第一章-辐射防护基础PPT课件.ppt

辐射防护基础 核电培训部张贝瑶zhangbeiyao2006 3 23 2020 1 教育背景 武汉水利电力大学环境工程专业工作经历 92 03上海电力工业学校教师03 至今中电投高培中心核电培训部培训师培训经历 05 03 08 12核电中高级管理人员培训班从业资质 国家二级企业培训师资格讲授课程 基础化学 公共英语 计算机应用 核电站辐射防护目的 讲师介绍 3 23 2020 2 培训内容 3 23 2020 3 第一章辐射防护基础知识 3 23 2020 4 1 辐射和辐射防护 3 23 2020 5 以电磁波或粒子的形式向外传递能量的过程辐射分为电离辐射和非电离辐射 辐射 3 23 2020 6 1 1辐射 3 23 2020 7 电离作用示意图 3 23 2020 8 不带电的粒子在高能射线等的作用下 变成了带电的粒子的过程 或者从一个原子 分子或其他束缚状态释放一个或多个电子的过程 电离 3 23 2020 9 非电离辐射 有些辐射如红外线 微波等 由于能量低 不能引起物质电离 电离辐射 又称核辐射 由于放射性物质发出的射线与物质作用 会直接地或间接地使物质的原子发生电离 因此 人们把这种能产生电离的辐射称为电离辐射 非电离辐射与电离辐射 3 23 2020 10 电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子 能量 keV x n p 裂变碎片等来源1 放射性物质 人造天然 2 加速器3 反应堆4 宇宙射线5 地球环境 非电离辐射紫外线 红外线 微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV量级移动电话800 1800MHz 0 01eV 没有电离作用 非电离辐射与电离辐射 3 23 2020 11 核科学领域中一个重要分支 是研究保护人类和其他生物种群免受或少受辐射危害的应用性学科 辐射安全与核安全有许多交叉的地方 主要是指对电离辐射的防护 1 2辐射防护 3 23 2020 12 2物质结构与放射性 3 23 2020 13 原子 源自希腊文 意思是 不可分割的 按照现代的观点 原子作为物质结构的一个层次 研究原子的组成 组成物的运动规律及其相互作用的规律 其表征量为物质的物理 化学性质和光谱特性 原子核 则是研究物质结构的另一个更深的层次 研究原子核的组成 性质 核力 核模型 核的蜕变及核能的利用等 其表征为原子核的放射性 2 1原子与原子核 3 23 2020 14 1 原子结构构成物质的基本单位是原子直径 10 8cm左右质量 微小 最轻的元素氢原子的质量1H1 6733 10 24g 一个铀原子238U的质量3 951 10 22克 3 23 2020 15 原子结构 2 原子结构 原子是由更微小的粒子组成的 这些粒子称为基本粒子 它们是质子 P 中子 n 和电子 e 等 3 23 2020 16 原子结构 核子 3 23 2020 17 2 原子结构 基本粒子质量 微小质子的质量为1 6725 10 24克 中子的质量为1 6747 10 24克 电子的质量为9 1089 10 28克 基本粒子带电 质子带有 个单位的正电荷 电子带有 个单位的负电荷 而中子不带电荷e为电子的电荷量 1e 1 602189 0 0000046 10 19库仑核外电子总带电量为Ze 3 23 2020 18 原子序数和原子质量数 原子序数 Z 质子数原子质量数 A 质子数 中子数通常用下列符号表示不同元素的原子核 其中 X为元素符号 Z为原子序数 A为原子质量数 由于每一种元素的所有原子都有确定的质子数 所以Z有时可以不标出来 只标出A 简写成A 如 3H 16O 32 60Co 131I 235U 3 23 2020 19 2 2同位素核素 同位素 定义 具有相同质子数和不同中子数的同一类元素称为同位素 一个氢原子可能含1 2 3个中子 分别称为氕 氘 氚 同位素在元素周期表中占据同一个位置 原子量是不同的 元素周期表的排列是根据原子序数而不是原子量 3 23 2020 20 1H 2H 3H 氕 氘 氚 氢原子家族 235U 238U 233U 铀原子家族 132 铯原子家族 2D 3D 3 23 2020 21 同位素性质 化学性质完全相同 核特性完全不同 物理性质差别较大 特别是轻同位素 天然的同位素存在状态 大多是以同位素混合物状态出现目前在核能利用中最重要的元素是铀 天然铀是三种铀同位素的混合物 这三种铀的天然同位素是234U 235U和238U同位素中有的会放出射线 称为放射性同位素或放射性核素 其余叫做稳定同位素 3 23 2020 22 资料 铀同位素已发现质量数在226和242之间的16个铀同位素 其中238U 235U和234U是天然放射性同位素 其相对丰度 原子百分数 分别为99 275 0 720 和0 005 235U是唯一天然存在的易裂变核素 是重要的初级核燃料 可在慢中子作用下发生裂变放出大量能量 238U吸收一个中子后 经 衰变生成239pu 239pu为慢中子引发裂变 故238U是重要的次级核燃料 234U是238U的衰变子体 无实际意义 233U是232Th俘获中子后随之进行两次 衰变生成的人造易裂变核素 即核燃料 232U是232Th和233U的快中子反应生成的 由钍制造的233U中含有少量232U 后者的子体发出硬 射线 使得233U核燃料比较难于处理 3 23 2020 23 核素 具有相同质子数Z 中子数N和相同能态的一类原子 或原子核 符号 3 23 2020 24 2 3放射性衰变 定义 不稳定的核素发出射线释放能量 核素的这种性质称为放射性 这种现象称为放射性衰变 具有放射性的物质称为放射性物质 放射性衰变的主要类型 衰变 衰变 衰变 3 23 2020 25 2 3 1 衰变 射线 氦核的粒子流 质量为氢原子质量的四倍 带两个单位的正电荷 电离能力为104衰变通式 AZX A 4Z 2Y QAZX 母核A 4Z 2Y 子核 出射粒子Q 能量例 22688Ra 22286Rn 42He 镭 氡 3 23 2020 26 从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能 238U 4He 234Th 放射性母核 衰变 3 23 2020 27 衰变 241Am 237Np 3 23 2020 28 衰变的性质 能辐射 射线的物质的原子序数都大于82母核放出的 粒子具有一定的动能5兆电子伏的 粒子 在空气中的射程约7厘米在铅中约0 06毫米在人体组织中约43微米 粒子能被一张薄纸阻挡 所以一般 辐射的 粒子对人体外照射的损伤很小 通常不予考虑 3 23 2020 29 粒子的电离本领很大 所以要防止 放射性物质进入体内产生内照射在热中子反应堆中 对反应堆材料的影响不重要 3 23 2020 30 2 3 2 衰变 负衰变 正衰变 电子俘获 负衰变 高速飞行的电子流 带1个单位负电荷 质量为1 1840u 电离能力102衰变通式 n P Q AZX AZ 1Y Q 负电子n 中子P 质子 反中微子例 3215P 3216S 3 23 2020 31 负衰变 3H 3He 中子 质子 3 23 2020 32 P n Q AZX AZ 1Y Q 正电子 中微子 正衰变 3 23 2020 33 正衰变 11C 11B 3 23 2020 34 发生原因 母核中子或质子过多 质子转变成中子 并且带走一个单位的正电荷 中子转变成质子 并且带走一个单位的负电荷 3 23 2020 35 电子俘获 3 23 2020 36 通式 P e n AZX e AZ 1Y Q 例 5526Fe e 5525Mn 电子俘获 3 23 2020 37 电子俘获 7Be 7Li 3 23 2020 38 衰变的性质 带电粒子 质量小 射线的能量对不同的核是不同的 大致为十几千电子伏到3兆电子伏由于这种粒子的质量小 只带一个电荷 其射程比 粒子长 但产生电离的能力比 粒子弱完全吸收 射线所需要的物质长度 铝约5毫米 铅约1毫米 3 23 2020 39 2 3 3 衰变 射线 波长极短的电磁波 电离能力为1 衰变通式 AZXm AZX 例6027Co 6028Ni 钴113m49In 11349In 铟 3 23 2020 40 衰变 3 23 2020 41 衰变 3He 3He 3 23 2020 42 衰变特点 从原子核中发射出光子常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生产生的射线能量离散 能量不连续 3 23 2020 43 衰变形式放出射线原子序数变化原子质量数变化 42He 2 4 e 负电子 10 e 正电子 10 h 光子 00Ech 光子 10 放射性核衰变的结果 3 23 2020 44 天然放射线的性质及其比较 氦核 2 4 0 1c 最强 最弱 电子 1 1 1840 0 9c 较强 较强 光子 0 0 c 最弱 最强 3 23 2020 45 中子辐射主要由核反应产生 而不是核衰变产生 中子不带电 与物质相互作用与其他射线不同 中子辐射 3 23 2020 46 2 4感生放射性 用核粒子轰击稳定的核素可以产生出人工的放射性核素 激活或活化 反应 通常把稳定的核素吸收一个中子后转变成放射性核素的过程把生成的放射性核素叫做活化产物 感生放射性 活化产物要进行 衰变 活化产物衰变时产生的放射性称为感生放射性 3 23 2020 47 反应堆一回路水中的稳定同位素16O 氧 吸收中子 同时发射出质子 产生出放射性核素16N 氮 16N原子再进行 衰变 并发出 射线 变成稳定的16O原子 即 16O 16N 16O 16N是活化产物 它们衰变产生的 射线即为感生放射性 3 23 2020 48 反应堆中易被活化 冷却剂 腐蚀产物 部分结构材料 Mn Fe Co等 反应堆运行期间 系统周围的辐射水平主要由N16贡献 停堆后则由活化腐蚀产物引起 3 23 2020 49 核安全公约 国家报告腐蚀产物由冷却剂携带 在通过堆芯时被活化 是核电厂的一种主要辐射源 为减少腐蚀产物的产生和控制其在回路的分布和沉积 在设备设计时应该考虑 与反应堆冷却剂接触的材料具有抗腐蚀性 并且钴的含量尽可能地低 制定反应堆冷却剂的化学规格 关注材料表面状况和表面清洁度 3 23 2020 50 指数衰减规律N N0e tN0 t 0 时放射性原子核的数目 N 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质有关 与外界条件无关 数值越大衰变越快 放射性核素的衰变规律 2 5放射性衰变的规律 3 23 2020 51 衰变常数 意义 单位时间内每个核衰变的几率 单位 秒 1或天 1例 32P 5 6 10 7秒 160Co 4 169 10 9秒 1 越大 该核素越不稳定 因此 32P比60Co活跃些 3 23 2020 52 半衰期T 母核数目衰变掉一半所需时间 或放射性活度减弱一半所需时间 T也是放射性核素特征量 也表示放射性随时间衰减的快慢 T与 成反比 t T时 N N0 2 半衰期差别很大 短的不到1s 长的达到1015y 3 23 2020 53 半衰期T 3 23 2020 54 常用的放射性核素的T1 2 3 23 2020 55 部分核素的放射性半衰期 3 23 2020 56 衰变常量 半衰期T之间的关系 任何一个都可以作为放射性核素的特征量 实验表明 原子核的放射性是原子核自身性质的反映 其特征量以及所遵从的规律不受外界条件 如温度 压强和磁场等 的影响 也不会由于核是处于单质中或是处于化合物中而有所变化 3 23 2020 57 应记住7个半衰期后 活度减为初始活度的约1 10个半衰期后为0 1 3 23 2020 58 3 辐射测量和辐射防护中常用的物理量 3 23 2020 59 3 1 1定义放射性核素在单位时间内发生核衰变的数目 即衰变率 称为放射性活度 用符号A表示 A dN dt 3 1放射性活度 3 1 2单位国际制单位 次衰变 秒 国际专用名 贝可 Bq 1Bq 1次衰变 秒 3 23 2020 60 3 2吸收剂量和吸收剂量率 3 2 1吸收剂量 D 定义 对于任何一种电离辐射 授予某一受照物质的能量 E 除以该受照物质的质量 m 即 D dE dm国际专用名 戈瑞 Gy 3 23 2020 61 3 2 2吸收剂量率 D 定义 是指单位时间内的吸收剂量单位 戈瑞 秒 Gy s 3 23 2020 62 3 3当量剂量和当量剂量率 相同的吸收剂量未必产生同等程度的生物效应 因为生物效应受到辐射类型 剂量与剂量率大小 受照条件及个体差异等因素的影响 即使受到相同数量的吸收剂量的照射 因为射线种类和辐照条件不同 其所致的生物效应无论其严重程度还是其发生几率皆不相同 为了用同一尺度表示不同射线对机体所产生的生物效应大小 在辐射防护中 使用了当量剂量概念 3 23 2020 63 两只双胞胎雄性狗 它们的体质状况完全相同并互为对照 一只狗受到 射线全身照射的吸收剂量为12Gy 而另一只狗受到中子 能量100keV 全身照射的吸收剂量为12Gy 从表面观察两只狗的吸收剂量相同 临床表现 1 受照射后2只狗均出现呕吐和腹泻 但受到中子照射的狗临床症状出现更早 并伴有皮肤出血点和便血 2 2只狗均诊断为急性放射病 受到中子照射的狗经抢救无效死亡 而 射线照射的狗存活 问题 为什么吸收剂量相同但产生的生物效应不同呢 3 23 2020 64 3 3 1当量剂量 H 定义 在要研究的组织或器官中某一点处的剂量当量H为H D QD 诱发损伤位置上的吸收计量 戈 Q 与该位置相对应的辐射品质因数 H 剂量当量 SI单位为焦耳每千克 单位的专门名称为希弗 用符号Sv表示 3 23 2020 65 3 23 2020 66 3 3 2剂量当量率 H 单位时间内剂量当量的增量 称之为剂量当量率 H H t单位 希弗 秒 Sv s 3 23 2020 67 3 4有效当量剂量 HE 有效当量剂量是考虑人体组织或器官发生的辐射效应为随机效应时 全身受到非均匀照射的情况下 人体各器官或组织所接受的平均剂量当量与相应的权重因子的乘积之总和 即式中 H有效为有效剂量当量 HT为人体内器官或组织T所接受的平均剂量当量 3 23 2020 68 WT为相应器官或组织的权重因子 它表示器官或组织T受电离辐射照射时产生随机效应的几率与全身受到均匀照射时产生的随机效应的几率之比值 因此 是一个无量纲因子 有效剂量当量的SI单位与剂量当量相同 即希弗 Sv 3 23 2020 69 组织权重因子 WT GB18871 2002 IAEANo115 ICRP60 3 23 2020 70 例 甲骨表面接受0 3Sv的剂量当量 而乙骨表面受0 2Sv的照射 同时肝脏又受到0 1Sv的照射 哪个人危险更大些 3 23 2020 71 有效剂量当量是一个很重要的概念 它是一个度量体内或体外照射源 无论是均匀照射还是非均匀照射 造成的健康效应发生率的指标 用来评价电离辐射对人体的总的损伤程度 当量剂量与有效剂量是供辐射防护用的 包括粗略地评价危险之用 它们只能在远低于确定性效应阈值的吸收剂量下提供估计随机性效应概率的依据 使辐射防护走向定量化 3 23 2020 72 3 6集体当量剂量 S 在环境放射性中 人们经常须对环境辐射给予某一群体的危害作出科学的评价 当某一核设施向环境排放放射性废物时 人们就要对排放的放射性三废给公众造成的剂量当量作出估计 以评价该群体受影响的程度 须采用 集体当量剂量 的概念来评估 其定义是 3 23 2020 73 式中 S为集体剂量当量 Hi为受照群体第i组成员每人全身或者任一特定组织受到的平均剂量当量 Pi为群体中第i组中的人数 由上式可见 辐射给予某一群体产生的效应是各个单一组分所受的当量剂量之总和 当量剂量与集体当量剂量的区别在于 前者用于单个生物体 后者则用于群体 集体剂量当量的国际单位为人 希弗 符号为man Sv 3 23 2020 74 人类生活中的放射性 3 23 2020 75 4 1天然放射性 天然放射性主要来自以下几个方面 宇宙辐射 陆地上的辐射源 空气中的放射性 人体内的放射性 3 23 2020 76 宇宙射线 大气层 地面 O2 N2 H2O 3H 14C 7Be 22Na 3 23 2020 77 正常本底地区天然辐射源致人体的年有效剂量 3 23 2020 78 世界天然辐射高本底地区 UNSCEAR2000 3 23 2020 79 世界天然辐射高本底地区 续 a包括宇宙辐射和陆地辐射 3 23 2020 80 我国部分 辐射较高的地区 注 1 测量次数 所列数据为二次测量均值 2 土壤采样点的原野 剂量率值 3 包括了计马石2个样品和相邻地区2个样品 4 地质结构 除降札温泉为铀矿矿脉外 其余均为燕山期花岗岩 3 23 2020 81 生活在高海拔地区或上述高本底地区的居民会受到较高的外照射剂量 居住在通风不良的室内居民也会受到较高的内照射剂量 这主要是氡的贡献 天然辐射源所引起的全球居民的年集体有效剂量的近似值为107人 Sv 天然本底照射的特点是它涉及到世界的全部居民 并以比较恒定的剂量率为人类所接受 所以可将天然辐射源的照射水平作为基准 用以与各种人工辐射源的照射水平相比较 3 23 2020 82 人们关注室内氡浓度 根据2000年UNSCEAR估计 在世界 正常 本底地区每年由于吸入氡及其短寿命子体产生的辐射剂量约占人类所受全部天然辐射年有效剂量的一半 1 25mSv 由于室内氡浓度较高 人们在室内停留时间比在室外长 因此对室内氡及其子体的水平测量以及它们对健康的影响问题 越来越引起人们的关注 3 23 2020 83 资料 全国政协科教文卫体委员会 中国癌症基金会编撰的 癌症的科学与实践 最高发的癌症依次为肺癌 乳腺癌和结直肠癌 我国癌症死亡率已居死亡首位 死亡率最高的癌症依次为肺癌 肝癌 胃癌 食管癌及结直肠癌 北京每年新增2万名癌症患者 全国220万 肺癌居第一 其次是结直肠癌和肝癌 3 23 2020 84 2004 2010 中国癌症预防与控制规划纲要 中 肺癌 肝癌 胃癌 食管癌 结直肠癌 宫颈癌 乳腺癌和鼻咽癌被列为重点防治的癌症 这8种癌症死亡约占中国癌症总死亡人数的80 以上 自上世纪70年代以来 癌症死亡在我国一直呈持续增长趋势 目前癌症死亡已位居我国各类死因的第一位 如不加以控制 20年内癌症死亡人数将上升1倍 2005年有60万人死于肺癌 肺癌已成为我国致死率首位的恶性肿瘤 目前 北京的所有恶性肿瘤发病统计中 肺癌发病率和死亡率均居首位 同时 据全国肿瘤防治研究办公室提供的数字 目前肺癌发病已普遍提前5至10岁 3 23 2020 85 室内瞬时氡浓度随时间的变化 早晨 04 00 07 00 的氡浓度明显高于一天中的其他时间 最高值在06 00前后 在83个小时的持续监测中观测到的最大浓度是最低浓度的5 6倍 在18 00 24 00期间氡浓度比较稳定 且接近一天的平均值 室内瞬时氡浓度随大气压力的变化而变化 当大气压力降低时 原来在土壤 建材等材料孔隙中的氡与外界大气压力于压力平衡状态的氡会大量释放到室内 引起室内氡浓度的增加 大气压力下降1 时 大约会使室内氡浓度增加1倍以上 3 23 2020 86 我国居室中氡浓度 潘自强 辐射防护的现状和未来 原子能出版社1997 UNSCEAR2000 尚兵王作元高印平等 中国甘肃东部地区居民窑洞中的氡浓度辐射防护15 6 461 1995 3 23 2020 87 资料 C 14的考古应用中子和大气中的氮原子核发生碰撞 打出质子 同时产生出碳 l4 碳 l4的半衰期是5568年 地球上的植物都要摄取以二氧化碳形式存在的碳元素 才得以不断地同化 生长 繁殖下去 而地球上的动物又是靠着食取植物而生存的 因此 动植物体内所含的碳 l4的浓度必然也是达到一定的平衡值 透过测定知道地球上的生物活体中所含的碳 l4浓度为16ppm 当动植物体死亡以后 体内碳 l4的浓度就要发生变化 因为它与外界的交换完全隔绝 不再摄取二氧化碳气体 也就不会再增加新的碳 14 相反 从这时起 生物体内原先含有的碳 14的浓度却要按照5568年的半衰期一半 一半地不断减少下去 就是说 历史时钟 的定时器这时已经拨好了 透过测定碳 l4的浓度就可以进行多种多样的测定工作 比如 远古时代的木材 人体遗骨年代的测定 动植物化石或煤炭的年代测定等等 此外 古代发生的巨大地质变化 例如火山爆发 大地震或山洪爆发等自然现象究竟是什么时代发生的 只需要找到当时被埋没的树木等遗骸 透过类似的测定 就可以获得准确的结论 由于碳 l4的半衰期是5568年 所以 上述方法适合于测定五百年以前到三万年以内的这一段时间 例如我国对楼兰女尸 罗布泊纸的年代鉴定等就是采用的碳 l4 3 23 2020 88 4 2人工放射性 人工放射性主要来自以下几个方面 医疗照射 职业照射 公众照射 3 23 2020 89 人类生活方式对辐射水平的影响 3 23 2020 90 人工辐射源 在人工辐射源中 对人类照射剂量贡献最大的是医疗照射 医疗照射 X光拍片 CT检查 牙科摄影 远距治疗 近距治疗 服用或注射放射性药物等 核燃料循环 铀矿开采 水冶 同位素分离 元件制造 反应堆运行 乏燃料处理 核技术应用 射线探伤 测厚计 料位计 密度计 水份计 静电消除器 伦琴荧光分析仪 消毒 其它人工辐射源 电视机 夜光表 荧光灯 眼镜 假牙 香烟 钋弹 燃煤等 3 23 2020 91 资料 胶带可产生X射线胶带不仅仅是包装礼品的一个理想选择 同时也可以产生X射线 在从卷筒上剥离时 胶带会放射出微弱的光线 这种现象被称之为 摩擦发光 上世纪50年代 前苏联研究人员得出一个惊人结论 剥离胶带过程也同样会放射出X射线 3 23 2020 92 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 医疗辐射 3 23 2020 93 全世界医用X射线检查的频率 有效剂量和集体剂量 1991 1996 3 23 2020 94 全世界医用X射线检查的频率 有效剂量和集体剂量 1991 1996 续 3 23 2020 95 1989在中国的医学检查所致的当量剂量 3 23 2020 96 反应堆运行 大气 Kr Xe