Wie radioaktiv ist Uran?

Natürliches Uran besteht aus$\approx 0.7\ \%$ $^{235}_{92}\mathrm U$, wo der Rest ist$^{238}_{92}\mathrm U$. Frischer Reaktorbrennstoff besteht aus$3.5\ \% {-}4.5\ \%$ $^{235}_{92}\mathrm U$. Beide Uranisotope haben eine sehr geringe spezifische Aktivität und ihre Radioaktivität wird unter normalen Bedingungen keinesfalls eine höhere Dosis verursachen als$20\ \mathrm{mSv}$, das ist die jährliche Grenzdosis für Personen, die mit radioaktiven Stoffen arbeiten (in der EU). Uran ist jedoch chemisch toxisch (wie alle Schwermetalle). Daher sollte es nicht mit bloßen Händen verzehrt oder angefasst werden. Die niedrige spezifische Aktivität$\mathrm{\frac{Bq}{g}}$lässt sich mit der großen Halbwertszeit der Isotope erklären. Dies wird am besten durch die Formel zur Berechnung der spezifischen Aktivität veranschaulicht

$$A=\frac{N_\mathrm{A}\log(2)}{T_{\frac{1}{2}}m}.$$ Daher große Halbwertszeit$T_{\frac{1}{2}}$führt zu sehr geringer Aktivität$A$pro Masse$m$.

Eine ganz andere Frage ist, ob das Uran bestrahlt wurde. In diesem Fall würden Sie mit der Bildung von Spaltprodukten und kleineren Aktiniden beginnen, von denen einige hochradioaktiv sind. Ihre Handhabung erfordert eine spezielle Ausrüstung. Als Faustregel gilt: Je länger die Bestrahlungszeit (z. B. in einem Reaktorkern) und desto dichter der Neutronenfluss$\frac{n}{\mathrm{cm^2\ s}}$desto größer die Radiotoxizität.

Zusammenfassend haben frischer Uranbrennstoff und natürliches Uran eine sehr geringe spezifische Aktivität. Wie auch immer, ich empfehle nicht, mit solchen Materialien zu spielen, weil sie chemisch giftig sind und man nie weiß, ob das Material bestrahlt wurde. Sowohl bei der Radioaktivität als auch in der Medizin ist alles eine Frage der Dosis.

Anmerkung: Ich habe einige Fragen zur Äquivalentdosisform Uran. Hier ist eine einfache (sehr konservative) Schätzung.

Angenommen, wir hätten 1 kg natürliches Uran. Natürliches Uran hat eine spezifische Aktivität von$\approx 2.6 \cdot 10^7\ \mathrm{\frac{Bq}{kg}}$. Hier bedeutet Bq einen Abfall pro Sekunde und misst die Aktivität der Quelle. Angenommen, es emittiert NUR Gammas an$^{137}\mathrm{Cs}$Zerfallsenergie von$0.662\ \mathrm{MeV}$. Nehmen Sie auch an, dass man alles, was von dem Uranbrocken emittiert wird, irgendwie absorbiert hat. Das Einsetzen in Formeln ergibt

$$1\ \mathrm{kg}\times 2.6 \cdot 10^7 \ \frac{\mathrm{Bq}}{\mathrm{kg}} \times 0.667\ \mathrm{MeV}\times 1.6\times10^{-13}\ \mathrm{\frac{J}{MeV}}\times 3600\ \mathrm{\frac{s}{h}}= 9.9\times10^{-3}\ \mathrm{\frac{Sv}{h}}$$ Diese geschätzte Dosisleistung von$9.9\times10^{-3}\ \mathrm{\frac{Sv}{h}}$oder$9.9 \space \mathrm{\frac{mSv}{h}}$ist höher als$0.4\ \mathrm{\frac{\mu Sv}{h}}$um einen Faktor von$1000$, das ist die Obergrenze für die Hintergrund-Strahlungsdosisleistung in Europa. In den USA beträgt das Jahreslimit das Doppelte. Für ein Jahr würde man also akkumulieren $$9.9\times10^{-3} \mathrm{\frac{Sv}{h}} \cdot 365 \mathrm{\space days} \cdot 24 \mathrm{\space hours} = 87 \mathrm{\space Sv}$$ was eine tödliche Dosis ist.

Natürlich emittiert Uran nicht nur$\gamma$Strahlung und Sie können nicht alles davon absorbieren, es sei denn, Sie haben es gegessen, wovon ich abgeraten habe. Außerdem würden Sie nur eine begrenzte Zeit in der Nähe des Materials verbringen. Daher wird die Dosis, die Sie von 1 kg Uran erhalten würden, viel geringer sein als das, was ich berechnet habe. Sie können mit anderen Energien, Strahlungsarten und Belichtungszeiten spielen. Ich entschied mich$\gamma$weil es die höchste Eindringtiefe hat und sich frei in der Luft bewegt. Wohingegen,$\beta$und$\alpha$legen nur kurze Strecken in der Luft zurück und werden typischerweise von der Haut oder der Kleidung gestoppt. Deswegen,$\gamma$ist eine recht konservative Schätzung. Wird nur Uran emittiert$\alpha$Strahlung und Sie absorbierten alles, was das Ergebnis werden wird$27$mal größer.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Ordnungszahl von Uran, die es zu einem hervorragenden Gamma-Absorber macht. Daher wird ein erheblicher Prozentsatz der Gammastrahlen von der Quelle selbst absorbiert.

Darüber hinaus würden die Isotope von Urnaium, wie die meisten radioaktiven schweren Elemente, hochenergetische Alpha-Partikel (Energien um 5 MeV) und nur niederenergetische Gammas emittieren. Mit der energiereichsten Gamma-Linie, die dazu gehört$^{235}_{92}\mathrm U$mit Energie von$0.16 \mathrm{\space MeV}$. Niedrigenergetische Gammas sind leicht zu absorbieren und haben einen geringeren biologischen Gefahrenfaktor. Wie bei allen Alphastrahlern ist die gefährlichste Komponente das Einatmen oder Verschlucken der radioaktiven Quelle.

Da die Quellstärke durch die spezifische Aktivität bestimmt wird, die Einheiten von hat$\mathrm{\frac{Bq}{mass}}$, kann man die Masse verwenden, um auf unterschiedliche Mengen an radioaktivem Material zu skalieren. Ein Gramm würde unter den obigen Bedingungen nachgeben

$$9.9\times10^{-3} \mathrm{\frac{Sv}{h}}\cdot 10^{-3}=9.9\times10^{-6} \mathrm{\frac{Sv}{h}}$$ Würde man von einer Punktquelle ausgehen, die Dosis in der Ferne$R$kann mit dem Abstandsquadratgesetz gefunden werden. $$\mathrm{Dose \space at \space (R=0) \space}\cdot \frac{1}{4\pi\mathrm{R}^2}$$

Echte Werte: Punktquelle von 1 Gramm Natururan in 1 Meter Entfernung liefert

$$\mathrm{2 \cdot 10^{-12} \space\frac{Sv}{h}},$$ das ist viel niedriger als der natürliche Hintergrund. Für diese Berechnungen wurden die ICRP 72 Umrechnungsfaktoren verwendet.

Korrektur: Ich habe falsche Anfangsbedingungen verwendet, ich sprach von Gesamtaktivität, Bit nahm nur den Gamma-Teil der Quelle. Daher habe ich die Berechnung korrigiert.

Sie würden es nicht wagen, ein radioaktives Element anzufassen? Sie würden also keine Banane essen? Sie sind radioaktiv, wie so ziemlich alles, was Sie essen, und der Boden, auf dem Sie leben, und die Luft, die Sie atmen. Radioaktivität ist überall.

Der größte Teil der Radioaktivität beim Menschen stammt von Kalium-40 und ein bisschen von radioaktivem Kohlenstoff. Kalium-40 ist radioaktiver als U-238 .

Natürlich ist das meistens ein Seitenhieb auf Ihr „Ich würde nichts radioaktives anfassen“. Das weitverbreitete Verständnis von Radioaktivität ist gefährlich schlecht, weshalb die Menschen vor Kernbrennstoffen mehr Angst haben als etwa vor dem Abfall aus einem Kohlekraftwerk oder dem eigenen Holzofen.

Die Hauptrisiken beim Umgang mit U-238-Pellets sind:

• Es kann eingenommen werden. Uran ist hier eines der gefährlicheren, da es leicht Späne produziert, die sich in der Luft bewegen und leicht verbrennen können. Der U-238-Zerfall sendet hauptsächlich Alphastrahlung aus, die für Menschen relativ harmlos ist, solange Sie sie draußen halten . Unnötig zu erwähnen, dass es viel problematischer wird, wenn es an Ihrer Lunge haftet und in Ihr Blut gelangt (obwohl dies bereits zusätzliche Probleme aufwirft, da es ein Schwermetall ist – es ist unabhängig von seiner Radioaktivität hochgiftig).
• Es ist sehr konzentriert – Sie halten eine große Platte radioaktiven Materials in der Hand. Das Kalium in einer Banane ist hochgradig radioaktiv, aber so wenig davon, dass es keine wirkliche Gefahr darstellt.

Solange Sie Ihre Handschuhe anbehalten und die Luft isolieren (wie im Video), geht es Ihnen gut, insbesondere wenn Sie etwas aus dem Boden gegraben haben - die Gefahr durch radioaktive Quellen ist umgekehrt proportional zur Lebensdauer dieser Quelle. Uran muss notwendigerweise sehr wenig Radioaktivität haben, da es so lange existiert wie die Erde und es noch viel zu tun gibt.

Spielen Sie jedoch nicht mit diesen Strahlentherapiequellen herum (Warnung: sehr unschön mit viel "wie konnten sie nur so dumm sein"). Wenn Sie sich entscheiden, über diesen Vorfall zu lesen, beachten Sie, dass selbst bei der weitaus gefährlicheren Radioaktivitätsquelle die ernsthaften Gesundheitsprobleme (einschließlich leider Amputation und Tod) das Ergebnis einer langen Exposition (viele Stunden) und / oder Einnahme waren.

Es versteht sich von selbst, dass dies nicht als Ratschlag verstanden werden sollte, weiterzumachen und mit hochradioaktivem Zeug herumzuspielen. Es ist gefährlich, genau wie beispielsweise Quecksilber gefährlich ist. Es kann dich töten. Alle Einrichtungen, die mit hochradioaktiven Stoffen zu tun haben, haben strenge Maßnahmen, um Unfälle zu vermeiden und die Exposition zu messen, und die Handschuhe, die Sie im Video sehen, sind keine typischen Haushaltsreinigungshandschuhe. Von verschiedenen radioaktiven Stoffen können je nach Halbwertszeit und Emissionsverhalten ganz unterschiedliche Gefahren ausgehen.

Wie bei allen Sicherheitsrisiken lautet die Antwort "Es kommt darauf an!". Ein Stück natürliches Uran, das nicht angereichert oder dem Inneren eines Reaktors ausgesetzt wurde, ist nicht stark radioaktiv und Sie können damit mit wenigen Vorsichtsmaßnahmen umgehen. Sie können es sicher in der Hand halten, aber ich würde es genauso behandeln, wie ich alle Schwermetalle behandeln würde, die ein gewisses Maß an chemischer Toxizität haben. Sie müssen sich Sorgen über Toxizität machen, wenn Sie über Ihre Lunge oder Verbindungen ausgesetzt sind: https://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search2/r?dbs+hsdb:@term+@na+@ rel+uran,+radioaktiv

Wenn Sie daran denken, das Metall zu bearbeiten oder chemisch zu verarbeiten, würde ich ernsthafte Vorsichtsmaßnahmen und Kontrollen vorschlagen, wie bei jeder anderen Substanz, die auch nur das geringste Gefahrenpotential hat.

Die Strahlung ist hauptsächlich energiearme Alpha- und Betastrahlung, die nicht durch die Haut gelangen kann, um lebende Zellen zu schädigen ... es sei denn, sie ist bereits im Körper, entweder durch Einatmen oder durch chemische Absorption ... dieselben Vorsichtsmaßnahmen wie bei der chemischen Vergiftung Problem.

Aber hier liegt das eigentliche Problem: Woher wissen Sie, dass Sie es mit einem frischen Stück Uran zu tun haben, das gerade aus der Erde kommt und das keinen Neutronen ausgesetzt wurde? Woher wissen Sie, dass es keine anderen radioaktiven Verunreinigungen enthält, die in einer natürlichen geologischen Umgebung lange zerfallen wären, aber in beliebiger Menge vorhanden sein können, wenn das Material eine Verarbeitungsanlage durchlaufen hat, die mit heißen Materialien umgeht? Vertrauen Sie dem freundlichen Uranhändler um die Ecke, der es Ihnen verkauft hat? Wirklich? Was kümmert ihn deine Gesundheit? Ich würde dem nicht vertrauen, es sei denn, das Material wurde von jemandem, dem man vertrauen kann, ordnungsgemäß getestetIch habe eine unabhängige Möglichkeit, dieses Vertrauen zu überprüfen, dh ich möchte zumindest selbst einen kalibrierten Gamma-/Neutronenmonitor haben und ein System, um alle Materialien, die meinen Besitz durchlaufen, zuverlässig zu markieren. Das ist unbezahlbar.

Diese Frage hat zwei Seiten.

Naiverweise wäre die Antwort "baah, nicht viel", denn es ist nicht besonders aktiv und weder Alpha- noch Betastrahlung sind wirklich gefährlich. Ersteres (das früh in der Zerfallskette auftritt) wird sogar von wenigen Zentimetern Luft absorbiert, und letzteres (das später in der Zerfallskette auftritt) kann die Hornschicht Ihrer Haut nicht durchdringen. Der Kallus ist so oder so totes Gewebe, also macht Strahlung ihm nicht wirklich etwas aus.

Uran ist jedoch direkt toxisch (nephro- und hepatotoxisch und verursacht neurologische Wirkungen) und zerfällt schließlich zu einem akkumulierenden neurotoxischen Element (Blei). Die Toxizität ist im Allgemeinen viel schwerwiegender als die Radioaktivität. Uranstaub kann sehr wohl eingeatmet werden, wenn keine Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden (nicht ungewöhnlich bei der Düngemittelherstellung).

Aber das Schlimmste ist, dass Ihr Körper Uran gerne als "Kalzium" aufnimmt und es in Ihre Knochenmatrix einfügt.
Nun, Sie werden sich erinnern, dass ich gerade gesagt habe, dass Alpha- und Betastrahler ziemlich harmlos sind. Alpha- und Betastrahler in Ihrem Körper und besonders in der Nähe von hochaktivem Gewebe (wie bestimmte Organe, aber auch ... Knochenmark) sind äußerst schädlich.

Wenn Sie außerdem in die Zerfallskette schauen, werden Sie feststellen, dass einige Elemente auftreten, von denen einige (Radon) Gase sind, die Sie weder riechen noch sehen, aber dennoch einatmen und absorbieren können. Polonium ... erinnern Sie sich, mit welcher Substanz der KGB Alexander Litvinenko ermordet hat?

Daher muss die Antwort aus biologischer Sicht lauten: „ sehr “. Mit einfachen Gummihandschuhen und hinter einer Absaugung (oder dem Tragen einer Atemmaske) kann man sicher sicher mit Uran umgehen, aber ansonsten ist es keine so gute Idee, damit zu spielen.

Alle Urannuklide sind radioaktiv. Somit ist auch natürliches Uran radioaktiv; es besteht hauptsächlich aus den Nukliden U-238 und U-235 und enthält auch U-234 im radioaktiven Gleichgewicht mit U-238.

Aufgrund der sehr langen Halbwertszeit von U-238 ($t_{1/2}=4.468\times10^9\ \mathrm a$) und U-235 ($t_{1/2}=7.04\times10^8\ \mathrm a$), jedoch ist die spezifische Aktivität von Natururan relativ gering.

Die gesamte spezifische Aktivität in frisch gereinigtem Natururan beträgt ca$2.5\times10^7\ \mathrm{Bq/kg}$(also nicht nur$15\ \mathrm{Bq/kg}$. Die nuklidspezifische Aktivität in$1\ \mathrm{kg}$Frisch gereinigtes Natururan ist in der folgenden Tabelle angegeben.

$$\textbf{Activity in 1 kg natural uranium}\\ \begin{array}{ll} \hline \text{Nuclide} & \text{Activity}\ a\ \text{in Bq}\\ \hline \text{U-238} & 1.2\times10^7\\ \text{U-235} & 5.8\times10^5\\ \text{U-234} & 1.2\times10^7\\ \hline \end{array}$$

Bei der chemischen Reinigung der Uranprobe werden die verschiedenen Tochternuklide entfernt. Durch den radioaktiven Zerfall von Uran entstehen jedoch neue Tochternuklide der Urannuklide. Beispielsweise hat sich nach einer Wartezeit von einem Jahr die gesamte spezifische Aktivität von Natururan und seinen Folgeprodukten auf etwa verdoppelt$5.0\times10^7\ \mathrm{Bq/kg}$. Die nuklidspezifische Aktivität in$1\ \mathrm{kg}$natürliches Uran nach einem Jahr ist in der folgenden Tabelle angegeben (nur Nuklide mit Aktivität oben$1\ \mathrm{Bq}$werden gezeigt).

$$\textbf{Activity in 1 kg natural uranium including daughter nuclides after 1 a}\\ \begin{array}{ll} \hline \text{Nuclide} & \text{Activity}\ a\ \text{in Bq}\\ \hline \text{U-238} & 1.2\times10^7\\ \text{U-235} & 5.8\times10^5\\ \text{U-234} & 1.2\times10^7\\ \text{Pa-231} & 1.2\times10^1\\ \text{Pa-234} & 2.0\times10^4\\ \text{Pa-234m} & 1.2\times10^7\\ \text{Th-230} & 1.1\times10^2\\ \text{Th-231} & 5.8\times10^5\\ \text{Th-234} & 1.2\times10^7\\ \hline \end{array}$$

Die Dosisleistung durch äußere Exposition verursacht durch a$1\ \mathrm{kg}$Natürliche Uranprobe hängt von der Geometrie ab. Unter der Annahme einer einfachen Punktquellengeometrie in einem typischen Arbeitsabstand von$0.5\ \mathrm m$, kann die effektive Dosisleistung nur von Uranukliden geschätzt werden als$8.0\times10^{-5}\ \mathrm{mSv/h}$. Berücksichtigt man auch die nach einem Jahr entstehenden Tochternuklide, erhöht sich die effektive Gesamtdosisleistung auf$2.9\times10^{-4}\ \mathrm{mSv/h}=0.29\ \mathrm{\mu Sv/h}$, die neben der durchschnittlichen Umgebungsdosisleistung von ca. leicht gemessen werden konnte$0.1\ \mathrm{\mu Sv/h}$. Daher ist der größte Teil der durch natürliches Uran verursachten externen Exposition auf Tochternuklide und nicht auf die Urannuklide selbst zurückzuführen.

EIN$1\ \mathrm{kg}$Natürliche Uranprobe ist jedoch keine Punktquelle. Unter der Annahme einer sphärischen Geometrie hätte die Kugel beispielsweise einen Durchmesser von ca$4.7\ \mathrm{cm}$. Aufgrund der hohen Dichte von Uran wird der größte Teil der von der Uranprobe emittierten Strahlung vom Material selbst absorbiert. In einem typischen Arbeitsabstand von$0.5\ \mathrm m$zu einer solchen Kugel kann die effektive Dosisleistung von Uranukliden geschätzt werden als$8.5\times10^{-7}\ \mathrm{mSv/h}$. Berücksichtigt man auch die nach einem Jahr entstehenden Tochternuklide, so ergibt sich die effektive Gesamtdosisleistung$2.8\times10^{-5}\ \mathrm{mSv/h}$. Daher ist die Dosisleistung einer realen Probe deutlich niedriger als die Dosisleistung einer Punktquelle. Dieser Effekt wird als Selbstabsorption bezeichnet. (Dieser Effekt macht sich besonders bemerkbar, wenn man die Dosisleistung an neuen Brennelementen eines Druckwasserreaktors misst, die aus Urandioxid in Brennstäben mit einer typischen aktiven Länge von ca$4\ \mathrm m$aber einen Durchmesser von weniger als$1\ \mathrm{cm}$. Aufgrund der Eigenabsorption ist die Dosisleistung beim Blick von oben oder unten viel geringer als bei den Seiten.)

Geht man von einer Arbeitszeit von$2\,000\ \mathrm h$pro Jahr würde die Arbeit mit solchen Proben zu einer effektiven Dosis von führen$0.056\ \mathrm{mSv}$pro Jahr. Diese Dosis liegt deutlich unter dem üblichen Dosisgrenzwert für Strahlenarbeiter$20\ \mathrm{mSv}$pro Jahr.

Im Vergleich zur Dosis durch äußere Exposition kann die Dosis durch innere Exposition durch die Aufnahme radioaktiver Stoffe wichtiger sein, da die Entfernungen der relevanten Gewebe zur Quelle offensichtlich viel kürzer sind und die Selbstaufnahme durch die radioaktiven Stoffe nicht relevant ist. Besonders Alphastrahlung kann für die innere Belastung sehr wichtig sein, obwohl sie für die äußere Belastung überhaupt nicht relevant ist.

Offensichtlich ist die Einnahme von a$1\ \mathrm{kg}$Urankugel ist nicht realistisch. Allerdings Einnahme von$1\ \mathrm g$von Uran in Form von Urandioxidstaub käme in Betracht, etwa wenn sich ungeschützte Arbeiter häufig die Hände kontaminieren und später ihre Lebensmittel anfassen. Die resultierende zugesagte effektive Dosis (über 50 Jahre abgegeben) nach Einnahme von$1\ \mathrm g$von natürlichem Uran einschließlich Tochternukliden, die nach einem Jahr entstehen (mit einer Gesamtaktivität von$5.0\times10^4\ \mathrm{Bq}$) kann geschätzt werden als$0.090\ \mathrm{mSv}$(unter Verwendung neuer Dosiskoeffizienten aus der ICRP-Publikation 137 ). Daher kann bei der Arbeit mit Uran die Kontamination ein wichtigeres Problem sein als die Exposition von außen.

Die zugesagte effektive Dosis durch die Einnahme von Urandioxid ist noch relativ gering. Hauptgrund ist die geringe Aufnahme relativ unlöslicher Uranverbindungen aus dem Magen-Darm-Trakt ins Blut. Nur ein Bruchteil von ca$0.2\ \%$der Urannuklide wird angenommen, dass sie nach der Einnahme absorbiert werden.

Bei der Inhalation ergeben sich andere Ergebnisse , wenn solche unlöslichen Uranverbindungen in der Lunge abgelagert werden. Angenommen Inhalation von$100\ \mathrm{mg}$von natürlichem Uran in Form von Urandioxid-Partikelaerosolen mit einem effektiven Durchmesser von$1\ \mathrm{\mu m}$einschließlich der nach einem Jahr entstehenden Tochternuklide (mit einer Gesamtaktivität von$5.0\times10^3\ \mathrm{Bq}$) kann die resultierende effektive Folgedosis (über 50 Jahre abgegeben) geschätzt werden als:$20\ \mathrm{mSv}$. Dieser Wert entspricht dem Jahresdosisgrenzwert für Strahlenarbeiter. Daher ist das wichtigste Problem bei der Arbeit mit Uran (oder ähnlichen relativ unlöslichen Alphastrahlern) das Einatmen von luftgetragener Kontamination.