В мире растут опасения, что в ближайшее время боевые действия могут привести к катастрофе на Запорожской АЭС новую катастрофу, которая приведет к значительному радиационному загрязнению территории Европы и не только. В космосе также много ионизирующего излучения, которое угрожает астронавтам. Однако между тем, чего нужно бояться в первом и во втором случае, есть существенная разница.
Любая ли радиация смертельна?
Сам термин «радиация» в том виде, в котором его употребляют в большинстве случаев, абсолютно неправильный. Это латинское слово означает всего лишь «излучение». В физике им обозначают любые частицы, что вылетают из определенного источника. В этом плане свет от Солнца тоже является радиацией, хотя обычно никто не считает его страшным.
То, чего все не без причины боятся, правильно называть ионизирующим излучением. К нему относятся все частицы, которые имеют энергию, выше чем 10 электрон-вольт. При столкновении с веществом они способны разрушать химические связи, превращая молекулы в ионы, откуда и происходит название.
К ионизирующему излучению относят потоки протонов, нейтронов, мюонов, электронов и даже некоторых ионов — например, α-частиц, то есть ядер гелия. А также высокоэнергетическая часть электромагнитного спектра: «жесткое» ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Эти виды радиации действительно могут нанести много вреда.
Доза радиации
Однако, с потоками заряженных частиц не все так просто. Энергия, которую несет в себе каждая отдельная частица, не может привести к каким-то фатальным последствиям в такой большой системе, как организм человека. Здесь ключевое значение имеет то, какое количество энергии от ионизирующего излучения поглотил объем материала за определенное время. Эту величину в общем случае называют дозой радиации.
Но и она еще не является решающей. Количество и энергетический спектр частиц ионизирующего излучения меняется хаотично. К тому же не всю свою энергию они передают веществу. Поэтому существует сразу несколько разных доз.
Первая из них — экспозиционная. Она является мерой того, насколько излучение ионизирует молекулы сухого воздуха. Поскольку ионы являются заряженными частицами, то сам процесс, по сути, является накоплением заряда. Следовательно, экспозиционная доза определяется как суммарный заряд, которого в результате облучения приобрели ионы воздуха в одном его килограмме, и измеряется в кулонах на килограмм. Хотя намного чаще можно встретить совсем другую единицу измерения — рентген. Он равен 2,58⋅10⁻⁴ Кл/кг.
С этой дозой люди сталкиваются чаще всего. Каждый раз, когда в прогнозе погоды нам сообщают, что радиационный фон составляет какое-то количество микрорентгенов в час, мы узнаем именно экспозиционную дозу, которую получает воздух определенного региона за единицу времени.
Однако твердые тела, в том числе и человеческие, поглощают ионизирующее излучение не так, как газы. В них начальный импульс от попадания частиц приводит к запуску ряда процессов, которые довольно сложно учесть. Поэтому к ним применяют другую дозу — поглощенную. Она определяется как количество энергии, которую излучение передало единице массы тела. Основная единица измерения такой дозы — грей, который равен одному джоулю энергии на килограмм массы. Также используется рад, который составляет сотую долю грея.
Какая доза безопасна?
Но когда речь заходит о влиянии радиации на живые существа, используется третья доза — эквивалентная. Ее появление вызвано тем фактом, что разные виды ионизирующего излучения при той же энергии по-разному влияют на материалы, которыми поглощаются. Чем тяжелее частица, тем больше вреда она наносит.
Поэтому эквивалентная доза определяется как поглощенная, умноженная на определенный коэффициент. Для фотонов ультрафиолетового, рентгеновского и γ-излучения, а также электронов и мюонов он равен единице. То есть для них эта величина равна поглощенной дозе.
Для тяжелых протонов этот коэффициент равен 2, а для α-частиц — вообще 20. Для нейтронов же он переменный и варьируется между 2,5 и 20,7. Численно же эквивалентная доза также измеряется в джоулях на килограмм, только здесь эта единица называется зивертом. Существует также внесистемная единица — бер (биологический эквивалент рентгена), который равен сотой доле зиверта.
Именно про эквивалентную дозу в зивертах (обозначаются Зв) — точнее, в миллизивертах — обычно говорят, когда идет речь о вреде здоровью, который человек может получить в результате посещения рентген-кабинета, полетов в космос или аварии на атомных электростанциях.
Считается, что каждый человек на Земле в среднем получает 3 мЗв радиации в год, хотя некоторые люди могут получать значительно больше. Эта радиация накапливается в течение жизни. Вероятно, некоторые недуги, возникающие в старости, связаны именно с фактом этого естественного облучения, однако мы от него никуда не денемся.
А вот ускорить наступление этих болезней в результате пребывания рядом с источниками ионизирующего излучения вполне возможно. Поэтому люди, чья деятельность с ними связана, тщательно следят за тем, как растет накопленная ими доза.
Однако бывают и совсем экстремальные случаи, когда интенсивность ионизирующего излучения становится настолько большой, что может вызвать мгновенное поражение организма. Тогда говорят о четвертой дозе излучения — эффективной.
Во многих случаях даже радиационный фон измеряют в зивертах на час. Источник: Википедия Как и две предыдущие, она измеряется в зивертах, но определяется отдельно для каждого органа человеческого тела. Связано это с тем, что при сильном облучении возникает огромное количество ионов, которые запускают абсолютно аномальные цепочки биохимических реакций, и орган каким-то уникальным образом начинает разрушать себя сам.
В совсем критических случаях наблюдается явление наведенной радиоактивности. В результате действия ионизирующего излучения атомы, поглотившие его энергию, сами становятся источником опасного излучения. В таком случае почти всегда все заканчивается острой лучевой болезнью и быстрой и болезненной смертью.
Именно поэтому определение безопасной дозы радиации для конкретного человека — крайне сложная задача. Ученые более-менее понимают, в каких случаях тяжелые смертельные болезни являются практически неизбежными. А вот что касается влияния малых доз, то до сих пор ведутся исследования. Считается, что при накоплении 1 Зв возникает лучевая болезнь, 4 Зв убивают человека быстро и с высокой вероятностью, а от 8 Зв смерть наступает гарантированно.
Радиация в космосе
Ионизирующее излучение является одним из главных препятствий в освоении космоса. Оно там повсюду. Большую его часть поглощает атмосфера Земли, благодаря чему из наших 3 мЗв в год только 0,39 мЗв мы получаем от космических лучей. А вот уже для пилотов пассажирских лайнеров эта величина может достигать 2,2 мЗв.
Астронавты же на МКС получают дозу, в 200 раз большую, чем люди на Земле — 0,5-0,7 Зв на сутки. Несколько лет, проведенных на орбите — и в организме накапливается тот самый 1 Зв, после которого врачи начинают видеть признаки лучевой болезни.
И все это — в условиях относительно безопасной в плане ионизирующего излучения области Вселенной. В ней есть значительно опаснейшие места — например, радиационные пояса планет-гигантов, окраины нейтронных звезд и черных дыр. Там интенсивность излучения настолько велика, что всего за несколько секунд можно получить смертельную дозу.
Особенностью радиации в космосе является то, что высокоэнергетических частиц в вакууме всегда много, и они представлены всеми видами — от фотонов до ядер гелия и даже более тяжелых элементов. Источники их излучения преимущественно расположены очень далеко, хотя их тоже чрезвычайно много. Наиболее близкое из них — Солнце.
Для астронавтов на околоземной орбите наше светило представляет наибольшую опасность. Ведь на нем происходят взрывы, которые часто «запускают» в сторону нашей планеты не только электромагнитные волны, но и те самые α-частицы, которые по подсчету эквивалентной дозы имеют коэффициент 20. К счастью, большинство из них хорошо поглощается корпусами космических кораблей и орбитальных станций.
А вот высокоэнергетическое электромагнитное излучение задержать очень сложно. Как эта проблема будет решена в будущем — пока непонятно. Возможно, удастся изобрести эффективные средства его экранирования, а может быть, нам помогут лекарства, которые предотвратят развитие лучевой болезни, или сама ДНК людей будет изменена таким образом, чтобы они могли жить в космическом пространстве.
Что произойдет во время аварии на АЭС
На первый взгляд, во время аварии на атомной электростанции — неважно, будет она вызвана ошибкой, или злыми умыслами — мы все окажемся в роли астронавтов. Вокруг будет куча радиации, и всем нам придется что-то с этим делать. Однако на самом деле существует ряд существенных различий.
В отличие от космоса, на Земле есть окружающая среда — грунт, вода и воздух. Она в определенной мере поглощает радиацию. Поэтому рассеивание частиц не будет бесконечным. Ионизирующее излучение будет иметь достаточно локальное распространение вокруг его источника.
Проблема заключается в самих источниках. Ими является все, что содержится внутри реактора: ядерное топливо, продукты его распада, даже трубы и конструкционные материалы имеют определенную наведенную радиоактивность. Что бывает, когда все это разлетается по большой территории — мы уже видели на примере Чернобыльской катастрофы. Там, где в землю попали куски радиоактивных изотопов, счетчики радиационного фона начинают сходить с ума через много лет после аварии.
Сидеть на земле в таких местах крайне опасно для здоровья, ведь именно здесь рождается огромное количество высокоэнергетических частиц. Как много? Это показывает физическая величина, называемая радиоактивностью. Ее мерой является беккерель — одно событие распада атома в секунду. Как правило, при этом происходит рождение одной радиоактивной частицы.
Так вот, один грам урана-235, который используется как топливо на атомных электростанциях, имеет радиоактивность в 80 килобеккерелей. То есть в секунду его крошечная крупица рождает 80 тыс. радиоактивных частиц. И значительная их часть достанется человеку, который стоит или сидит рядом.
Однако может быть и худший вариант — когда радиоактивный материал попадает внутрь организма через дыхательные пути или желудок. В этом случае он может годами находиться в каких-то органах, и тогда все высокоэнергетические частицы достанутся этому человеку. Беккерели напрямую переходят в зиверты.
Катастрофы может не случиться
Собственно, в случае аварии на АЭС все специалисты боятся именно распространения радиоактивных материалов. Однако сделать это в случае Запорожской АЭС не так просто, как в случае Чернобыльской. Реакторы ВВЭР-1000, работающие на ней, просто не могут взорваться так, как это было в 1986 году. Тогда разрушение вызвал взрыв трубопроводов с перегретым газом, который и разрушил реактор в условиях, когда реакцию в нем не удалось остановить.
Шесть реакторов ВВЭР-1000 Запорожской атомной электростанции Шесть реакторов ВВЭР-1000 Запорожской атомной электростанции. Источник: Planet Labs В случае ВВЭР-1000 такая ситуация просто не может возникнуть. Даже если по каким-то причинам остановится система охлаждения (что даже специально сделать не так просто), то реактор не взорвется, а расплавится. И даже в этом случае угроза выхода радиоактивных веществ за его пределы будет минимальной. Дело в том, что этот тип — в отличие от реакторов РБМК, установленных на Чернобыльской АЭС — имеет прочный корпус, специально рассчитанный на то, чтобы удерживать в себе опасные материалы на случай аварии.
