Úvod do problematiky ozáření z radonu a jeho dceřiných produktů

 Problematika ozáření člověka přírodními radionuklidy není nová. Odjakživa byl člověk vystaven radioaktivnímu záření přicházejícímu z vesmíru, ze zemské kůry a záření radioaktivních nuklidů přímo obsažených v lidském těle. V tomto století se k němu přidává i složka umělá způsobená zejména rentgenovými vyšetřeními,izotopovými diagnostickými metodami, provozem jaderných elektráren a radioaktivním spadem způsobeným pokusnými výbuchy jaderných zbraní. Jednotlivé složky jsou shrnuty na grafu:

Z tohoto grafu jasně vyplývá , že dominantním prvkem způsobujícím skoro polovinu veškeré radioaktivní zátěže je přírodní radioaktivní plyn radon, resp.jeho dceřiné produkty ( d.p.) .

Radon (a jeho krátkodobé dceřiné produkty /d.p./) vzniká radioaktivní přeměnou z mateřského izotopu rádia 226, které vzniká rozpadem uranu 238, který je v různém množství obsažen v zemské kůře. Na rozdíl od ostatních prvků uran-radiové rozpadové řady je radon inertní radioaktivní plyn se schopností pronikání ze zemské kůry k jejímu povrchu a do atmosféry. Jednotkou aktivity, nejpoužívanější veličiny pro kvantifikaci množství radioizotopu je Becquerel /Bq,s-1/ což je taková aktivita radioizotopu,kdy se za 1 sekundu rozpadne právě jeden atom. Starší jednotka aktivity Curie /Ci/ odvozená z aktivity jednoho gramu radia se přepočítává dle poměru 1 Ci = 3.7E+10 Bq,1 Bq = 27 pCi.

Aktivita souvisí s počtem atomů vztahem

A = N . λ [Bq]

 kde N - je celkový počet atomů.

λ - je rozpadová konstanta [s-1,min-1,h-1,d-1,r-1]

Radon a jeho dceřinné produkty
Pokud radon nemá možnost uniknout z uvažovaného objemu, ve kterém je uzavřen spolu s rádiem,vzniká mezi nimi tzv.stav radioaktivní rovnováhy,což znamená, že se aktivita radonu začíná blížit aktivitě mateřského radia. Nárůst aktivity radonu popisuje vztah

ARn = ARa ( 1 - e- λ. t ) [Bq]

ARn - aktivita radonu v čase t

ARa - aktivita radia

Stejná rovnováha se samozřejmě současně ustavuje i mezi všemi krátkodobými d.p. a radonem. Doba, za kterou se aktivity vyrovnají, odpovídá zhruba 6-ti násobku nejdelšího poločasu dceřiného izotopu v řadě. Pro rovnováhu mezi radonem a radiem je to tedy min. 23 dní, pro rovnováhu mezi radonem a jeho krátkodobými d.p. stačí doba 3 hodiny. Je-li radon odloučen od zdroje radia, rozpadá se známým exponenciálním vztahem

A = A0 / e λ. t [Bq]

kde A - je aktivita radioizotopu v čase t

A0- je počáteční aktivita v čase t = 0

λ - je rozpadová konstanta související s poločasem radioizotopu (doba, za kterou se rozpadne polovina atomů ) vztahem T=ln2/ λ [s,min,h,d,r]

Pro přehled jsou uvedeny základní fyzikální charakteristiky radia,radonu a jeho.d.p.

Izotop Starší označení Typ rozpadu Poločas Energie částic MeV Energie fotonů MeV Zastoupení %
226Ra Ra 1620 let 4.78 0.188 4
222Rn Rn 3.8 dne 5.49 nemá -
218Po RaA 3.05 min 6.00 nemá
214Pb RaB 26.8 min 0.68 0.241
0.294
0.351
10
26
48
214Bi RaC' 19.7 min 1.32 0.609
1.120
1.764
33
15
18
214Po RaC 0.00016 s 7.68 nemá -

Pro výpočty aktivit d.p. platí poměrně komplikované vztahy. S dosazením konkrétních hodnot poločasů lze tyto vztahy zjednodušit do následující formy:

APo218 = ARn (1- e-t/4.39)

APb214 = ARn (1 + 0.128 e-t/4.39 - 1.128 e-t/38.6)

ABi214 = ARn (1 - 0.0235 e-t/4.39 - 4.2594 e-t/38.6 + 3.2829 e-t/28.4)

APo214 = ABi214

přičemž APo218,APb214,ABi214,APo214 - aktivity krátkodobých d.p. radonu

ARn - aktivita mateřského radonu

t - doba od uzavření plynu radonu

Vzhledem k faktu, že aktivita radonu není příliš vhodná pro vyjadřování jeho škodlivých účinků na lidský organizmus byla do roku 2002 používaná tzv.ekvivalentní objemová aktivita radonu -EOAR. Tato jednotka v sobě zahrnovala i faktor nerovnováhy, mezi radonem a jeho d.p., který se v reálných podmínkách bydlení pohyboval okolo hodnoty 0,4 – 0,5. Ještě dřívější legislativa používala (asi nejpřesnější) latentní potenciální energii záření alfa d.p.radonu s jednotkou MeV a MeV/l , vyjadřující součet potenciálních energií alfa částic všech přítomných dceřiných produktů nebo jednotkou WL Working Level a WLM Working Level Month . Snahou těchto veličin bylo zohlednit energii záření alfa d.p.radonu, která je právě tou nejvýznamnější škodlivinou způsobující ozáření plicní tkáně. Jejich vztah nastiňuje následující tabulka.

Izotop Energie Počet atomů na 3.7 Bq Potenciální energie na atom v MeV Celková potenc. energie MeV/3.7 Bq Frakce energie
222Rn 5.49 1.77E+6 nezapočítává se
218Po 6.00 977 6.00+7.68 0.134 E+5 0.10
214Pb 0 8580 7.68 0.659 E+5 0.52
214Bi 0 6310 7.68 0.485 E+5 0.38
214Po 7.68 0.0008 7.68 0.000 E+5 0.00
Celkem 1.287 E+5 1.00
Pro výpočet 1.3 E+5  

Tedy 1 WL se rovná ekvivalentní rovnovážné aktivitě 3.7 Bq/l /100 pCi/l/ radonu, což se rovná latentní potenciální energii záření alfa d.p.1.3 E+5 MeV/l . 1 WLM je expozice v koncentraci 1 WL po dobu průměrného měsíce tj.40x52/12=173 pracovních hodin.Jak je zřejmé z výše uvedeného příkladu je ekvivalentní rovnovážná koncentrace radonu taková koncentrace, která má stejnou potenciální energii alfa částic jako skutečná nerovnovážná směs. Místo jednotky MeV se někdy uvádí jednotka energie SI Joule /J/.Platí 1 MeV = 1.602E-13 J. Zanedbatelný vliv samotného plynu radonu na ozáření epitelu plic je zřejmý z předcházející tabulky , kdy se díky relativně dlouhému poločasu a krátkému zdržení v plicích do celkové latentní potenciální energii záření alfa vůbec nezapočítává.

Současná platná legislativa ve snaze po sjednocení  s předpisy EU a USA a celkovém zpřehlednění problematiky používá již jen objemovou aktivitu plynu radonu OAR v jednotkách Bq/m3 nebo v jeho tisícínásobcích - k Bq/m3

Způsoby měření koncentrací radonu a jeho d.p. v bytech

Způsoby měření radonu a jeho d.p. lze v zásadě rozdělit na dva druhy a to měření krátkodobá a dlouhodobá.

  • Krátkodobá měření - jsou to metody využívající nejrůznějších fyzikálních principů, kterými se více či méně přesně krátkodobě změří objemové aktivity d.p. nebo samotný radon o nichž však víme, že v průběhu roku značně kolísají. Pro tato měření v uzavřených prostorách se nejčastěji používají integrální dozimetry. Na obrázku je znázorněn přístroj na měření radonu EVR5 s detekčními komorami RM200. Jedná se o přístroj využívajícího principu měření  elektrostatického náboje deponovaného na tzv.elektretu. Nabitý elektret je  exponován v definované geometrii - difuzní komůrce a pokles náboje za určitou dobu expozice je úměrný objemové aktivitě radonu v prostorách , kde se detektor nacházel , je ovlivněn i dávkovým příkonem záření gama, proto se tento musí při rozmisťování detektorů také měřit.
  • Dlouhodobá měření trvají většinou celý rok. Nejrozšířenější metodou jsou tzv.detektory stop, jejichž princip spočívá na schopnosti částic alfa radonu a jeho d.p.zanechávat při zabrždění v tenkých foliích miniaturní stopu /využívá se tzv.Braggova efektu/.Zviditelnění stopy se dosáhne leptáním folie, hustota stop potom udává průměrnou objemovou aktivitu radonu v bytě. Detektory stop lze obdržet na okresních popř.obecních úřadech zdarma.

Zajímavou metodou je měření rychlosti přísunu radonu do místnosti pomocí tzv.monitorů, což jsou přístroje schopné vzorkovat objemovou aktivitu v místnosti v krátkých intervalech, tento údaj si zapamatovat a na závěr měření vykreslit nárustovou křivku během tzv.ventilačního experimentu. Na obrázku je monitor radonu od firmy HONEYWELL.

Faktorů, které ovlivňují expozici obyvatel v místnosti je velmi mnoho. Základními zdroji radonu v místnosti můžou být radon unikající z podloží, radon uvolňovaný ze stavebních materiálů a z vody.

Radon z geologického podloží

Zdrojem radonu v místnostech je zpravidla ve zemní vzduch vnikající do budov z podloží podlahou nebo stěnami, které jsou v přímém styku se zemí, dále pak neutěsněnými spárami ,prostupy vody,kanalizace a plynu a všemi otvory vedoucími do země.Je třeba zdůraznit, že pronikání radonu do objektu není jen pasivní ale dům si díky komínovému efektu radon sám přímo aktivně nasává.Ke zvýšení koncentrací v bytě stačí již pronikání několika litrů zemního vzduchu za minutu. Měření probíhá zpravidla tak, že se vtloukanou dutou sondou odebírá půdní plyn z hloubky přibližně 0,8 m (zde již není rozvětrán) a při této příležitosti se zkoumá plynopropustnost – permeabilita podloží, což jsou dva základní údaje potřebné ke stanovení radonového indexu. Radon v podloží staveb se měří zpravidla principem jeho čerpání do tzv.Lucasových komor, což jsou uzavíratelné nádobky s výstelkou ZnS. Tento materiál (možná že jej znáte z černobílých obrazovek televizních přijímačů) má tu vlastnost, že dovede záření alfa od radonu přeměnit na světelný záblesk - scintilaci detekovatelý pomocí fotonásobiče , který jej přemění na běžný elektrický signál. Na obrázku je měřič radonu LUK-2.

Základní metodou stanovení permeability je přímé měření pomocí přístroje Radon-JOK. Z údajů objemové aktivity a permeability se vypočítává hodnota radonového potenciálu RP pomocí vztahu

RP = (cA – 1) / (- log k – 10)

cA – objemová aktivita radnu v kBq/m3

k – permeabilita v jednotkách  m2

rozhodovací kritéria pro stanovení radonového indexu pak jsou tato:

Radonový potenciál pozemku RP Radonový index pozemku
RP < 10 nízký
10 ≤ RP < 35 střední
35 ≤ RP vysoký

Vzhledem k faktu, že se na parcelách mění objemová aktivita radonu od jednotek do stovek kBq/m3 a permeabilita v rozsahu čtyřech řádů, není jednoduše možné tyto hodnoty odečítat z prognózních map nebo odhadovat z měření, prováděných jinde. Návrhem přiměřených protiradonových se zabývá např. ČSN 730601 o ochrana staveb proti pronikání radonu z podloží.

Ozáření ze stavebních materiálů

Stavební materiál zejména některé strusky, škvára, popílek, odval z uranových dolů, fosfosádra mohou obsahovat zvýšený obsah přírodních radioizotopů a být tak významným a velmi obtížně odstranitelným zdrojem radonu a zvýšené úrovně záření gama v místnostech. Proslulé jsou škvárobetonové bloky z Prefy Hýskov se svými typovými domky START a porobeton z Poříčí u Trutnova /VČ kraj/. Jedná se většinou o materiály odpadní, u nichž se buď spalováním nebo jiným technologickým postupem nechtěně dosáhlo zvýšení obsahu radia. Z hlediska ozdravných opatření je to zdroj pravděpodobně nejnákladnější co se týče jeho eliminace u již postavených budov. Současná vyhláška 307/02 Sb. ve znění vyhl.499/05 Sb. pro rozhodování o vhodnosti použití daného stavebního materiálu (na rozdíl od předchozí vyhl.184/97 Sb.) zohledňuje aktivity všech tří základních přírodních radionuklidů tj. Ra-226, Th-228 a K-40. Pro jejich detekci se využívá doprovodné záření gama, které je emitováno vlastními radionuklidy a jejich dceřinnými produkty, se kterými jsou po určité době po hermetizaci vzorku ve stavu radioaktivní rovnováhy. Nevýhodou metody je podmínka hermetického uzavření měřeného vzorku a poměrně dlouhá doba prodlevy mezi uzavřením vzorku a jeho měřením. Obsah radioizotopů ve stavebních materiálech se měří pomocí scintilačních nebo polovodičových detektorů, citlivých na procházející záření gama.Na obrázku jsou zobrazeny dva scintilační detektory, lišící se velikostí krystalu (NaJ/Tl). Tyto detektory se pro odstínění přírodního radioaktivního pozadí umísťují do olověného nebo železného stínění. Tloušťka a materiál stínění velmi silně ovlivňují dobu měření, přesnost stanovení a nejmenší hodnotu, kterou lze ještě detekovat. Mimo scintilačních detektorů se běžně používají i detektory polovodičové. Mají sice nižší účinnost detekce zato výrazně lepší rozlišovací schopnost, jsou ale mnohem dražší a vyžadují chlazení kapalným dusíkem. Na obrázku můžete vidět sestavu GENIE 2000 obsahující polovodičový germaniový detektor od firmy CANBERRA, nezbytnou součástí sestavy je i Dewarova nádoba na kapalný dusík a rám se zesilovači, převodníky a zdroji VN. Samotný analyzátor je integrován v desce a ukryt v PC. Dohromady bratru přes milion Kč (bez krytu) . Podrobnosti o měření a posuzování najdete v odkazu měření stavebních materiálů.

Radon ve vodě

Možnou příčinou zvýšení koncentrací radonu v bytě může být i používaná voda (zpravidla z podzemních zdojů). Radon z vody se uvolňuje zejména při koupání, splachování a sprchování a škodí tím, že jej a jeho d.p.vdechujete. Riziko pití vody se zvýšeným obsahem radonu v porovnání s rizikem vdechování je zanedbatelné.

Ostatní zdroje radonu, jako např.zemní plyn nepředstavují významnější příspěvek.

Vliv ventilace

Na objemové aktivity radonu v místnostech má kromě zdroje největší význam ventilace místnosti. Rychlost ventilace, která udává počet výměn vzduchu v místnosti se za hodinu vymění charakterizuje tzv.ventilační koeficient. Ventilační koeficient je poměr mezi průtokem vzduchu /m3 .h-1/ a objemem daného prostoru/m3/. Závislost rychlosti nárůstu aktivity radonu v místnosti na ventilačním koeficientu vyjadřuje následující graf.

Z grafu je zřejmé, že při ventilačním koeficientu 1 h-1 (objem celé místnosti se vymění v průběhu 1 hodiny) naroste maximální aktivita radonu již za dobu cca 3-4 hodiny a dále již neroste. Při ventilačním koeficientu 0,3 h-1 se tohoto stavu dosáhne za více než 10 hodin, při ventil.koeficientu 0.1 h-1 by došlo k ustavení rovnovážného stavu až za několik desítek hodin. Maximální dosažená OAR roste při klesajícím ventilačním koeficientu. Ventilační koeficient dále ovlivňuje rovnováhu mezi radonem a jeho d.p. Poměr mezi ekvivalentní aktivitou d. p. a aktivitou plynu radonu se nazývá faktor rovnováhy resp.nerovnováhy.

Průběh koncentrace radonu se však v průběhu dne značně mění. Denní maximum nastává v nočních a ranních hodinách pravděpodobně díky minimální komunikaci v bytě. Vysledovat pravidelnost výskytu maxim a minim je nesnadné, neboť značný význam hrají další faktory jako např.tepelný spád, směr a síla větru, vlhkost popř.promrzání půdy. Kromě denních period existují i variace týdenní (různý režim obývání bytu v pracovní dny a přes víkend) a roční. Odtud také pramení požadavek na minimálně týdenní délku meření.