Radioactiviteit en risico`s

Radioactiviteit en
risico's
Frits F.M. de Mul
10 mei 2011
Radioactiviteit en Risico's
Frits de Mul, 10 mei 2011
Atoomopbouw
deeltjes
massa
lading
In kern
protonen
neutronen
1
1
+1
0
in schillen
electronen
≈0
-1
– extra
positronen
≈0
1
Soorten straling
Waar schade
– Deeltjes:
Electronen (e , β ) , positronen (e , β ),
protonen en neutronen
Lokaal, geringe
diepte
– EM-straling
(fotonen):
γ-straling (uit kern)
Rö-straling, UV …. IR (uit schillen)
verspreid over
volume
-
-
+
+
Grootheid
Eenheid
A: Activiteit
T1/2 : halveringstijd
H: (Equivalente) dosis
w: weefselweegfactor
E: Effectieve dosis
Bq
(desintegraties/sec)
Sv
(J/kg in weefsel)
Sv
(J/kg in weefsel)
Dosisgegevens
Getalwaarden
Natuurlijke achtergronddosis (Ned.)
Extra dosis t.g.v. medische diagnostiek
totaal per jaar
Levensdosis (Ned.) voor 75 jaar
2 mSv/jaar
0.6 mSv/jaar
2.6 mSv/jaar
190 mSv
Limieten
–
–
–
–
Blootgestelde werknemers (A-categorie)
idem (B-categorie)
andere werknemers en bevolking
zwangeren
20 mSv/jaar
6
1
1
Effecten van straling
voorbeelden
– Kansgebonden
– leukemie, tumoren, genetisch (?):
– Deterministisch
–
–
–
–
staar (> 0.5 Sv)
(tijd.) steriliteit (> 1 Sv)
stralingsziekte (> 3 Sv)
syndromen (> 2 Sv)
5 % per Sv
131I (I-131)
- Isotoop van jodium (net als I-125, I-127 …. )
Radioactiviteit
en risico’s
- Radioactief, vervalt naar ander nuclide (Xenon)
- Zendt β--deeltjes (electronen) uit,
- en ook γ-straling (fotonen)
- Deze straling kan schade toebrengen
- Halveringstijd: 8 dagen (fysisch)
Frits de Mul
2011
Wat betekent dat ?
1
2
Ioniserende Straling
Ioniserende straling
Inhoud
Straling die ionisaties kan veroorzaken in
het bestraalde medium
1. Atoombouw: protonen, neutronen, electronen, positronen
Deeltjesstraling
2. Radioactief verval
Geladen deeltjes (elektronen e-, β-, positronen e+, β+,
4. Bundelverzwakking en halveringsdikte; transmissie
Ongeladen deeltjes (neutronen etc)
5. Dosimetrie: equivalente en effectieve dosis; sievert
Electromagnetische (EM) straling
3. Activiteit en halveringstijd; becquerel
protonen p , alpha-deeltjes α, etc)
6. Bestraling (uitwendig) en besmetting (inwendig/uitwendig)
7. Chernobyl: oorzaken en gevolgen.
Fotonen uit atoomkern: γ-straling
Fotonen uit elektronenschillen:
röntgenstraling…. ultraviolet....
8. Japan (onder voorbehoud)
3
4
Het atoom
Het atoom
Kern :
131
53 I
protonen en neutronen
kern
deeltje
massa
lading
proton
1u
+1 e
neutron
Electronenschillen
electron
positron
1u
0.0005 u
0.0005 u
0
A
Z
Voorbeelden: (
￭ A: Z+N = 131: massagetal
￭ N: aantal neutronen (=131-53 = 78)
p=protonen;
1p 0n
H= p
= proton (waterstof – hydrogenium : stabiel)
1p 1n
2
1
H = 21 D
= deuteron (zwaar waterstof – deuterium : stabiel)
1p 2n
3
1
H = 31T
= triton (superzwaar waterstof – tritium : instabiel)
2p 1n
3
2 He
4
2 He
1
1
n=neutronen)
1
1
2p 2n
u = massa-eenheid; e = ladingseenheid
￭ Z = 53: aantal protonen (lading) = atoomnummer
Protonen stoten elkaar af;
Neutronen zorgen voor “lijm”.
-1 e
+1 e
X
= helium: stabiel
= helium: stabiel
= 24α
= alpha-deeltje
6
1
Jodium
131
53
Het atoom
￭ 53 protonen in kern
￭ 131 = massa kern
￭ 78 neutronen in kern (=131-53)
I
A
Z
Nuclide van element X met atoomnummer Z
en massagetal A:
bv. 131
53 I
X
= Atoomnummer
Z: aantal protonen (lading)
N: aantal neutronen
Jodium = element nr 53 in periodiek systeem
A: Z+N
Jodium heeft 30 isotopen:
Belangrijkste:
(T1/2 = halveringstijd)
￭ 123I: T1/2 = 13.2 uur; gamma-emitter ( diagnose)
￭ 125I: T1/2 = 59.4 dagen; positron-emitter
￭ 127I: stabiel.
￭ 129I: T1/2 = 16 miljoen jaar; electron+gamma -emitter
￭ 131I: T1/2 = 8.0 dagen; electron+gamma –emitter ( therapie)
= Massagetal
Bijvoorbeeld:
4
2
16
8
He =α
12
6
O
14
6
C
C
￭ Z: bepaalt soort atoom en chemische activiteit
￭ Verschillende nucliden met zelfde Z en andere A heten isotopen
￭ Een neutraal atoom bevat ook Z electronen (in de schillen)
￭ Een atoom kan door ionisatie electronen uit de schillen kwijtraken.
￭ Het vermelden van Z is eigenlijk overbodig.
De isotopen verschillen in aantal neutronen in kern
7
8
Nuclidenkaart
Hoeveelheid in lichaam Gebruik van C-14 als ouderdomsdatering
12
6
Teveel protonen
Stabiel
Teveel neutronen
Tijdstip van
overlijden
C
7
4
Halveringstijd
6
3
14
6
C
33
1
0
5730 j
1
Li Li 8 Li 9 Li
4
H
2
0
1
Be10 Be11Be
7
6
He He
2
(1/2)
9
Be
He
3
H H
Tijd Verhouding C-14 / C-12 is een maat voor
de verstreken tijd na overlijden.
2
4
3
5
6
7
Aantal neutronen N
9
Nuclidenkaart
Teveel protonen
proton → neutron
Z → Z-1
N → N+1
Positron-verval
Z → Z-2
N → N-2
Alpha-verval
10
Röntgenstraling uit toestellen
Teveel protonen
èn neutronen
-
+
Hoogspanning (30-200 kV)
kathode (-)
Gloeispanning
(ong. 10 V)
neutron → proton
Z → Z+1
N → N-1
Electron-verval
electronen →
Röntgenstraling
Teveel neutronen
Te weinig protonen
anode (+)
filter
Door verwarming worden electronen uit de kathode
vrijgemaakt en naar de anode versneld.
Ze treffen daar de atomen van de anode……..
11
FdM
2
Röntgenstraling uit toestellen
Stralingsschade
In de anode worden de binnenkomende electronen
afgebogen en afgeremd door atoomkernen
electron
remstraling =
Röntgenstraling
+
Bij afremmen deeltjes
ontstaat straling (net
als bij Noorderlicht)
Soort straling
Doordringend
vermogen
Waar schade?
Effect
Deeltjes
(α, β+, β-)
Gering
(<≈ cm’s)
Alles ≈ ter
plekke
Inwendig
(besmetting)
Fotonen
(Rö, γ)
Groot
(meters)
Gespreid over
volume
Uitwendig
(bestraling)
131I
zendt zowel β’ s (electronen) als γ’ s uit.
γ : overschot aan energie, in de vorm van fotonen.
￭ β ’s : dracht in weefsel: ≈ 0.3 cm max. alleen schildklier
￭ γ ’s : halveringsdikte in weefsel: ≈ 30 cm omgeving
FdM
Activiteit
Activiteit
Als verhouding aantal protonen/neutronen "ongunstig",
dan nuclide instabiel
“ongunstig” :
Activiteit A : aantal kernen dat per seconde vervalt
Eenheid A: becquerel (Bq)
verhouding >> of << 1.
1 Bq = 1 /s (één desintegratie per seconde)
Instabiele kernen vervallen onder uitzending van een
radioactief deeltje (“desintegratie”)
Oude eenheid: 1 Ci (curie) = 3.7 x 1010 /s
Activiteit A : aantal kernen dat per seconde vervalt
Vraag:
a.
b.
c.
d.
Eenheid A: becquerel (Bq)
1 Bq = 1/s (één desintegratie per seconde)
100 Bq =
6000 desintegraties/minuut
60 desintegraties/minuut
100 desintegraties/minuut
1000 desintegraties/minuut
Antwoord: a.
16
Activiteit
Intermezzo
Kunnen we berekenen hoe de activiteit verloopt in de tijd?
￭ 1 kBq = 1000 Bq
￭ 1 MBq = 1.000.000 Bq = 1000 kBq
￭ 1 GBq = 1.000.000.000 Bq = 1000 MBq
Voorbeeld: stel aantal kernen N = 1000, verval = 0.1 per sec
10 %
Vraag: hoeveel % vervalt elke seconde?
Vraag: zijn na 10 s alle kernen vervallen?
￭ 1 kBq = 103 Bq
￭ 1 MBq = 106 Bq
￭ 1 GBq = 109 Bq
￭ 1 mBq =
￭ 1
Dus over:
na sec. 1: 900,
na sec. 2: 810,
na sec. 3: 729 …..
Bq
µBq = 10-3 mBq = 10-6 Bq
aantal aanwezige kernen
1000
telkens vervalt
10% van de
dan aanwezige
kernen.
￭ 1 mBq = 0.001 Bq
￭ 1 µBq = 0.001 mBq = 0.000.001 Bq
10-3
1100
Antwoord:
900
halveringstijd
T1/2 = 6.9 s
800
700
600
500
werkelijk verval
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
35
tijd (sec)
17
3
Verval
Aantal kernen N(t) →
Stel:
Verval
N0 = 1000 kernen op tijdstip t = 0
N0
• Voorbeeld:
T1/2 =
halveringstijd
• halveringstijd T1/2 = 8 dagen
• Na 1 x 8 dagen over: 1/2
• Na 2 x 8 =16 dagen over: 1/4 = 1/22
½N0
• Na 3 x 8 =24 dagen over: 1/8 = 1/23
• ……………….
¼N0
• Na 10 x 8 = 80 dagen ≈ 3 mnd. over: 1/1024 = 1/210
• ……………….
0
2T½
T½
3T½
• Na 20 x 8 = 160 dagen ≈ ½ jaar over: ≈ 1/1.000.000 = 1/220
4T½
Tijd t →
20
Verzwakking door materialen
Activiteit
•
Vraag :
De grote boosdoener na Chernobyl was 131I (T1/2 = 8 dagen,
transport en neerslag via aerosolen en damp) dat vooral naar de
schildklier migreerde (mede wegens een endemisch jodiumtekort).
Vooral bij kinderen geboren vóór de ramp (in 1986) leverde dat
problemen.
Waarom was dat bij kinderen die erná geboren zijn, veel minder het
geval? De grond was toch besmet?
a.
b.
c.
d.
Het jodium werd stevig gebonden aan mineralen in de grond.
De activiteit nam zeer snel af.
Er werden snel jodiumtabletten verstrekt.
Alle pasgeborenen werden grondig gecontroleerd en eventueel
direct behandeld.
Intensiteit: bv. I0 = 1000 deeltjes/fotonen per sec;
valt op afschermingsplaat. Hoeveel komt erdoorheen?
I0
Intensiteit →
•
•
131I:
d1/2 =
halveringsdikte
½I0
¼I0
0
Antwoord: b.
21
2d½
3d½
Dikte d →
Rö- en gamma-bundelverzwakking
Bundelverzwakking
• Voorbeeld:
Plaat afschermingsmateriaal
met halveringsdikte d1/2 = 5 cm.
￭ Achter 5 cm: over
￭ achter 10 cm:
￭ Achter 15 cm:
d½
1/2 = 1/21 : transmissie = 50%
1/4 = 1/22
25%
1/8 = 1/23
12.5%
23
•
Voor verzwakking is dichtheid van het materiaal belangrijk:
•
Indien dichtheid = 2 x , dan halveringsdikte
•
Vb.
•
•
•
Dus:
1 km lucht geeft zelfde verzwakking als 1 m water
(nl. ≈ 100 - 1000 x , afhankelijk van de energie).
•
•
•
•
Dus 2 km lucht (of 2 m water):
verzwakking ≈ 10.000 - 1.000.000 x
Dus 3 km lucht (of 3 m water):
verzwakking ≈ 1.000.000 - 1.000.000.000 x
≈½x
Dichtheid lucht ≈ 1/1000 x dichtheid water.
4
Transmissie Rö door weefsel (5 cm dik)
50
Hoogspanning
(kV)
45
transm issie (% )
40
Contrast
(Verhouding
weefsel/bot)
10
> 1.000.000.000
35
20
> 1.000.000
30
30
1022
25
40
27
20
50
8
15
60
4
bot
10
zacht weefsel
5
0
0
50
100
150
200
Hoogspanning
( kV )
energieRö-toestel
(keV)
Dus:
80
2,6
100
2,2
150
1,8
200
1,7
300
1,6
Stralingsschade
en Dosimetrie
lagere hoogspanning beter contrast !!
Nodig voor (bv.) mammografie (veel zacht weefsel)
25
Wisselwerking: ionisaties
Stralingsschade
Ionisaties: straling slaat electronen los uit de atoomschillen.
Deze electronen gaan “zwerven” en beschadigen andere
atomen, totdat ze hun energie kwijt zijn (“stilstaan”).
Ionisaties in weefsel
￭ α
< 100
Aantal ionisaties
per mm diepte
µm
￭ β
Zeer groot
mm
Groot
￭ Rö
Matig
￭ γ
Gering
Soort straling
Doordringend
vermogen
Waar schade?
Effect
Deeltjes
(α, β+, β-)
Gering
(<≈ cm’s)
Alles ≈ ter
plekke
Inwendig
(besmetting)
Fotonen
(Rö, γ)
Groot
(meters)
Gespreid over
volume
Uitwendig
(bestraling)
131I
zendt zowel β’ s (electronen) als γ’ s uit.
γ : overschot aan energie, in de vorm van fotonen.
￭ β ’s : dracht in weefsel: ≈ 0.3 cm max. alleen schildklier
￭ γ ’s : halveringsdikte in weefsel: ≈ 30 cm omgeving
27
Dosimetrie
Jodium in het lichaam (niet-patiënt)
Hoe kwantificeer je de stralingsbelasting
van materialen en personen?
Toediening: 100 MBq via mond (ingestie)
Bloed: 100 MBq
Benodigde informatie:
30
Bij uitwendige bestraling: welke lichaamsdelen of organen?
27
Bij inwendige besmetting:
Door ingestie (eten/drinken) of inhalatie (inademen)?
Waar komt de besmetting terecht?
Hoe lang blijft de besmetting daar?
Hoeveel activiteit (in Bq)?
Hoeveel schade wordt berokkend? (welke maat?)
70
Schildklier: verblijf: 80 d
3
Uitscheiding
totaal ≈ 90 MBq
NB. Proces gaat door tot schildklier “verzadigd” is;
Daarna totale uitscheiding.
29
30
5
Jodium in het lichaam (niet-patiënt)
Effectieve halveringstijd in de schildklier:
Jodium in de schildklier (niet-patiënt)
Vat met water
activiteit in schildklier na 1000 MBq
inname
￭ Fysisch: 8 dagen
￭ Fysiologisch: 80 dagen
250
￭ Effectief:
≈ 7 dagen (dan ½ over)
200
Gat:
Leeg
in 8 d
150
Gat:
Leeg
in 80 d
100
Vraag:
Hoeveel % is over na 21 dagen?
50
0
a.
b.
c.
d.
3/7 = 43 %
1/8 = 12.5 %
1/21 = 5 %
1/3 = 33 %
0.25
2
4
6
verblijftijd (dagen)
Antwoord: b.
31
Cesium in het lichaam
Dosimetrie
Hoe kwantificeer je de stralingsbelasting
van materialen en personen?
Cesium verdeelt zich homogeen over het lichaam en
wordt langzaam weer uitgescheiden.
Effectieve halveringstijd van Cs-137 :
J/kg (joules per kg) = hoeveelheid energie,
gedeponeerd per kg materiaal
J/kg = mJ/g
(oud: 1 J ≈ 0.25 cal.)
￭ Fysisch: 30 jaar
￭ Fysiologisch: 10 %: 2 dagen
￭
90 %: 110 dagen
•Dosis
￭ Effectief: ≈ 20 dagen (dan ½ over)
•
(D)
Gy (gray) = J/kg
algemeen, materiaal
•Equivalente dosis
•
•Effectieve dosis
•
(H)
Sv (sievert) = J/kg
weefsel en organen
(E)
Sv (sievert) = J/kg
“total body”
33
34
Effectieve dosis: voorbeeld
Equivalente dosis
•
•
•
•
Voor weefsel wordt de equivalente dosis gebruikt
Equivalente dosis
sievert (Sv) = J/kg
•
NB. In het dagelijks spraakgebruik wordt het woord
“equivalent” vaak weggelaten.
Hand in Röntgenbundel:
huiddosis door Röntgenstraling: 1 Sv
Bereken de effectieve dosis
(= voor het lichaam-als-geheel: “total body”).
gegeven:
weefselweegfactor
whuid = 0.01 ( 1 % )
Weefselweegfactor = het percentage waarmee de orgaandosis
meetelt in de totale-lichaamsdosis (effectieve dosis)
Dosistempo: Sv/h, Sv/j
Equivalente dosis op de huid:
HT = 1 Sv
Effectieve dosis
E = 1 Sv × 0,01 = 0,01 Sv = 10 mSv
Het effect van (bv.):
- een dosis op de hand, en
- dezelfde dosis op de maag,
zal voor het lichaam-als-geheel niet hetzelfde zijn.
Vraag:
Is dit gevaarlijk?
Hoe wordt dit meegerekend?
35
36
6
Effecten van straling
Weefselweegfactoren wT
•
ICRP90
ICRP103
•
ICRP90
ICRP103
•gonaden
•beenmerg
•dikke darm
•longen
•maag
•blaas
•borst
•lever
•slokdarm
•schildklier
0,20
0,12
0,12
0,12
0,12
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0.08
0.12
0.12
0.12
0.12
0.04
0.12
0.04
0.04
0.04
•huid
•bot-oppervlak
•hersens
•speekselklieren
•overige
0,01
0,01
--0,05
0.01
0.01
0.01
0.01
0.12
•totaal
1,00
1.00
Effecten op cellen
ICRP 90 resp. 103: thans geldend, resp. voorgesteld.
Effectieve dosis (E)
(“total body”) sommeert de (gewogen)
bijdragen van alle bestraalde organen.
Stralingsbelasting
Effect op cel
risico
laag
Geringe beschadiging herstel
Geen
matig
Beschadiging radicalen mutaties in
DNA
Mogelijk
hoog
Ernstige beschadiging celdood
(apoptose)
Geen, mits niet
teveel cellen
Voorbeeld: 2 mSv op longen + 5 mSv op huid Effectieve dosis: 2 x 0.12 + 5 x 0.01 = 0.24 + 0.05 = 0.29 mSv.
37
Gemiddelde stralingsbelasting in
Nederland per jaar
Effecten van straling
soort effect
kans
ernst
dosis
voorbeeld
Kansgebonden
afh. dosis
100 %
alle
Leukemie,
genetisch(?)
(afh. toeval, kans)
Deterministisch
(“zeker”)
100 %
+drempel
!!
afh. dosis
>≈ 1 Sv
medisch
-
kunstmatig
Zie onder
-
lichaam (K-40)
uit de grond
-
natuurlijk: 2.0 mSv
kunstmatig+
medisch/ diagnostisch:
≈ 0.6 mSv
totaal: 2.6 mSv
bouwmaterialen
Deterministische effecten:
Cataract (staar)
Tijdelijke steriliteit
“Beenmergsyndroom” (bloedcellen)
Stralingsziekte (misselijk….)
“Maag-darm-syndroom”
“Centraal-zenuwstelsel-syndroom”
Dosis (Sv)
Sterftekans
> 0.5
>1
>2
>3
> 10
> 50
--< 50% in <1 maand
> 50% in <1 maand
< 1 week
< 1 dag
Ra in gebouwen
kosmisch
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Jaarlijkse effectieve dosis [mSv/jaar]
Per jaar: ong. 9000 uur; 2 mSv/jaar ≈ 0.2 µSv/h
40
Straling
uit de bodem
Straling
uit de bodem
< 0.3 mSv/j
0.2 mSv/jaar
> 1.0 mSv/j
0.7 mSv/jaar
NB. Gemiddelde
natuurlijke achtergrond
in Nederland:
2.0 mSv/j
NB. Gemiddelde
natuurlijke achtergrond
in Nederland:
2.0 mSv/j.
41
FdM
42
7
Gemiddelde jaarlijkse dosis door
natuurlijke straling
Voorbeelden van achtergrondstraling
Eff. dosis [mSv]
0
1
2
3
4
Lokatie / activiteit
5
6
7
Gemiddelde dosis
per jaar (mSv)
8
Wonen in Nederland
Wonen in Finland
Wonen in Guarapari (Brazilië)
Wonen in Madras/Kerala (India)
Ramsar (Iran; geneeskrachtige bronnen)
Strand Guarapari (Brazilië)
Bulgaria
Austria
Greece
Roumania
Finland
Yugoslavia
ChechoSlow.
Italy
Poland
Schwitzerland
Hongary
Norway
DDR
Sweden
W.Germany
Ireland
Luxemburg
France
NETHERLANDS
Belgium
Danmark
Gr.Brittain
Spain
Portugal
2
7
15
16
200
790
2 weken wintersport
Gevolgen Chernobyl in Ned. (1986)
Vliegretour New York
idem bemanning
Astronaut (90 dagen)
Tandfoto
100 kg voedsel met 600 Bq/kg Cs-137
Bron: World Nuclear Association
0,03
0.05
0,06
1-20
100
< 0,03
0,6
43
44
Medische stralingstoepassingen
Medische stralingstoepassingen
Bron: RIVM: Informatiesysteem Medische Stralingstoepassingen
Bron: RIVM: Informatiesysteem Medische Stralingstoepassingen
Nucl. geneeskunde
Interventies
HSG
(baarmoeder/eileiders)
mammo
1
Video-oeso
thorax bed 1R
0.8
MCUG (blaas/urine)
0.3
BDZ 2R (buikoverzicht)
0.6
BOZ 1R (buikoverzicht)
1.6
DDP (dunne darm
passage)
0.3
LWK 2R (lumbale wervelk.)
5.8
0
2
4
6
8
0.4
0
0.2
(eff.) dosis [mSv]
In Ned.:
0.4
0.8
cardiovasculair
11
0
5
10
(eff.) dosis [mSv]
Effecten van straling
3
5.5
(eff.) dosis [mSv]
Natuurlijke + medisch-diagnostische straling = 2.6 mSv/jaar45
8
bewegingsapparaat
abdomen
0.6
3
PET
1.2
thorax
Colon
endocrinologie
7.4
5
hoofd/schedel
0.5
4
8
wervelkolom
heup 2R
5.2
6
7
0
bekken
bekken 1R
6
bloed/afweer
0.1
2.9
1
overig
geleide interventies
thorax 2R
IVP (nier)
Defaecogram
5
angiografie: … 0
0.4
4.3
0.5
ventilatoir
hoofd/zenuwstelsel
12
angiografie: coronair
2.6
Oeso/maag
0.13
angiografie: diagn+ther.
1.7
0.5
urogenitaal
CT
5.3
hand/bucky
spijsvertering
niet-CT
0.04
interventies: overig
0.3
TWK 2R (thoraciale
wervelk.)
ERCP
(alvleesklier/galwegen)
0.35
X-thorax
bovenbeen 2R
0.8
Oeso (slokdarm)
0.02
In Ned.:
15
5
0
5
10
(eff.) dosis [mSv]
Natuurlijke + medisch-diagnostische straling = 2.6 mSv/jaar46
Effecten van straling
• Stochastisch (kansgebonden):
Persoonlijke kans op fatale tumoren:
Nederlandse bevolking:
5 % per Sv
16.000.000 = 1600 x 10.000 personen
Dus jaarlijks 1600 doden door natuurlijke straling!
(maar dit is “statistisch” gesproken).
• Dus: bij 2 mSv/jaar (= 0.002 Sv/j: natuurlijke dosis):
persoonlijke kans per jaar: 0.002 x 5 % = 0,010 % = 1 / 10.000
dus: 1 geval op 10.000 personen, per jaar
Andere oorzaken:
- Stel gemiddelde levensduur = 80 jaar.
- Per jaar sterven 16.000.000/80 = 200.000 personen
- Hiervan 30 % door fatale tumoren = 60.000 personen per jaar.
• Nederlandse bevolking:
16.000.000 = 1600 x 10.000 personen
Dus jaarlijks 1600 doden door natuurlijke straling!
(maar dit is “statistisch” gesproken)
47
48
8
Besmetting en Bestraling
Stralingsbelasting: limieten
•Dosislimieten: per jaar:
Welke mogelijkheden voor stralingsschade zijn er?
-Blootgestelde werknemers: A-categorie: 20 mSv
-Idem: B-categorie:
6 mSv
-Andere werknemers en bevolking:
1 mSv
-Zwangeren na melding zwangerschap:
1 mSv
-NB. Natuurlijke stralingsbelasting (Ned.):
id. medische diagnostiek (gemidd.):
2 mSv
0,5 mSv
Inwendige besmetting
Uitwendige bestraling
Uitwendige besmetting
NB. Deze limieten gelden voor “onvrijwillige blootstelling”;
Dus niet voor diagnose en therapie.
49
1. Inwendige besmetting, voorbeeld
50
1. Inwendige besmetting, voorbeeld
Voorbeeld van de rekenmethode :
Iemand krijgt van een nuclide een activiteit binnen van
A = 10 kBq (= 10.000 Bq)
Voor dit nuclide geldt dat 1 Bq een belasting van
3 µSv oplevert (uit de internationale tabellen).
Voorbeeld van de rekenmethode:
Iemand krijgt van een nuclide een activiteit binnen van
A = 10 kBq (= 10.000 Bq)
Voor dit nuclide geldt dat 1 Bq een belasting van
3 µSv oplevert (uit de internationale tabellen).
a). Hoe groot is de effectieve dosis E (in Sv)?
b). Is dit toegestaan (de persoon is een A-medewerker
(jaarlimiet 20 mSv)?
Hier: 3 µSv/Bq
Het aantal Sv/Bq heet:
Dosiscoëfficiënt
Voor alle nucliden is internationaal vastgelegd (en voorgeschreven):
- Transport in het lichaam en verblijftijd (“metabolisme”)
- Dosiscoëfficiënten (voor inhalatie en ingestie)
51
1. Inwendige besmetting, voorbeeld
Voorbeeld van de rekenmethode :
Iemand krijgt van een nuclide een activiteit binnen van
A = 10 kBq (= 10.000 Bq)
Voor dit nuclide geldt dat 1 Bq een belasting van
3 µSv oplevert (uit de internationale tabellen).
52
2. Uitwendige bestraling (“puntbron”)
Equivalente dosis : [Sv] is evenredig met:
Afstand:
2x..3x :
Schade:
verspreid
over 4x..9x
zo groot
oppervlak
a). Hoe groot is de effectieve dosis E (in Sv)?
b). Is dit toegestaan (de persoon is een A-medewerker
(jaarlimiet 20 mSv)?
•
~ 1/ (afstand tot bron)2
(2 x zo veraf → 4 x zo weinig)
(3 x zo veraf 9 x zo weinig)
Uitwerking:
a) 10.000 x 3 µSv = 30.000 µSv = 30 mSv.
b) Dit is meer dan zijn limiet. Niet toegestaan dus.
kwadratenwet
53
￭ 2 x zo ver: dosis ¼x
￭ 2 x zo dichtbij: dosis 4x
54
9
2. Uitwendige bestraling (“puntbron”)
Equivalente dosis : [Sv] is evenredig met:
Afstand:
2x..3x :
Schade:
verspreid
over 4x..9x
zo groot
oppervlak
•
~ 1/ (afstand tot bron)2
Vraag: Voor een behandeling moet 1 GBq
activiteit worden bereid.
Wat is beter?
a. De werktijd 8 x zo kort nemen
b. De werkafstand 3 x zo groot nemen
c. 20% van de activiteit gebruiken
d. Een loodschort dragen (transmissie 16%)?
￭
￭
￭
￭
(2 x zo veraf → 4 x zo weinig)
(3 x zo veraf 9 x zo weinig)
Voor alle bronnen (nucliden en toestellen) is internationaal vastgelegd (en
voorgeschreven):
- Hoeveel Sv/h een activiteit van 1 Bq op 1 meter afstand oplevert
- (bronconstante: “omgevingsdosisequivalenttempoconstante”).
2. Uitwendige bestraling, voorbeeld
a: dosis = 1/8
b: dosis = 1/9 (=1/32)
c: dosis = 1/5
d: dosis ≈ 1/6
Antwoord: b.
55
56
3. Uitwendige besmetting, voorbeeld
3. Uitwendige besmetting, voorbeeld
Uitwendige besmettingen (tafels, handen, huid, etc.) worden gemeten
m.b.v. “groot-oppervlak besmettingsmonitoren” en/of “veegproeven”.
Uitwendige besmettingen (tafels, handen, huid, etc.) worden gemeten
m.b.v. “groot-oppervlak besmettingsmonitoren” en/of “veegproeven”.
Er zijn internationale regels voor de stralingsbelasting :
aantal Sv/h per Bq/cm2 besmetting.
Er zijn internationale regels voor de stralingsbelasting :
aantal Sv/h per Bq/cm2 besmetting.
Schoonmaken totdat besmetting < 4 Bq/cm2 (0.4 voor α’s)
(over oppervlak > 300 cm2).
Schoonmaken totdat besmetting < 4 Bq/cm2 (0.4 voor α’s)
(over oppervlak > 300 cm2).
Vraag:
In een ruimte wordt een uitgebreide besmetting over meerdere m2
geconstateerd met een vloeibaar nuclide (β’s; T½ = 10 min.). Wat moet men
doen?
a. Alle besmette apparatuur en meubilair in het laboratorium volgens de
regels schoonmaken.
b. De ruimte gedurende een etmaal (24 uur) afsluiten.
c. De ruimte gedurende een etmaal zeer goed ventileren.
d. De besmette apparatuur afvoeren als radioactief afval.
Vraag:
Op een container zit een besmetting van 4 Bq/cm2 Cs-137. Iemand veegt
daarover met zijn hand 10x10 cm2 af en likt dit op. Hoe gevaarlijk is dit?
Antwoord: Voor Cs-137 geldt: dosiscoëfficiënt = 0,02 µSv/Bq.
Dus voor 100 x 4 = 400 Bq:
Dosis = 400 x 0,02 = 8 µSv.
(Vgl. natuurlijke dosis: 2 mSv/jaar)
Antwoord: b.
57
58
Incidentie
Kansgebonden effecten
EINDE deel 1
0
drempel
0
Nieuwste inzichten voor lage
doses: “hormese”
59
dosis
Lineair verband: gebruikt in
dosimetrie : 5 % per Sv
60
10
7-5-2011
“One decade after Chernobyl, summing up the consequences”
Proc. International Chernobyl Conference, Vienna, 8-12 April 1996
IAEA, EU, WHO, UN, Unesco, FAO, OESO, ICRP
“Sources and Effects of Ionizing Radiation”, vol II: “Effects”
App. J: “Exposures and Effects of the Chernobyl Accident”
UNSCEAR Report 2000 (United Nations Scientific Committee
on the Effects of Atomic Radiation”, Vienna, 2001
An experiment that went wrong
References
Intern. Conf. “Fifteen Years after the Chernobyl Accident”,
Kiev, 18-20 April 2001; EU, IAEA, UN, Ukraine, Belarus, Russia, France, Germany.
3rd Intern. Conf. “Health Effects of the Chernobyl Accident”,
Kiev, 4-8 June 2001; WHO, UN, IAEA, UNSCEAR, ICRP, Ukraine, Belarus, Russia.
Chernobyl, 26 April 1986
causes and effects
“Environmental consequences of the Chernobyl accident..., Twenty years of experience”,
“Chernobyl’s Legacy: Health, Environmental en Socio-economic Impacts; Recommendations”,
UN Chernobyl Forum, Aug. 2005.
IAEA, FAO, UNDP, UNSCEAR, WHO, Ukraine, Belarus, Russia.
“Sources and Effects of Ionizing Radiation”, vol II: “Effects”
App.D: “Exposures and Effects of the Chernobyl Accident”
UNSCEAR Report 2008-11 (United Nations Scientific Committee
on the Effects of Atomic Radiation”, Vienna, 2011
F.F.M. de Mul
FdM
FdM
1
FdM
2
Contents
Contents
• Topography
• Topography
• The reactor
• The reactor
• The accident
• The accident
• Emission
• Emission
• Intermezzo: Natural radiation effects
• Intermezzo: Natural radiation effects
• Radiation caused by the accident
• Radiation caused by the accident
• Environmental and health effects
• Environmental and health effects
• Situation in the Netherlands
3
FdM
• Situation in the Netherlands
4
Topography
Chernobyl reactor plant site
FdM
5
FdM
6
1
7-5-2011
Uranium fission
• Topography
• The reactor
Needed for fission:
1 slow (thermal)
• The accident
neutron: ≈ 2 km/s
235
92 U
+ n → Fission products + 2..3 .n
Fission products : 131I ;
Produced:
2..3 fast neutrons:
≈ 104 km/s
137
Cs.....
Neutron capture
• Emission
e.g. Cadmium, Boron
• Intermezzo: Natural radiation effects
Thermal neutrons only
• Radiation caused by the accident
Neutron moderation
• Environmental and health effects
Needed: light nuclei: H .. C
• Situation in the Netherlands
Neutron scattering
FdM
7
FdM
8
Nuclear Fission Reactor
Nuclear Fission Reactor
steam
control rods
control rods
fuel
fuel
moderator
moderator
rod up
turbine
power
turbine
normal
rod down
condensor
condensor
time
coolant
coolant (water)
FdM
9
FdM
The Chernobyl reactor:
pressurized boiling-water reactor
FdM
10
o Boiling light water reactor,
11
FdM
steam under pressure
The reactor
o
Power :
o
Contents:
o
Moderator:
mostly graphite;
o
Absorber:
control rods and cooling water
o
Turbines:
o
Core:
o
Pump system:
o
Emergency cooling system:
o
Control: needed for stable operation: 30 control rod in the core
3200 MW thermal
UO2 – tablets in rods; 2 % enriched in 235U
2 x 500 MW electric,
direct steam injection (1 circuit; no heat exchanger)
diameter 12 m ; height 7 m
4 pumps ; 3 necessary
present
12
2
7-5-2011
The reactor (2)
• Topography
Characteristic for this type of reactor:
= moderator and coolant separated (graphite and water resp.):
• The reactor
• The accident
Water ↓ or power ↑
• Emission
If moderator = water:
Reactor will stop
Reactor shut off;
Water needed for
after-cooling
If moderator = graphite:
Reactor will continue
• Intermezzo: Natural radiation effects
Neutron absorption in
water (+boron) : ↓
• Radiation caused by the accident
• Environmental and health effects
Power : ↑
• Situation in the Netherlands
FdM
13
FdM
14
The accident (1)
The accident (2)
25 April 1986:
26 April 1986:
Plan: Stop for maintenance.
00.00 h: Reduction thermal power : 3200 . 750 MW.
00.28 h: Reduction to 500 MW.
Control from automatic to manual !!!.
Question: can decelerating turbines produce sufficient
power to operate emergency cooling pumps?
00.30 h: Unexpected power drop to 30 MW thermal.
Plan for experiment:
Operator tries to increase power
by extraction of control rods from core
• emergency cooling system off
• reactor switched off
6 – 8 control rods left in the core (estimated) ; !!!
(essential for stable operation: > 30)
01.00 h: Power now 200 MW thermal, but very unstable.
Operator: extra water, to reduce steam pressure
FdM
15
FdM
16
The accident (3)
The accident (4)
26 April 1986:
26 April 1986:
01.23 h: Decision: test experiment may take place.
01.00 h: Power now 200 MW thermal, but very unstable.
Operator: extra water, to reduce steam pressure
01.23 h: However: steam pressure rises too fast, thus:
less water, but consequence: more power
Normal effect: “automatic stop”,
but control was “manual”, thus no stop.
01.23 h: Power increase now exponential.
Insertion of extra control rods: manual; far too slow.
01.20 h: Power very unstable.
Operator reduces water flow to stabilize pressure
01.24 h: Power excursion to about 100 x normal power..
Pressure rises again, reactor seems stable.
01.24 h: Reactions of water and fission materials:
Pressure waves in fission tubes
01.23 h: Decision: test experiment may take place.
Two explosions: (1) steam; (2) expansion fission
FdM
17
FdM
18
3
7-5-2011
The accident (5)
The reactor after the accident
26 April 1986:
01.24 h: Two explosions: (1) steam; (2) expansion of fission
Effects:
• Cover of reactor vessel blown away,
• Entrance of air,
• Graphite + oxygen produces CO,
• CO ignites.
Following days:
• Fall-out of radioactive steam and particles.
• Spreading of radionuclides by explosions and fires.
• Remanent radioactivity produces so much heat
that the fires cannot be extinguished.
FdM
19
FdM
20
Physical variables and units
• Topography
• The reactor
• Activity (desintegrations/sec)
• [Bq] = [1/s]
• The accident
• Dose (general)
• [Gy] = [J/kg]
• Emission
• Equivalent dose (tissue; organs)
• [Sv] = [J/kg]
• Intermezzo: Natural radiation effects
• Radiation caused by the accident
• Environmental and health effects
• Situation in the Netherlands
FdM
21
FdM
Reference: natural radioactivity
[10^16 Bq/day] .
rate of emission .
Emission of radioactivity (*)
Unit: 1 Becquerel [Bq] =
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2
3
4
Total emission: 190 x 1016 Bq
Fires
off
5
6
7
8
Suppose: deposited in a cone with opening angle
300 and length 1500 km:
Contamination : 3 MBq / m2
9 10 11 12 13
days after accident
Bq/day ≈
1011
Bq/sec
Total 190 x 1016 Bq
FdM
1 desintegration/sec
Compare:
• (bed)rock / soil : 600 Bq/kg
• human body: 55 Bq/kg 40K => 4 kBq @ 70 kg
“heat-up”
“cooldown”
1
1016
22
Compare: 1 MBq/m2 ≈1 mSv/y extra
(*) excl. nobel gases and
very-shortliving isotopes;
Total ≈ 600 x 1016 Bq
Normal in the Netherlands:
23
FdM
Soil: 100 Bq/m2 ; 137 Cs: 0-6 Bq/m2
Milk: 46 Bq/l (vnl. 40K) ; 137 Cs: < 2 Bq/l
24
4
7-5-2011
Wind-plume formation
Radioactive cloud
as seen from above the North Pole
26 April; 0 h
27 April; 12 h
27 April; 0 h
29 April; 0 h
4 May; 0 h
2 May; 0 h
FdM
25
FdM
Total emission: major contributions
Isotope
Half-life time
Emission
(10 16 Bq)
8d
2y
30 y
3d
5d
2d
150
5
9
10
6700
1700
26
• Topography
• The reactor
• The accident
Fissions products:
131I
134Cs
137Cs
132Te
Nobel gases (+)
Metals (U, Pu, Sr...) (0)
• Emission
• Intermezzo: Natural radiation effects
• Radiation caused by the accident
• Environmental and health effects
(+) largest contribution: 133Xe
(0) largest contribution: 239Np
• Situation in the Netherlands
FdM
27
FdM
28
Netherlands: annual effective dose
Eff. dosis [mSv]
0
med./diagnost.
artificial
in body (K-40)
soil
Total: 2.6 mSv/year.
building materials
Ra in buildings
cosmic
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Annual effective dose [mSv/year]
FdM
29
Bulgaria
Austria
Greece
Roumania
Finland
Yugoslavia
ChechoSlow.
Italy
Poland
Schwitzerland
Hongary
Norway
DDR
Sweden
W.Germany
Ireland
Luxemburg
France
NETHERLANDS
Belgium
Danmark
Gr.Brittain
Spain
FdM
Portugal
1
2
3
4
5
6
7
8
Europe
Natural
background
Eff. annual dose
[mSv]
30
5
7-5-2011
Effects of radiation
effect
probability
Stochastic
Mortality (probabilistic effects)
seriousness
dose
example
dep. on dose
100 %
all
Leukaemia,
genetic (?)
100 %
+threshold !!
dep. on dose
>≈ 1 Sv
See below
(probabilistic)
Deterministic
(“certain”)
Deterministic effects: thresholds:
Dose (Sv)
Mortality
> 0.5
>1
>2
>3
> 10
> 50
--< 50% in <1 month
> 50% in <1 month
< 1 week
< 1 day
Cataract
Temporary sterility
“Bone marrow syndrome” (blood cells)
Radiation disease (nausea….)
“Intestine syndrome”
“Central nerve system-syndrome”
ICRP: death risk from cancer:
(whole population):
5%
per Sv
Netherlands
( population 16 x 106 persons)
“Normal”
Extra (*)
• Natural dose
• Medical/diagnostic dose
2.0 mSv/y
0.5 …
0.1 mSv
-
1600
400
80
-
Expected mortality (persons per year):
• Natural dose
• Medical/diagnostic dose
(*) Due to Chernobyl, first year only.
FdM
32
• Topography
Radiation
hotspots
• The reactor
• The accident
Extra:
1 MBq/m2 ≈ 1 mSv/y
• Emission
Extra life-time dose:
≈50 mSv per MBq/m2
• Intermezzo: Natural radiation effects
Contamination
• Radiation caused by the accident
>1.5 MBq/m2
0.5-1.5
0.2-0.5
0.04-0.2
• Environmental and health effects
• Situation in the Netherlands
FdM
33
FdM
Bulgaria
Austria
Greece
Roumania
Finland
Yugoslavia
ChechoSlow.
Italy
Poland
Schwitzerland
Hongary
Norway
DDR
Sweden
W.Germany
Ireland
Luxemburg
France
NETHERLANDS
Belgium
Danmark
Gr.Brittain
Spain
FdM
Portugal
1
2
3
4
5
(Compare: Life time dose in Netherlands : ≈ 2.5 mSv/y x 75 y = 190 mSv;
in Finland:
≈ 8 mSv/y x 75 y = 600 mSv )
34
Zones around Chernobyl (1986)
Eff. dosis [mSv]
0
Life time dose
>90 mSv
30-90
10-30
2-10
6
7
8
Europe
Zone (0)
> 1500 kBq/m2
555 – 1500 ...
185 – 555 ...
37 – 185 ...
Eff. annual
dose [mSv]
Extra dose in
1st year after
Chernobyl
accident
35
Compare:
the Netherlands
(normal situation)
FdM
Radius
[km]
Area
[km2]
Extra
Life dose
[mSv]
Measures
30
30 – 60
60 – 100
100 - 250
3000
7000
19 000
116 000
> 50
20 - 50
6 – 20
1–6
obligatory evacuation
obligatory evacuation
voluntary evacuation
control area
39 000
Life dose:
190 (*)
(0): 1 MBq/m2 ≈ 1 mSv/y life-time dose ≈ 75 mSv
(*): 190 mSv = 75 y x 2.5 mSv/y
36
6
7-5-2011
Zones around Chernobyl (1986)
Persons involved
Cs-137:
T1/2 = 30 y
Extra life time dose
(mSv)
>180
70-180
30-70
9-30
2-9
<2
30 km
NB. Life time dose in:
Netherlands:
2.5 x 75 = 190
France:
6 x 75 = 450
Finland:
8 x 75 = 600 mSv
60 km
FdM
Persons involved
Number
Equiv. dose
[mSv]
Number &
Percentage
Extra
cancer
risk (%)
“Liqvidators”
(average dose
= 100 mSv)
226 000
>1000
500..1000
100..500
< 100
≈ 30 pers.
≈ 9000 (4 %)
≈ 22 000 (10 %)
≈ 180 000 (80 %)
>5
2.5...5
0.5...2.5
<0.5
Assisting persons
400 000
≈5
Evacuees
(average dose
= 1.1 mSv)
135 000
> 100
50..100
< 50
≈0.025
≈ 7000 (5 %)
≈ 13 000 (10 %)
≈ 110 000 (85 %)
>0.5
0.25..0.5
<0.25
Extra cancer risk = 5 % per Sv
Normal incidence: 20-30 %
37
FdM
38
Persons involved: effects
• Topography
During accident:
• The reactor
2 deaths
Acute hospitalization:
.... Suffering from ARS (*):
.... Deceased in 1986:
.... Deceased 1987-2004: (0)
.... Alive in 2004:
• The accident
• Emission
237 persons
134 ....
28 ....
19 ....
190 ....
• Intermezzo: Natural radiation effects
(*) ARS: Acute Radiation Syndrome:
Nausea, diarrhea, haemorrhages,
Temporary reduction of
immune system => fevers
• Radiation caused by the accident
• Environmental and health effects
(0) Various causes: about 30% heart, 30% liver
cirrhose, 10% morbid obesity, 10%
tuberculosis, 10% unknown
• Situation in the Netherlands
FdM
39
Number of causes .
• Probability:
70
60
50
Age in 1986
40
0-4 year
5-9 year
10-16 year
• Treatment:
• Problem:
• Deceased:
10
0
86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97
FdM
41
39
50
21
Thyroid tumors
80
Year
< 2 Sv
2..4 Sv
4..6 Sv
6..15 Sv
40
• Increase:
20
Nr.
persons
FdM
Thyroid tumors in children
30
ARS: dose
- ≈ 6000 cases
- predominantly: children born before 1986
- boys / girls : ≈ 7/10
in most contaminated area (Gomel, Belarus):
- 0-15 year: 4.5 x 10-6 (factor 8 x before 1986)
- >15 year: factor 3 x before
Medication and/or Thyroidectomie
- endemic iodine shortage (1/8 x normal)
has stimulated intake enormously
- until 1996: 3 persons
- until 2002: 9 persons (+ 6 uncertain; other causes?)
all others recovered or recovering.
(1996) “To date, only three children in the cohort of diagnosed cases have
died of thyoid cancer. These post-Chernobyl papillary thyroid cancers in children
...appear to respond favourably to standard therapeutical procedures...”.
Average thyroid dose: 0.5 ± 0.4 Sv
(No extra effects in children born AFTER 1986)
- from ≈1990, latent period ≈ 4 year
41
FdM
42
7
7-5-2011
Leukaemia and other tumors: expected
Population
Number
Average
dose
[mSv]
Solid tumors
Leukaemia
Leukaemia and other tumors: observed
Total
Extra
(%)
1
Norm.
(%)
0.4
Extra
(%)
0.1
Norm.
Extra
Observations until 2005:
Population of contaminated areas and Liqvidators:
• Leukaemia and other tumors:
Liqvidators
200 000
100
Norm.
(%)
24
50000
2200
Evacuees
(<30 km)
135 000
10
24
0.1
0.3
0.01
40000
150
Inhabitants
SCZ’s (*)
270 000
50
24
0.5
0.3
0.04
60000
1500
total
600 000
150000
3850
Inhabitants
other zones
6.8
million
2.0
million
4080
• Hereditary diseases:
7
24
0.05
0.3
0.01
grand total
FdM
“extra” cases: number << “background” of normal incidence.
“no increased risk for population has been found, so far”
“slight indication of increased risk for “liqvidators”,
but latent period (≈ 20 years) has almost expired”
(*) SCZ: severely contaminated zone
• Malformations:
• Breast cancer:
8000
43
FdM
Leukaemia and other tumors:
latent period
idem
slight increase over 20 years,
but not radiation-dependent
slight increase, but relation with radiation
level uncertain
“No consistent attributable increase has been detected either in the
rate of leukaemia or in the incidence of any malignancies other than
thyroid carcinoma” (UNSCEAR report).
44
Congenital malformations
incidence
other
leukaemia
0
10
20
30
Time (years)
FdM
45
Oblast = village
FdM
Congenital malformations
46
Life time dose for population
Low zone
“Several studies on adverse pregnancy
outcomes related to the Chernobyl accident have been
performed in the areas closest to the accident and in more
distant regions. So far, no increase in birth defects,
congenital malformations, stillbirths, or premature births
could be linked to radiation exposures caused by the
accident.” (UNSCEAR 2005; conclusion 383)
Middle zone
High zone
Normal
Extra
Netherlands
France/Spain
Finland
0
200
400
600
Average life time dose [mSv]
FdM
Oblast = village
47
FdM
48
8
7-5-2011
Animals and Plants
Psychological / social effects
for liqvidators and evacuees
• Animals (in 30 km-zone):
- cattle: thyroid problems
- frogs: 1/3 of eggs sterile (1.5 % in control group)
- morphological abnormalities: not significant
- from 1989: recuperation to ”old” situation
• General
increase of health complaints and symptomes,
but independent of contamination level
• Problems due to evacuation: unemployment, alienation
• Plants (in 30 km-zone):
• Personal problems: despair, hopelessness,
uncertainty of future health.
- trees (firs/birch): 40 % dead, 90 % damage
- morphological abnormalities: not significant
- from 1989: recuperation to ”old” situation
FdM
• Disruption of society
49
FdM
50
Milk and Spinach in the Netherlands
• Topography
• The reactor
Question : limit for consumption after soil contamination with 131I
in milk and vegetables (representative example: spinach)
(initial soil contamination max. 2-11 kBq/m2 ; normal 50 Bq/m2)
• The accident
Criterion: integrated year-dose on thyroid in baby’s (highest risk)
< 0.1 x yearly limit for population
• Emission
• Intermezzo: Natural radiation effects
• Radiation caused by the accident
Limits
Official norm
(May/Oct ‘86)
Actual values
(May ’86)
• Environmental and health effects
Milk
[Bq/liter]
2300
500 / 125
50
• Situation in the Netherlands
Vegetables
[Bq/kg]
6100
1300 / 250
150
FdM
51
FdM
52
Statistical casualties over Europe
Inhabitants:
500 million
( = 500 x 106 )
Average one-time equivalent dose in 1986:
Cancer risk (stochastic range):
5 % per Sv
0.2 mSv
( = 0.2 x 10-3 )
( = 0.05 per Sv)
the end
Expected extra casualties: 5000 ( = 500 x 106 x 0.2 x 10-3 x 0.05 )
(onetime; latent period 20-30 years)
Compare:
- Natural cancer casualties: 20 % => 100 million, or
≈ 1 300 000 / year
(assume life time = 75 year)
- Natural radiation casualties @ 4 mSv / year (Europ. average):
100 000 / year
FdM
53
FdM
54
9
7-5-2011
Fukushima
Japan: nucleaire energievoorziening:
•
•
“Directe” cyclus: stoomvorming binnen het reactorvat
Druk ca. 75 bar, temperatuur ca. 285 oC
• 30% nucleair
• 40% doelstelling voor 2017
• 54 kernreactoren (BWR: 30 , PWR: 24)
Chronologisch overzicht
Datum
Tijdstip
Gebeurtenis
11-03-2011
14:46 uur
Aardbeving (kracht 9.0);
verlies van externe netverbinding
15:52 uur
Tsunami (14 meter hoge golven)
Verlies van on-site power
Station blackout
~24.00 uur Verlies van DC power (accu’ s)
12-03-2011 15 uur
Waterstofexplosie in unit 1
14-03-2011 11 uur
Waterstofexplosie in unit 3
06 uur
15-03-2011
09 uur
Waterstofexplosie in unit 2 en 4
Brand in unit 4
Foto: Onderzoeksreactor (3 MW), Techn. Univ. Delft.
FdM
1
7-5-2011
Satellietfoto 18 maart 2011
De Gebeurtenissen – Oorzaak & Gevolg (1)
Oorzaak
Gevolg
Aardbeving
•
•
•
•
•
•
Actie
Tsunami
• Uitvallen dieselgeneratoren
• Verlies afvoer van vervalwarmte naar zee
Automatisch afschakelen reactoren
Uitval extern net
Opstarten dieselgeneratoren
Containment isolatie
Activeren reactor isolatie koelsysteem
Activeren afvoer van vervalwarmte naar zee
Inzet mobiele
dieselgeneratoren,
pompen en
brandslangen
Geen afvoer vervalwarmte naar zee
Openen drukaflaatkleppen
Totaal verlies
van AC power
(Station
Blackout)
Afblazen naar
containment
Toename druk en temperatuur in
containment
Daling waterniveau reactorvat
Drukontlasten
containment
Zeewaterinjectie in
reactorvat
Zeewatersproei
splijtstofbassins
Daling waternivo splijtstofopslagbassin
De gebeurtenissen – Oorzaak & Gevolg (2)
Oorzaak
Gevolg
Drukontlasten containment
Naar reactorgebouw
Naar omgeving
Units 1, 2, 3
- reactorvat op lage druk
- koelen van kern met zoet water
- deel van de kern beschadigd / gesmolten
- lekkage besmet water naar turbinegebouw
Units 3 en 4
waterverlies splijtstofopslagbassins verdampen + lekkage
koeling met zoet water
Units 5 en 6
cold shutdown
Actie
Waterstofexplosie
Falen integriteit
containment (Unit 2)
Falen reactorgebouw
(Units 1 en 3)
Vrijzetting radioactiviteit
naar omgeving
Status op 7-04-2011
Preventieve en
mitigerende maatregelen
NB:
• Externe netspanning hersteld
• Injectie zoet water in reactorvat door vaste pompen
• Injectie zoet water in splijtstofopslagbassins door mobiele pompen
• Midden april: lekkages gedicht
“Confinement” van
radioactieve stoffen
•
•
Fukushima: containment
symm.axis)
Vijf verschillende barrières:
Splijtstofmatrix
Splijtstofpen
Reactorvat en koelcircuit
Primair containment
• Drywell en suppression pool
Secundair containment
• Reactorgebouw
RPV: reactor power vessel
DW: dry well
WW: wet well (torus-shaped)
SCSW: concrete shielding
SFP: spent fuel pool
2
7-5-2011
Vervalwarmte na uitschakelen reactor,
Status 10 april 2011
Unit 1
Splijtstofmatrix
Unit 2
X
Unit 3
X
Unit 4
X
In % van normaal vermogen (Fukushima: 1000 MW)
Unit 5
-
Unit 6
√
√
Splijtstofpen
X
X
X
-
√
√
Primair reactorsysteem
- Reactorvat
- Koelcircuit
√
X
√
X
√
X
√
√
√
√
√
√
Primair containment
- Drywell
- Suppression pool
√
√
Secundair containment
X
√
X
√
√
X
X
√
√
X
√
√
√
√
√
√
tijd
percentage
1s
6
10 s
5
1h
2
1d
0.5
10 d
0.3
30 d = 1 mnd
0.2
100 d = 3 mnd
0.1
1000 d = 3 j
0.06
10.000 d = 30 j
0.02
Soorten dosislimiteringen
Beëindiging van het Fukushima ongeval:
Stappenplan 16 april 2011
situaties
Max. dosis
(mSv/j)
Extra kans op
kanker (%)
Regulier – kansgebonden
- werkers (A-cat.)
- anderen (bevolking)
20
1
0.1
0.005
Regulier – deterministisch
- extremiteiten
- huid
- ooglens
500
500
150
-
Interventies (kritieke situaties)
- levensreddend handelen
- veiligstellen materiële belangen
- hulpverlening
750
250
100
3.75
1.25
0.5
Doel: Terugbrengen van de centrale in een stabiele, beheersbare toestand
stap
unit
actie
tijdsduur
1
1,3
2
Insluitsysteem vullen met water
Afsluiten en vullen met water
3 mnd
2
4
Versterken bad met gebuikte splijtstofstaven
Id.
3
2,3
Stikstof in insluitsysteem (tegen explosies waterstof)
(eerder al gedaan in unit1)
Eind april
4
1,2,3
“cold shutdown”
3-6 mnd
5
1,3,4
Stralingsscherm
Id.
“cold shutdown”: temperatuur < 950C en druk = 1 bar.
Extra kans op kanker (voor kansgebonden effecten): 5 % per Sv.
Dosistempi en gebeurtenissen
Emissieschattingen
• Periode 12-15 maart:
• I-131: 400.000 TBq
– 20% van Tsjernobyl emissie
– 2% lozing van de activiteitsinventaris in units #1, 2 en 3
• Cs-137: 30.000 TBq
– 35% van Tsjernobyl emissie
– uit reactoren units #1, 2 en 3 + SF pools units #3 en 4:
1% lozing van totale activiteitsinventaris
2 keer 0.4 µSv/h voor 3 h = 2.4 µSv;
Vgl. jaardosis NL: 2.5 mSv
3
7-5-2011
Aerial surveys 24-26 Maart 2011
Aerial survey 17-19 Maart 2011
> 125
µSv/h
> 21,7 µSv/h
> 125
> 11,9 µSv/h
> 21,7 µSv/h
< 11,9 µSv/h
> 11,9 µSv/h
µSv/h
< 11,9 µSv/h
NB. Indien 1 vol jaar in 125 µSv/h: 1100 mSv
(vgl. NL: achtergrond 2 mSv/j)
NB. Indien 1 vol jaar in 125 µSv/h: 1100 mSv
Dosistempometingen
(vgl. NL: achtergrond 2 mSv/j)
Activiteitsmetingen op land
datum
plaats
nuclide
Activiteit
( Bq/m2 )
Jaardosis ( µSv/j )
indien vol jaar
23/3
Tokyo (230 km ZZW)
I-131
100-175
≈ 0.1
25/3
Ibakari (65 km ZZW)
I-131
480
≈ 0.5
Cs-137
100 µSv/h ≈ 1000 mSv/j
≈
150
750
Yamagata (110 km NNW) I-131
30/3
Iitate (40 km NW)
I-131 ≈
Piek > 2
MBq/m2
≈ 20000 : Boven
interventieniveau
2/5
Fukushima
I-131
20
≈0.02
Cs-137
2/5
1
2
3 4
april
Ibakari en alle andere
prefectures < 80 km
I-131
≈ 1.2
19
1.7
Cs-137
≈ 0.8
1200
Cs-137
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
maart
≈ 0.2
28/3
≈0.02
≈0.001
2.6-19
≈0.002-0.02
1 µSv/h ≈10 mSv/j bij continue blootstelling (vgl. NL: 2 mSv/j)
Bodem: 1000 Bq/m2 = 1kBq/m2 ≈ 1 µSv/j
1 MBq/m2 ≈ 1 mSv/j (= max. voor bevolking) (vgl. NL: ≈ 50 Bq/m 2 )
Achtergrond NL: 2 mSv/j ≈ 0.2 µSv/h
Activiteitsmetingen in voedingsmiddelen
eind maart
Activiteitsmetingen in voedingsmiddelen
2 mei
• Kitaibaraki (75 km Z van Fukushima)
• I-131:
– I-131:
– Cs-137:
24.000 Bq/kg in spinazie, uit handel
670 Bq/kg
• Ibaraki, Totigi, Gunma, Fukushima (prefecturen):
– Spinazie, (bloem)kool en melk uit de handel
• Chiba, Ibaraki, Tochigi (prefecturen):
limiet = 100 Bq/l in drinkwater,
in april relevant voor baby’s voor één dorp,
één prefectuur: gemeten 0.22 Bq/l
3 andere prefecturen: 0.04, 0.10, 0.38 Bq/l
•
Cs-137:
•
2 april: beperkingen in distributie van rauwe melk opgeheven,
behalve Fukushima e.o.
1 mei: idem voor Fukushima e.o.
•
1 prefectuur: 0.05 Bq/l << limiet.
– Selderij, kool, spinazie uit de handel
Vgl.: NL: in 1986: gemeten max.: melk: 50 Bq/l;
spinazie: 150 Bq/kg
limieten:
melk: 2300 Bq/l ; spinazie: 6100 Bq/kg
rondom Chernobyl:
max. 1.5 MBq/m2 extra ≈ 1.5 mSv/j over 50 j
Vgl.: NL: in 1986: gemeten max.: melk: 50 Bq/l;
spinazie: 150 Bq/kg
limieten:
melk: 2300 Bq/l ; spinazie: 6100 Bq/kg
rondom Chernobyl:
max. 1.5 MBq/m2 extra ≈ 1.5 mSv/j over 50 j
4
7-5-2011
Activiteitsmetingen
in zee
Gammastraling
kBq/l
MBq/m 3
datum
17 maart
1000
100
10
1
0.1
0.01
1 april 2 mei: daling met factor 10.000
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31 maart
plaats
Dosis
(µSv/h)
Dosis (mSv/j)
indien vol jaar
div. prefecturen
3 - 170
30 - 1700
> 50 km afstand
<5
< 50
22 maart
35-85 km
0.8 – 9
8 – 90
23 maart
30-32 km NW
16 - 59
160 - 590
30 maart
idem
0.5 - 7
5 - 70
31 maart
Tokio
< 0.3
<3
0.02 – 0.16
0.2 – 1.6
6 april
45 prefect. rond Fukushima
7 april
Fukushima
Ibaraki
Andere prefecturen
2.3
0.16
< 0.1
23
1.6
<1
2 mei
Fukushima
Ibaraki
Andere prefecturen
1.7
0.11
< 0.1
17
1.1
<1
Natuurlijke jaardosis in Japan: 1 – 3 mSv/j (afh. locatie)
Vgl. Nederland: 2 mSv/j
Voorlopige conclusies
Effecten op zeeleven
• Verdunning door zeestroming - Accumulatie in
voedselketen
• Effecten: ziekte, sterfte, voortplanting (grootste
gevoeligheid)
• Zeewier
– Accumulatie I-131
– Effecten op groei bij honderden mSv/dag – 1 SV/dag (2 – 5 mSv/h)
• Schaaldieren
– Geen effect op groei bij 1 Sv/dag
• Vissen:
– LD50 kan oplopen tot tientallen Sv
– geen effect op voortplanting bij enkele – tientallen mSv/dag bij
tientallen – honderden MSv/kg vis
Stralingsziekte bij werkers? Niet geconstateerd.
Persoonsdoses werkers < 250 mSv
Schildklierdoses bij kinderen waarschijnlijk beperkt door
evacuatie en andere maatregelen
Maatschappelijke en sociale ontwrichting door
aardbeving, tsunami en evacuatie en onzekerheid en angst
over de gevolgen van bestraling en ‘besmetting’ grote
kans op PT stress-syndroom
Komende weken : meten ‘besmettingsgraad’ op land en
activiteitsconcentraties in zee nagaan: mogelijk aantal
gebieden voor langere tijd niet voor menselijke
activiteiten geschikt?
Fukushima: koeling
Fukushima : tunnels
Reactoren (elk ≈ 1000 MW thermisch) produceren, indien uitgeschakeld,
Na 1 dag nog ongeveer 0.5 % (5 MW) van hun warmte.
Benodigd koelwater voor 5 MW = 5 MJ / s:
Water : warmte voor opwarmen: 4200 J / kg.oC
(“Binas”)
Stel water : 20 → 60 oC : dus 40 oC opwarming
Nodig per kg: 4200 x 40 = 168000 J / kg = 0.168 MJ / kg
Reactorkern
Dus benodigde hoeveelheid water:
5 MJ/s
5 kg
=
= 30 kg/s ≈ 30 liter/s = 108 ton/h
0.168 MJ/kg 0.168 s
Breuk
in buis?
Koeling
en
turbine
Kelders en
tunnels
Zee
Gebruikte pompen: 10-25 ton/h.
5
7-5-2011
Fukushima : stralingsniveaus (1)
Rondom reactoren: plaatselijk:
Pieken van ong. 1000 µSv/h = 1 mSv/h.
Vnl. 131I (halveringstijd 8 dagen)
Vgl.: natuurlijke achtergrond in Nederland: 2 mSv/jaar.
Indien 1 uur in 1 mSv/h: dosis = 1 mSv
Extra kans op kanker: 5 % / Sv, dus nu: 5 % x 0.001 = 0.005 %.
Max. jaardosis voor werkers in Japan: 20 → 250 mSv/j
Extra kans op kanker: 5 % / Sv, dus nu: 5 % x 0.250 = 1.25 %.
6