Radioactiviteit enkele begrippen

Transcriptie

1 044 1 Radioactiviteit enkele begrippen Na het ongeval in de kerncentrale in Tsjernobyl (USSR) op 26 april 1986 is gebleken dat er behoefte bestaat de kennis omtrent radioactiviteit voor een breder publiek toegankelijk te maken. In deze aflevering van de Chemische Feitelijkheden wordt onder andere een beschrijving gegeven van de stralingseenheden en -grootheden. Radioactiviteit Radioactiviteit is het vermogen van bepaalde instabiele atoomkernen om straling uit te zenden als gevolg van veranderingen die in deze kernen optreden, zonder dat er een invloed van buiten is. De instabiele kern verliest energie of massa en wordt daardoor, meestal stapsgewijs, stabiel. De kern zendt daarbij ioniserende straling uit. Radioactiviteit is een activiteit van de kern van een atoom. Dit blijkt doordat verwarming, druk, verandering van aggregatietoestand, chemische binding of bestraling met zichtbaar licht geen invloed heeft op het radioactieve proces in een stof. Ioniserende straling Ioniserende straling is een verzamelnaam voor een aantal fysische verschijnselen, waartoe hoogenergetische elektromagnetische golven en geladen en ongeladen kerndeeltjes met een hoge energie behoren. Bij wisselwerking van deze golven of deeltjes met materie treedt in die materie ionisatie op, dat wil zeggen één of meer elektronen van een atoom of molecuul komen vrij, terwijl een positief geladen ion achterblijft. Direct ioniserende straling bestaat uit geladen deeltjes, bijvoorbeeld

2 044 2 Radioactiviteit enkele begrippen elektronen, protonen, alfadeeltjes, die een zo hoge kinetische energie hebben dat ze bij interactie met een elektron in het bestraalde materiaal gemakkelijk voldoende energie kunnen overdragen om een ionisatie te veroorzaken. Indirect ioniserende straling bestaat uit ongeladen deeltjes of uit elektromagnetische straling met een korte golflengte. Ongeladen deeltjes, bijvoorbeeld neutronen, kunnen door interactie met kernen van atomen ioniserende deeltjes vormen. Elektromagnetische straling, bijvoorbeeld röntgenstraling en gammastraling, kan door interacties met elektronen tot produktie van snelle direct ioniserende elektronen leiden. Bronnen van ioniserende straling: heelal: kosmische straling, bestaande uit protonen, elektronen, heliumkernen en zware kernen; radioactieve stoffen: in de natuur voorkomende instabiele kernen die onder uitzending van ioniserende straling een ander radioactief element of een ander stabiel element vormen; ioniserende straling uitzendende toestellen: bijvoorbeeld röntgenbuizen. Belangrijke soorten straling Gammastraling: elektromagnetische straling die door een atoomkern wordt uitgezonden. De golflengte van gammastraling ligt in het traject van tot m. Röntgenstraling: elektromagnetische straling die ontstaat bij de afremming van versnelde elektronen. De golflengte van röntgenstraling ligt in het traject van 10-8 tot m. Alfastraling: heliumkernen bestaande uit 2 protonen en 2 neutronen; alfastraling wordt voornamelijk uitgezonden door zware instabiele kernen, zoals van uraan en radium. Neutronenstraling: neutronen ontstaan bij kernreacties, bijvoorbeeld bij het splijten van zware uraankernen. Betastraling: negatieve betastraling, elektronen, uitgezonden door

3 044 3 een atoomkern waarbij een neutron overgaat in een proton en positieve betastraling, positronen, uitgezonden door een atoomkern waarbij een proton overgaat in een neutron. Halveringstijd Het is niet met zekerheid te zeggen of er in een bepaalde atoomkern van een radioactieve stof op een bepaald moment een verandering, mutatie, optreedt. Wel is er een gelijke kans voor alle kernen van de stof dat dit gebeurt. Daarom neemt de activiteit van een radioactieve stof per tijdseenheid met een vaste fractie af. De halveringstijd geeft de tijd aan waarin de helft van het oorspronkelijk aantal kernen vervalt, en dus ook de tijd waarin de activiteit tot de helft afneemt. Na twee halveringstijden is nog een kwart van de oorspronkelijke activiteit over; na drie halveringstijden een achtste, enz. Voorbeeld: jood-131 heeft een halveringstijd van 8,04 dagen, cesium-137 heeft een halveringstijd van dagen (ca. 30 jaar). Naast de fysische halveringstijd, (T f ), kan nog de biologische halveringstijd, (T b ), worden onderscheiden. Bij inademing of slikken van een radioactieve stof zal die stof worden opgenomen in de normale stofwisseling van het individu. Uiteindelijk zal de stof worden uitgescheiden. Onder de biologische halveringstijd wordt de tijd verstaan waarin de helft van de opgenomen hoeveelheid radioactieve stof is verwijderd. De effectieve halveringstijd, (T eff ), als maat voor de werkelijke snelheid waarmee een radioactieve stof uit een lichaam of orgaan verdwijnt ten gevolge van mutaties en uitscheiding, wordt als volgt berekend: = + T eff T f T b Doordringingsvermogen Het doordringingsvermogen van straling is zowel in weefsel als in afschermingsmateriaal afhankelijk van de soort straling. Direct ioniserende straling heeft in vergelijking met indirect ioniserende straling in het algemeen een geringer doordringingsvermogen. Geladen deeltjes leggen in materie een bepaalde afstand (dracht) af, afhan-

4 044 4 Radioactiviteit enkele begrippen kelijk van hun energie en lading. Een alfadeeltje van 5 MeV heeft in weefsel slechts een dracht van ongeveer 40 µm. Elektronen van 2 MeV hebben in weefsel een dracht van ongeveer 1 cm. Indirect ioniserende straling wordt in beginsel exponentieel verzwakt. De halveringsdikte is gelijk aan 0,693/µ, waarin µ de lineaire verzwakkingscoëfficient van het materiaal is. Met toenemende dikte van het materiaal zal een steeds geringer deel van de straling worden doorgelaten. Voor gamma-, röntgen- en neutronenstraling is de doordringingsdiepte in weefsel in de orde van enige meters. Snelle neutronen worden effectief geabsorbeerd in waterstofhoudend materiaal. De halveringsdikte van water voor 15 MeV neutronen bedraagt circa 6 cm. Activiteit Onder de activiteit van een hoeveelheid radioactieve stof wordt verstaan het aantal kernmutaties dat per tijdseenheid plaatsvindt. De eenheid van activiteit, de becquerel (Bq), komt overeen met één kernmutatie per seconde. De oude eenheid is de curie (Ci). 1 Bq = 2,7x10-11 Ci. Opmerking: het gebruik van de oude eenheden is sedert januari 1986 in strijd met de IJkwet. Exposie Onder de exposie in een bepaald punt wordt verstaan de elektrische lading van één teken, dus positief of negatief, die de elektromagnetische straling per massa-eenheid lucht vrijmaakt. De eenheid van exposie is coulomb/kg lucht (C/kg lucht). De oude eenheid is de röntgen (R). 1 C/kg = 3876 R. Geabsorbeerde dosis Onder de geabsorbeerde dosis in een bepaald medium op een bepaalde plaats verstaat men de hoeveelheid stralingsenergie per eenheid van massa. De eenheid van geabsorbeerde dosis is de gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg. De oude eenheid is de rad. 1 Gy = 100 rad.

5 044 5 Stochastische effecten Onder stochastische effecten worden die effecten van de blootstelling aan straling verstaan waarvan de waarschijnlijkheid van optreden afhankelijk is van de dosis, maar waarvan de ernst van het effect niet wordt bepaald door de grootte van de dosis. Tot de stochastische effecten behoren het optreden van kanker en erfelijke afwijkingen. Een drempeldosis waar beneden het effect niet optreedt, wordt niet aangenomen. Niet-stochastische effecten Onder niet-stochastische effecten worden die effecten van blootstelling aan straling verstaan waarbij de ernst van het effect toeneemt naarmate de dosis groter is. De dosis-effect-relatie wordt gekenmerkt door het bestaan van een drempeldosis waar beneden het effect niet optreedt, of als niet schadelijk wordt ervaren. Voorbeelden van niet-stochastische effecten zijn: huiderytheem (roodheid van de huid), haaruitval, vertroebeling van de ooglens, tijdelijke en blijvende steriliteit. Kwaliteitsfactor Onder de kwaliteitsfactor wordt verstaan een gewichtsfactor aan een stralingssoort toegekend om het verschil in biologisch effect per eenheid van geabsorbeerde dosis tot uitdrukking te brengen. De kwaliteitsfactor, Q, voor fotonen en elektronen is 1 en voor neutronen en alfadeeltjes is Q = 25. Dosisequivalent Het dosisequivalent (H) is het produkt van de geabsorbeerde dosis (D), de kwaliteitsfactor (Q), en het produkt (N) van eventueel andere modificerende factoren (tot nu toe wordt N = 1 genomen), H = DQN. De eenheid van dosisequivalent is de sievert (Sv). De oude eenheid is de rem. 1 Sv = 100 rem.

6 044 6 Radioactiviteit enkele begrippen Effectief dosisequivalent Het effectief dosisequivalent (H E ), is het dosisequivalent, uniform over het gehele lichaam, dat hetzelfde risico op stochastische effecten oplevert als de dosisequivalentbijdragen van diverse organen of weefsels tezamen. Het wordt verkregen door de beschouwde dosisequivalenten, (H T ), met bijpassende weegfactoren (W T ) te vermenigvuldigen en daarna te sommeren. Weegfactoren H E = n W T H T i = 1 H E wordt in sievert (Sv) uitgedrukt De weegfactor W T voor een bepaald orgaan of weefsel T geeft aan de relatieve kans op een fataal stochastisch effect ten gevolge van de betreffende orgaandosis, in verhouding met het fatale stochastische risico ten gevolge van een totale lichaamsbestraling ter grootte van eenzelfde dosisequivalentwaarde. De weegfactoren die door de International Commission on Radiological Protection (ICRP) zijn voorgesteld, zijn: orgaan/weefsel W T geslachtsorgaan 0,25 borstklier 0,15 rood beenmerg 0,12 long 0,12 schildklier 0,03 botoppervlak 0,03 overige weefsels te zamen * 0,30 * W T = 0,06 voor de vijf overige organen of weefsels die de hoogste dosis krijgen.

7 044 7 Risicogetal Onder een risicogetal wordt verstaan de kans op het optreden van een bepaald stochastisch effect per eenheid van dosis (het incidentierisicogetal) of de kans op het overlijden van een door straling geïnduceerd stochastisch effect (het mortaliteitsrisicogetal). De mortaliteitsrisicogetallen voor radiologische werkers zoals gepubliceerd door de ICRP in publicatie 26 zijn: orgaan/weefsel risico per eenheid van dosis (Sv -1 ) borstklier, vrouw rood beenmerg long schildklier botoppervlak overige organen totaal man totaal vrouw Het mortaliteitsrisicogetal voor de long van 20 x 10-4 per Sv betekent dat bij blootstelling aan een dosisequivalent van 1 Sv de kans op het ontstaan van longkanker en het overlijden eraan 20 per bedraagt. De ICRP neemt aan dat het lineariteitsbeginsel geldt. Dit houdt in dat bij blootstelling aan een dosisequivalent van bijvoorbeeld 1 msv de kans op overlijden 20 per bedraagt (of 2 per ), en bij 50 msv (jaarlimietdosis, zie verder) 100 per De sterfte aan longkanker zal zich voordoen in de periode tot wel 40 jaar na de blootstelling. Vergelijk: de sterfte aan longkanker per jaar in Nederland bij mannen is circa 1 per 1000, hiervan is ongeveer 80% aan roken te wijten. Gemiddeld effectief dosisequivalent Hieronder wordt verstaan de som van de effectief-dosisequivalentwaarden van een groep aan straling blootgestelde individuen, gedeeld door het aantal. Het gemiddeld effectief dosisequivalent voor

8 044 8 Radioactiviteit enkele begrippen een lid van de Nederlandse bevolking is ongeveer 2 msv/jaar. Hiertoe dragen bij: natuurlijke stralingsbronnen, met inbegrip van de bijdrage door menselijk handelen: 1,5 msv medische blootstelling (vnl. diagnostiek): 0,4 msv neerslag van radioactieve stoffen (fallout van kernexplosies): 0,01-0,2 msv radioactief afval: 0,01 msv Tsjernobyl eerstkomende jaren: circa 0,06 msv Effecten van ioniserende straling op de mens: ICRP-aanbevelingen De ICRP heeft sinds de jaren dertig haar aanbevelingen voortdurend bijgesteld op grond van de verbeterde wetenschappelijke inzichten ten aanzien van de biologische effecten van straling en het gedrag van de elementen en hun verbindingen in de stofwisseling. De belangrijkste aspecten van de huidige aanbevelingen kunnen als volgt worden samengevat (ICRP, 1977): het beperken van de stralingsbelasting van de bevolking in het algemeen en van radiologische werkers in het bijzonder, is gebaseerd op drie basisprincipes: 1. rechtvaardiging: toepassing van straling of radioactiviteit mag alleen dan geschieden wanneer afweging van de vooren nadelen een aantoonbaar positiever uitslag heeft dan alternatieven; 2. de belasting moet zo laag zijn als redelijkerwijs mogelijk: als de toepassing gerechtvaardigd is, dient deze zodanig plaats te vinden dat de stralingsbelasting zo laag wordt gehouden als redelijkerwijs mogelijk is. Redelijkerwijs houdt in dat een verdere verlaging van het risico niet meer zinvol is met betrekking tot maatschappelijke en economische kosten ; 3. individuele dosislimieten: zelfs wanneer aan de eerste twee voorwaarden is voldaan, is het ongeoorloofd dat bepaalde dosislimieten worden overschreden. Voor radiologische werkers (in Nederland meer dan personen!) is deze dosislimiet 50 msv per jaar; voor zwangere vrouwen is er een extra dosislimiet, het dosisequivalent in de foetus mag

9 044 9 niet meer dan 5 msv bedragen. Voor de overige leden van de bevolking is de limiet 5 msv per jaar; voor langdurige blootstelling van meerdere jaren achtereen geldt een limiet van 1 msv per jaar. het maken van onderscheid tussen stochastische en niet-stochastische effecten. De ICRP-aanbevelingen voor niet-stochastische effecten zijn er op gericht niet-stochastische effecten te voorkomen. De aanbevelingen voor stochastische effecten zijn er op gericht het voorkomen te beperken tot een niveau dat toelaatbaar kan worden geacht. Voor het voorkomen van niet-stochastische effecten geldt voor radiologische werkers een dosislimiet van 0,5 Sv/jaar voor alle organen met uitzondering van de ooglens waarvoor een dosislimiet van 0,15 Sv/jaar is aanbevolen. Voor leden van de bevolking geldt voor niet-stochastische effecten een dosislimiet van een tiende van die voor radiologische werkers. naast uitwendige bestraling wordt grote aandacht besteed aan de inwendige besmetting, waarbij rekening wordt gehouden met het metabolische gedrag van de nucliden en de stralingsgevoeligheid van de verschillende organen. Gevolgen van Tsjernobyl Op 26 april 1986 vond er een ongeval in de kernenergiecentrale in Tsjernobyl plaats. Als gevolg daarvan zijn grote hoeveelheden radioactieve stoffen in het milieu terecht gekomen en over grote delen van Europa verspreid. In Nederland zijn voornamelijk jood-131 en cesium-134 en -137 terecht gekomen. Jood-131 vervalt via bêta- en gammastraling naar het niet-radioactieve edelgas xenon. Cesium vervalt via beta- en gammastraling naar het stabiele isotoop barium. In de eerste week van de besmetting leverde vooral jood-131 problemen op, omdat ongeveer tweederde van de gemeten radioactiviteit op rekening van het jood kwam. Door het fysische verval (halveringstijd 8,04 dagen) was de bijdrage na anderhalve maand minder dan 1%. De activiteit werd toen voornamelijk door cesium-134 en cesium-137 met halveringstijden van respectievelijk 753 dagen en

10 Radioactiviteit enkele begrippen 30,17 jaar, bepaald. De overheidsmaatregelen in mei 1986 (spinazieverbod, graasverbod, schildkliervernietiging) waren er op gericht besmetting met jood-131 te beperken. Het dosisequivalent (voornamelijk door jood-131-besmetting) in mei 1986 wordt geschat op 0,1 msv (10 mrem) voor éénjarige kinderen en op 0,06 msv (6 mrem) voor volwassenen. Het dosisequivalent als gevolg van de cesium-137 besmetting voor de periode na mei 1986 wordt geschat op 0,1 msv per jaar (10 mrem/j) voor éénjarige kinderen en 0,06 msv per jaar (6 mrem/j) voor volwassenen. In de regeling normen radioactiviteit van cesium in eet- en drinkwaren van juni 1986 wordt gesteld dat de maximale activiteit van cesium in melk, melkprodukten en peutervoeding de waarde van 370 Bq/kg niet mag overschrijden, voor overige eet- en drinkwaren is de norm 600 Bq/kg. Een activiteit van 10 Bq/l cesium in melk gedurende één jaar resulteert bij een opname van 0,54 l per dag gedurende één jaar door een éénjarige in een dosisequivalent van 0,018 msv per jaar (1,8 mrem/jaar). In juli 1986 was het gehalte van cesium-137 in koemelk gedaald van ongeveer 21 Bq/l op 4 mei tot waarden beneden 5 Bq/l. In september 1986 was de gemiddelde activiteit van cesium-134 en -137 respectievelijk 0,5 en 1,1 Bq/l. Literatuur Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 26, Pergamon Press, Oxford, Annals of the ICRP, Vol. 1, no. 3 (1977). Gezondheidsraadrapport 1984/20. Advies inzake stralenbescherming in Nederland. De ICRP-aanbevelingen in de praktijk (1984). Gezondheidsraadrapport 1985/7. Advies inzake de wetenschappelijke onderbouwing van het stralingshygiënisch beleid op basis van de UNSCEAR-77, -82 en BEIR-rapporten (1985). Normstelling bij stralingshygiëne. Publicatie nr. 7 van de Nederlandse Vereniging voor Stralingshygiëne (1986). ICRU. The Quality Factor in Radiation Protection. Interna-

11 tional Commission on Radiation Units and Measurements. Report 40, Bethesda, Md, (1986). februari 1987 Dr. ir. H. B. Kal Radiobiologisch Instituut TNO. Rijswijk