklidów w glebach Polski wynoszą: dla ²²⁶Ra 25,2 Bq/kg, dla ²²⁸Ac 20,7 Bq/kg oraz dla ⁴⁰K 410 Bq/kg i są bliskie średnim wartościom światowym, które równają się odpowiednio: 26, 26 i 370 Bq/kg [9a]

Największe średnie stężenia ²²⁶Ra i ²²⁸Ac występują na terenie południowej części Polski, zgodnie ze strukturą geologiczną naszego kraju. Na przykład w próbce gleby pobranej w Szklarskiej Porębie stężenia te wynoszą: dla ²²⁶Ra 124,0 Bq/kg i dla ²²⁸Ac 85,9 Bq/kg. [9a]

Warunki radiologiczne środowiska to przede wszystkim promieniowanie gamma, które stanowi o wielkości narażenia ludności na działanie promieniowania zewnętrznego oraz obecność radionuklidów w komponentach środowiska naturalnego powodujących skażenie wewnętrzne organizmu drogą pokarmową i oddechową.

Rys. 13 Moc dawki promieniowania gamma w Polsce [9a]

< 30 nGy/h 30 – 50 50 – 70 >70 [max 86 nGy/h]

Średnia wartość mocy dawki zewnętrznego tła promieniowania gamma w Polsce w 1997 r. wynosiła 47,4 nGy/h (bez promieniowania kosmicznego). Średnie roczne wartości dla poszczególnych punktów pomiarowych zawierają się w granicach od 18,8 do 86,0 nGy/h.[9a]

Średni roczny efektywny równoważnik dawki, obliczony zgodnie z rekomendacjami UNSCEAR 1993, wynosił w 1998 r. dla statystycznego mieszkańca Polski 3,3 mSv. Na wartość tę złożyło się promieniowanie radionuklidów naturalnych i pochodzenia sztucznego obecnych w środowisku oraz radionuklidów, które ze środowiska przeniknęły do różnego rodzaju produktów i materiałów, takich jak materiały budowlane, żywność itp. Największy udział, około 73% w tej wartości, ma promieniowanie radionuklidów naturalnych. Znaczny udział w całkowitym rocznym efektywnym równoważniku dawki ma także promieniowanie jonizujące stosowane w diagnostyce medycznej.[9a]

REAKTORY NATURALNE

Rys. 14 Położenie geograficzne Oklo w Gabonie [12a]

Niewiele osób orientuje się, że reaktor jądrowy działający na zasadzie rozszczepienia jąder uranu ²³⁵U przez neutrony, jest nie tylko wynalazkiem człowieka. W 1972 roku w odkrywkowej kopalni uranu Oklo w Gabonie odkryto złoża rud uranowych w kształcie soczewek, których średnica wynosi ok.10m, a grubość ok.1m. Zauważono, że w złożu tym było znacznie mniej (ok. 0.5%) uranu ²³⁵U niż normalnie. Jednocześnie zaobserwowano znacznie większe stężenie lżejszych pierwiastków promieniotwórczych, które rozpoznano jako będące produktami rozszczepienia ²³⁵U. Uznano więc, iż są to szczątki naturalnych reaktorów sprzed 2 mld lat.

Ocenia się, że naturalnych reaktorów w Oklo było co najmniej sześć, działały w ciągu kilkuset tysięcy lat i wyprodukowały w tym czasie około 15 GWlat energii, zużywając 6 ton ²³⁵U. Fakt, że po 2 mld lat znaleziono szczątki naturalnych reaktorów, a więc produkty rozszczepienia nie rozproszyły się, mimo działania różnych naturalnych procesów, jest przekonującym dowodem, że przez całe epoki geologiczne zużyte paliwo jądrowe pozostaje w tym samym miejscu, mimo braku jakichkolwiek zabezpieczeń. To szczególnie ważna obserwacja, gdyż dotychczasowe doświadczenia z przechowywaniem przez kilkadziesiąt lat wyeksploatowanego paliwa reaktorowego trudno ekstrapolować na okresy geologiczne.[13a]

Aby w reaktorze naturalnym mogła zajść łańcuchowa reakcja rozszczepienia muszą być spełnione warunki identyczne do tych, które należy spełnić aby zainicjować reakcję w reaktorze zbudowanym przez człowieka, tzn.  potrzebna jest odpowiednia koncentracja uranu, niska koncentracja związków absorbujących neutrony, obecność w wystarczającym wymiarze substancji mogącej zostać moderatorem oraz rozmiary pozwalające na zajście reakcji łańcuchowej i podtrzymanie jej. [12a] 

Rys. 15 Wymagania zaistnienia reakcji łańcuchowej [12a]

Wymagania te zostały spełnione w przypadku reaktora w Oklo w następujący sposób:

• zawartość uranu ²³⁵U w naturalnym uranie była wówczas o wiele wyższa niż obecnie, ze względu na różnicę czasów rozpadu ²³⁸U (4.5 mld lat) oraz ²³⁵U (0.7 mld lat), toteż w bogatej rudzie uranowej, w odpowiednich warunkach geologicznych mogła być zainicjowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia; [13a]
• położenie geologiczne sprawiło, że rejon reaktora był wolny od pierwiastków zwanych "neutron poissons", tzn. takich, które mają duże przekroje czynne na chwytanie neutronów, co powoduje występowanie reakcji konkurencyjnych do rozszczepienia i tym samym zakłócających prace reaktora; do takich pierwiastków należą np. kadm i bor [12a];
• moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony aby mogły wejść w reakcję z ²³⁵U, w przypadku Oklo była woda, której duże ilości przesiąkały przez skały w rejonie reakcji, a także pewne ilości naturalnie występującego węgla (pierwiastka) [12a];
• odpowiednie (podane wyżej) rozmiary spowodowały, że mogła zaistnieć samopodtrzymująca się reakcja jądrowa [12a].

Rys. 16 Reakcja łańcuchowa [11a]

Przebieg reakcji natomiast był następujący: po wypełnieniu trzech z czterech powyższych wymagań przesiąkająca przez złoże uranu woda w czasie opadów zaczęła spełniać rolę moderatora umożliwiając łańcuchowe rozszczepienie ²³⁵U. Po spowodowanym reakcją podwyższeniu temperatury woda odparowywała i wtedy samoczynnie reaktor przerywał swoją pracę. Po ochłodzeniu woda znów zaczynała się dostawać w obszar złoża i reakcja rozpoczynała się od nowa. Tak działo się aż do wykorzystania wszystkich naturalnych zasobów ²³⁵U.

W tym miejscu należ zwrócić uwagę na jeszcze jeden zaskakujący fakt : okazuje się, że w reaktorze w Oklo zachodziły nie tylko reakcje z udziałem ²³⁵U, ale także z plutonem ²³⁹Pu. [12a]

Reaktory naturalne stanowią ciekawostkę i pole do badań w wielu dziedzinach nauki. Na przykład geolodzy otrzymali w ten sposób możliwość studiowania zamierzchłej  przeszłości skorupy ziemskiej. Dla biologów i ekologów Oklo jest "eksperymentem" polegającym na badaniu wpływu na środowisko naturalne długotrwałego składowania odpadów radioaktywnych. Fizycy mają wspaniałą i niepowtarzalną okazję zbadania niezliczonej ilości zjawisk związanych z rozpadami promieniotwórczymi. A laicy mogą natomiast te rzadkie i niezwykle intrygujące obiekty. 

ODPADY KOPALNIANE

Rys. 17 Porastające zielenią hałdy w Rudzie Śląskiej

Obecnie wiele wagi zwraca się na niebezpieczeństwa grożące człowiekowi. Niekontrolowany rozwój przemysły spowodował znaczne zanieczyszczenie powietrza, wód, gleby, prowadząc do degradacji środowiska.

Intensywna działalność człowieka prowadzi do powstania takiej ilości promieniowania, która przekracza dopuszczalne średnie wartości. Dotyczy to zwłaszcza przemysłu wydobywczego. Eksploatowane na Górnym Śląsku kopalnie, wytwarzają m.in. odpady stałe oraz odprowadzają wody kopalniane, w których stężenia radionuklidów naturalnych mogą przekraczać te wartości nawet kilkaset razy. Tymczasem nieświadomi zagrożenia wykazujemy daleko posuniętą beztroskę, wykorzystując niektóre odpady i muł kopalniany jako opał do ogrzewania swoich domów.[14a]

Nie wolno zapominać, że zwykły popiół też zawiera materiały promieniotwórcze – polski węgiel kamienny, podobnie jak węgiel kamienny z wielu innych krajów zawiera nieco uranu , ok. 2 g w każdej tonie, co daje w popiołach 20 g uranu na 1 tonę. Zużywając w naszym kraju rocznie ok. 85-90 mln ton węgla kamiennego, wyrzucamy na hałdy tony uranu – a jeżeli hałda ‘’fruwa’’ w powietrzu, to uran jest stale obecny w zawiesinie, zwanej aerozolem, której obłoki unoszą się nad Śląskiem i resztą Polski [3].

Oprócz uranu w spalanym w Polsce węglu zawarte są duże ilości toru. W spalanych rocznie około 170 mln ton węgla kamiennego i brunatnego znajduje się około 500 ton uranu i toru łącznie, które są usuwane na wysypiska w popiołach lub wydmuchiwane do atmosfery w postaci pyłu [13a].

Ważnym zadaniem ochrony radiologicznej jest wykrywanie i kontrola zanieczyszczeń środowiska powodowanych radionuklidami naturalnymi. Zanieczyszczenia te są następstwem działalności energetyki, przemysłu i górnictwa. Materiały zgromadzone na składowiskach, hałdach i w stawach osadowych zawierać mogą pierwiastki promieniotwórcze w stężeniach wielokrotnie większych od występujących w środowisku w jego naturalnym stanie. Dlatego też stosowanie żużli i popiołów lotnych jako surowców do produkcji materiałów budowlanych, bez ich właściwej kontroli i selekcji, prowadzić może do wzrostu dawki promieniowania jonizującego otrzymywanej przez ludność. Prowadzone w Polsce badania radioaktywności surowców i materiałów budowlanych oraz pomiary stężeń radonu w powietrzu budynków mieszkalnych mają na celu możliwie jak największe ograniczenie tego zagrożenia.[10a]

Zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami, wszelka działalność powodująca lub mogąca powodować narażenie na promieniowanie podlega nadzorowi i kontroli. Dotyczy to jądrowych reaktorów badawczych i wszelkiego rodzaju zakładów stosujących źródła promieniowania jonizującego. Kontrolą objęte są takie działania, jak transport i składowanie źródeł promieniotwórczych, materiałów jądrowych i odpadów promieniotwórczych. Zadania służb ochrony radiologicznej w zakresie kontroli skażeń promieniotwórczych środowiska polegają na wykrywaniu tych skażeń i prowadzeniu systematycznych pomiarów radioaktywności: powietrza, opadu całkowitego, wód powierzchniowych i wodociągowych, ścieków, gleby, roślin, artykułów i produktów żywnościowych. [10a]

.

PROMIENIOWANIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Radioaktywność podłoża i materiałów budowlanych określane jest często mianem promieniowania naturalnego, co może sugerować, że jest to zjawisko naturalne, a więc nieszkodliwe. Należy sprostować jednak taki pogląd. Po pierwsze, stopień zagrożenia radiacyjnego zależy od wielu czynników: wyboru materiałów budowlanych, rodzaju skał występujących w podłożu, lokalnej aktywności geologicznej oraz związanych z tym, świadomych bądź nieświadomych, decyzji ludzkich. Po drugie, w ocenie zagrożenia radiacyjnego nie ma znaczenia czy pochodzi ono ze źródła naturalnego, czy też ze skażeń sztucznych, ponieważ skutki biologiczne zależą od łącznej otrzymanej dawki promieniowania.

W budownictwie istnieją przeróżne czynniki decydujące o narażeniu mieszkańców na promieniowanie jonizujące. Są nimi: miejsce posadowienia budynku, rodzaj konstrukcji oraz użyte materiały budowlane. Należałoby również rozważyć tutaj: wymianę powietrza w pomieszczeniu, ciśnienie atmosferyczne, a także rodzaj pokrycia ścian.[5]

Rozpatrując trzy podstawowe rodzaje promieniowania przez pryzmat budownictwa obserwuje się:

· promieniowanie beta – stanowią elektrony emitowane podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych zawartych w materiałach budowlanych; ze względu na nieznaczną przenikliwość, promieniowanie to jest niemalże w całości pochłaniane przez same ściany i praktycznie nie stanowi źródła zagrożenia dla człowieka.

· promieniowanie gamma, promieniowanie elektromagnetyczne – jest promieniowaniem bardzo przenikliwym, a przez to jego ograniczenie jest praktycznie niemożliwe. W budynkach źródłami promieniowania gamma mogą być: promieniotwórcze izotopy pierwiastków zawarte w materiałach budowlanych, grunt, na którym posadowiono budynek oraz część promieniowania kosmicznego przenikająca przez budynek. W związku z powyższym, konieczna jest kontrola pod względem zanieczyszczeń naturalnymi pierwiastkami promieniotwórczymi zarówno wyrobów budowlanych, jak i podłoża przeznaczonego pod zabudowę.

· promieniowanie alfa – najmniej przenikliwe, może wnikać w organizm ludzki w wyniku wdychania radonu i toronu [6]. Promieniowanie alfa jest w zasadzie nieszkodliwe, ze względu na swoją słabość przenikania, gdy pada na skórę człowieka. Niestety, może spowodować duże zagrożenie zdrowia, gdy działa wewnątrz organizmu. Na przykład, przy wdychaniu powietrza zawierającego radon ²²²Rn i toron ²²⁰Rn, drogi oddechowe zostają napromieniowane pochodnymi rozpadu tych pierwiastków, co może powodować nowotwory w organizmie.

Rys. 18 Promieniowanie w budynku [3]

Najczęściej rozpatrywanym emiterem promieniowania alfa, w dyskusjach o wpływie naturalnego promieniowania na człowieka, jest radon 222Rn i pochodne jego rozpadu. Radon łatwo przenika do pomieszczeń z podłoża, na którym posadowiono budynek (75% radonu pochodzi z podłoża budynku [4]). Bez trudu dyfunduje ze ścian budynku do jego wnętrza (25% - pochodzi z materiałów budowlanych [4]).

Rys. 19 Źródła promieniowania w otoczeniu człowieka znajdującego się wewnątrz budynku i otrzymywane dawki (K-potas, Ra-rad, Th-tor, Rn-radon) [4]

Czynnikiem decydującym o podwyższonej wartości stężenia radonu w mieszkaniach jest szybkość wnikania tego gazu do wnętrza domu [6], zależna od stężenia radu w glebie i materiałach budowlanych, a także od stopnia przepuszczalności gruntu, fundamentów i przegród. Zdolność przenikania radonu z przegród do otaczającego go powietrza zależna jest głównie od rodzaju i cech strukturalnych materiału (jego gęstości, porowatości), od rodzaju materiału pokrywającego jego powierzchnię, a także od wilgotności, temperatury, ciśnienia atmosferycznego [4].

Ilość i stężenie radonu w mieszkaniach nie zależy tylko od szybkości jego wnikania do wnętrza, ale również od prędkości usuwania go poprzez wentylację czy wietrzenie.
”Im częściej wietrzymy, tym lepiej i ...na pewno zdrowiej. Średnie stężenie radonu w pomieszczeniach dobrze wietrzonych jest zaledwie 2¸5 razy większe od jego stężenia w powietrzu na zewnątrz, natomiast w pomieszczeniach niewentylowanych blisko 15 razy większe.”[15a] ”Stężenie radonu jest kilkakrotnie większe w pomieszczeniach, w których powietrze jest zanieczyszczone dymem tytoniowym. Stąd tak istotne jest zwyczajne wietrzenie mieszkania.”[15a]

Oczywista wydaje się konieczność wprowadzenia zabezpieczeń budynków w celu zmniejszenia stężenia radonu. Wyróżnia się kilka metod takiego postępowania. Przede wszystkim, jak już to było wspomniane, stosuje się odpowiednią wentylację pomieszczeń. Wentylację wywiewną – usuwającą zanieczyszczone powietrze i nawiewną – powodującą napływ świeżego powietrza atmosferycznego.

Kolejnym sposobem jest zastosowanie bariery mechanicznej w postaci szczelnej izolacji części podziemnych budynku i uszczelnienie otworów, pęknięć i szczelin. Podstawowymi materiałami stosowanymi do zabezpieczeń przed przenikaniem radonu do pomieszczeń mieszkalnych w budynkach są [4]: folie z tworzyw sztucznych, np. polietylenowe, o grubości około 3mm, materiały asfaltowe przeciwwodne i przeciwwilgociowe (lepiki, papy, masy), wyprawy i farby hydrofobizujące, zaprawy bezskurczowe, ekspansywne masy uszczelniające.

Inną spotykaną metodą, jest obniżanie ciśnienia powietrza w podłożu pod budynkiem i w jego otoczeniu poprzez użycie przewodu ssącego umiejscowionego pod posadzką.

Badania nad narażeniem ludzi na promieniowanie jonizujące (głównie alfa i gamma) w czasie przebywania ich w budynku podjęto w Polsce pod koniec lat 60-tych.

W 1980 r. zarządzeniem ówczesnego Ministerstwa Budownictwa i Przemysłu Materiałów Budowlanych wprowadzono obowiązek wykonywania przez jednostki gospodarcze przemysłu betonów, materiałów wiążących, kruszyw, ceramiki budowlanej itd. badań kontrolnych surowców i wyrobów oraz uzyskiwania atestów o ich przydatności do stosowania w budownictwie.[4]

Obowiązujące kryteria oceny i metody badań promieniotwórczości naturalnej materiałów budowlanych i ich surowców zawarte są w Instrukcji ITB nr 234 [7], opracowanej przez Instytut Techniki Budowlanej wspólnie z Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej w 1980r., a następnie zmodyfikowanej w 1995 r.

Zgodnie z wieloma aktami prawnymi (np. Prawo budowlane [8], Prawo atomowe [9]) budynki przeznaczone na stały pobyt ludzi powinny spełniać warunki:

· dawka graniczna dla osób narażonych na oddziaływanie promieniowania jonizującego z powodu stosowania wyrobów powszechnego użytku, emitujących promieniowanie nie powinna przekroczyć [10] wartości 1mSv na całe ciało,

· budynek z pomieszczeniami przeznaczonymi na pobyt ludzi i zwierząt nie może być wykonany z materiałów budowlanych nie spełniających wymagań w zakresie określonych dopuszczalnych zawartości naturalnych pierwiastków, promieniotwórczych [11]

· średnie wartości roczne stężenia radonu ²²²Rn w pomieszczeniach budynków przeznaczonych na stały pobyt ludzi nie mogą przekraczać: 200Bq/m³ w budynkach oddawanych do użytku po 1 stycznia 1998r. oraz 400Bq/m³ w budynkach istniejących[10].

Dla porównania w tablicy przedstawiono wartości dopuszczalnych stężeń radonu wewnątrz budynków w różnych krajach

Rys. 20 Dopuszczalne stężenia radonu w budynkach [14]

Ze strony niektórych materiałów budowlanych mogą występować realne zagrożenia zdrowia spowodowane przez zjawiska radiacyjne. Zagrożenia te mogą dać znać o sobie w poszczególnych fazach cyklu istnienia tych materiałów: w czasie produkcji, wykonywania robót budowlanych, w czasie użytkowania obiektu, a także w okresie poużytkowym.

Do oceny poziomu zanieczyszczenia materiałów budowlanych pierwiastkami promieniotwórczymi przyjęto dwa parametry, tzw. współczynniki kwalifikacyjne: f1 i f2 [4].

Współczynnik f1 stanowi miarę sumarycznego stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w materiale

f1 = 0,00027 SK + 0,0027 SRa + 0,0043 STh

gdzie: SK, SRa, STh – stężenia radionuklidów: potasu 40K, radu 226Ra i toru 232Th, oznaczane

pomiarami, wyrażone w Bq/kg.

Współczynnik f2 określa stężenie radu i wyrażany jest w Bq/kg: f2 = SRa.

Największe dopuszczalne wartości tych współczynników kwalifikacyjnych wynoszą odpowiednio

f1 = 1, f2 = 185 Bq/kg

Przyjęto, że w przypadku gdy:

· oba warunki są spełnione – ocena surowca jest pozytywna i może on być dopuszczony do produkcji materiałów budowlanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi;

· wartości współczynników przekraczają wartości dopuszczalne nie więcej niż 20% - partię surowca można zastosować do produkcji materiałów bud. z innymi składnikami w takich proporcjach, by produkt końcowy spełniał przyjęte wymagania;

· wartości współczynników przekraczają wartości dopuszczalne więcej niż 20% - można zalecić użycie surowca do innych zastosowań, nie związanych z bezpośrednim narażeniem ludności na promieniowanie (budownictwo drogowe, podziemne).

Podstawę oceny krajowych wyrobów budowlanych stanowią wyniki badań promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. Badania takie były i są do tej pory prowadzone przez Instytut Techniki Budowlanej (ITB) w Warszawie, Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR) oraz Instytut Energii Atomowej (IEA) w Świerku. Na podstawie tych wyników powstały charakterystyki surowców i materiałów wyrażone przez współczynniki kwalifikacyjne, np.

Rys. 21 Współczynniki kwalifikacyjne promieniotwórczości naturalnej niektórych surowców mineralnych stosowanych do produkcji materiałów budowlanych; 1-wapienie, 2-margiel, 3-syderyt, 4-kamień gipsowy, 5-bazalt, 6-granit, 7-surowce ilaste [12]

Ogólnie, na podstawie posiadanych wyników badań krajowe wyroby budowlane dzieli się na trzy grupy, w zależności od ilości zawartych w nich pierwiastków promieniotwórczych [12]:

· materiały niskoaktywne, o niskiej zawartości pierwiastków promieniotwórczych (f₁ mniejszy od 35% wartości granicznej podanej w Instrukcji ITB nr 234/95): beton komórkowy w technologii piaskowej, wyroby wapienno-piaskowe, gipsowe, wapienne, beton zwykły,

· materiały średnioaktywne, o średniej zawartości pierwiastków promieniotwórczych (f₁ mniejszy od 60% wartości granicznej wg Instrukcji 234/95): np. wyroby z betonów lekkich zawierające kruszywo spiekane typu keramzyt,

· wyroby o podwyższonej aktywności, o większej zawartości pierwiastków promieniotwórczych: wyroby ceramiczne (cegły zwykłe), wyroby żużlobetonowe, beton komórkowy wykonywany w technologii popiołowej; według badań ITB cegła ceramiczna i żużlobeton mają podobne średnie wartości współczynnika f₁ = 0,55 oraz f₂ odpowiednio 56 i 69 Bq/kg.

W Polsce, zdaniem specjalistów, podstawowe problemy związane z oceną wyrobów budowlanych zostały rozwiązane i wprowadzone w życie, a system kontroli jest należnie egzekwowany.

W środowisku mieszkalnym w Polsce nie są przekraczane dopuszczalne wartości promieniowania jonizującego, ale nie jest ono dotychczas świadomie kształtowane według kryterium minimalnego skażenia [13].

BIBLIOGRAFIA

[1] Słownik języka polskiego. tom II, PWN, Warszawa 1998

[2] Czerwiński A.: Energia jądrowa i promieniotwórczość. Oficyna Wydawnicza’Krzysztof Pazdro, Warszawa 1998

[3] materiały edukacyjne Instytutu Problemów Jądrowych Ośrodka Świerk

[4] Osiecka E.: Materiały budowlane- właściwości techniczne i zdrowotne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002

[5] Brunarski L., Krawczyk M.: Promieniotwórczość naturalna w budynku. XL Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Krynica 1994

[6] Mamont-Cieśla K.: Radon w mieszkaniach. Przegląd Budowlany 1993, nr 7

[7] Instrukcja ITB 234/95: Wytyczne badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. Wyd. ITB, Warszawa 1995

[8] Prawo budowlane - Ustawa z dnia 7 lipca 1994r. ze zmianami

[9] Prawo atomowe – Ustawa z dnia 29 listopada 2000 r.

[10] Zarządzenie Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki z dn. 31.03.1998 w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego i wskaźników pochodnych, określających zagrożenie promieniowaniem jonizującym (MP nr 14/1988) ze zmianami wprowadzonymi w 1995 r. (MP nr 35/1988)

[11] Zarządzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dn. 22.03.1996r w sprawie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia, wydzielanych przez materiały budowlane, urządzenia i elementy wyposażenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi (MP nr 19/1996, poz. 231)

[12] Krawczyk M.: Promieniotwórczość naturalna materiałów budowlanych – wymagania i badania kontrolne. Biul. Iinf. o Budown. COIB Materiały Budowlane 1992, nr 8-9, 10

[13] Mikoś J.: Budownictwo ekologiczne. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996

[14] Wysocka M.: Radon w domach na terenie Górnośląskiego Okręgu Węglowego. Konferencja Naukowo-Szkoleniowa „Naturalna promieniotwórczość w środowisku”. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 1996

Inne:

Wołkowicz S.: Naturalne i sztuczne promieniowanie w środowisku człowieka. Państwowy Instytut Geologiczny

Jagielak J., Biernacka M., Henschke J., Sosińska A.: Radiologiczny Atlas Polski 1997. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa 1998.

LINKI

[1a] http://kwark.if.pw.edu.pl/mtj/students/2000-2001/Zdrojek/

[2a] http://www.paa.gov.pl/edukacja/html/lekcja41.html

[3a] http://info.fuw.edu.pl/~gbrona/gory2.html

[4a] http://www.przygodazczastkami.org/

[5a] http://www.if.pw.edu.pl/%7Epluta/pl/dyd/mfj/wyklad/

[6a] http://www.ifj.edu.pl/edukacja/decay_start.html

[7a] http://www.wolebyc.pl

[8a] http://slimak.sciaga.pl/prace/praca/9002.htm

[9a] http://www.clor.waw.pl/Z-2/Pol-Mapa.htm

[10a] http://www.mos.gov.pl/soe_pl/13a.htm

[11a] http://kwark.if.pw.edu.pl/mtj/students/2001-2002/Slodkowski/pn-reaktory.htm

[12a] http://kwark.if.pw.edu.pl/mtj/students/2000-2001/Zberecki/oklo.htm

[13a] http://www.atomowe.kei.pl/polska3.html

[14a] http://www.opoka.org.pl/biblioteka/I/IC/skazenie_rad.html

[15a] http://dom.gazeta.pl/dom/1,50810,1059144.html

Inne

http://www.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/cosmicMatter.html

http://www.halat.pl/atomistyka.html

http://www.igf.fuw.edu.pl/~prac1/Instrukcje/Fizyka%20wspolczesna/RADON27.htm

http://www.u.lodz.pl/polish/wprowadzenie_promieniowanie.html

http://www.wios.bydgoszcz.pl/ram/r01-04-61.htm

INFORMACJE O OPRACOWANIU

Tematyka pracy:

Ziemskie promieniowanie naturalne (promieniowanie skorupy ziemskiej, odpadów kopalnianych, materiałów budowlanych – intensywność, zawartość w różnych materiałach, szkodliwość)

Strona wykonana w ramach przedmiotu prowadzonego przez prof. dr hab. Jana Plutę:

Metody Fizyki Jądrowej w środowisku, przemyśle i medycynie

Autorka pracy:

Anna Niewęgłowska-Mazurkiewicz

studia doktoranckie, semestr III, R.A. 2003/2004

Wydział Inżynierii Lądowej

Politechnika Warszawska

Kontakt:

nieweglowska@o2.pl