Aktivitet hos radioaktiva ämnen
Radioaktiva kärnor ("radionuklider") sönderfaller med en för ämnet karakteristisk hastighet. Ett sätt att ange denna hastighet eller "aktivitet", är att mäta antalet sönderfall per tidsenhet hos en viss mängd av ett radioaktivt ämne. I ett gram radium sönderfaller 37 miljarder atomkärnor varje sekund. En brandvarnares strålkälla, americium, har aktiviteten 40 000 Bq.)
Enheten för aktivitet är: Becquerel (Bq), som är antalet sönderfall per sekund.
1 Bq = 1 sönderfall/s.
Film: Avklingning hos Cs 137
Aktiviteten hos en radionuklid avtar över tiden, "avklingar". Ett mått på detta är "halveringstid", d.v.s. den tid det tar innan ämnets aktivitet har nedgått till hälften. (Uran-238 har en halveringstid (T1/2) på 4 500 000 000 år, medan cesium-137, har T1/2 = 30 år, kol-11 har T1/2 = 20 minuter.)
När strålningen joniserar avger den energi. Som ett mått på den mängd energi som upptagits (absorberats) per massenhet har man infört begreppet absorberad dos eller i dagligt tal dos. Dos används för alla typer av strålning och mäts i J/kg = Gray (Gy). Olika typer av strålning kan dock ha olika biologisk verkan för ett och samma värde på dosen. Därför har man infört en kvalitetsfaktor för varje stråltyp. Dosen uttryckt i Gy ska multipliceras med kvalitetsfaktorn för att man ska få ett mått på dosens biologiska verkan, dosekvivalenten, som mäts i sievert (Sv). Detta begrepp används inom all strålskyddsverksamhet.
Joniserande strålning är skadlig för friska organismer som t.ex. en människa utan tumör. Strålningen kan komma från en statisk källa, typ radioaktivt material, eller från en dynamisk fysikalisk process, typ kärnladdningssprängning, kärnreaktor eller accelerator.
Om man begränsar strålkällan till statiskt sönderfall från radioaktivt material och tänker att strålningen kommer från ett eldhandvapen, så har vi genom att ange kvantiteten radioaktivt material talat om hur stort magasinet är. Kan vi dessutom fastställa typ av eldhandvapen, ammunition och räckvidd (strålslag, -energi och transportmedium), eldhastighet (halveringstid) och ammunitionens biologiska effekt i målet (målets känslighet eller kvalitetsfaktor), har vi en bra uppfattning om vilket hot de utgör.
Strålningens förmåga att överföra energi, kan tydliggöras om man kan mäta den energi som tillförts det bestrålade (beskjutna) materialet per massenhet (antal och fördelning av träffar i målet).
Denna storhet kallas absorberad dos och anger den energi som absorberas per enhetsmassa i bestrålat material. Enheten för denna storhet är Gray (Gy).
1 Gy = 1 Joule/kg eller J/kg.
De olika strålslagen lämnar energi på olika sätt: Alfa- och betastrålning lämnar all sin rörelseenergi lokalt, medan röntgen-, gamma- och neutronstrålning endast lämnar en del av sin energi lokalt och sedan fortsätter med en lägre energi.
För att göra strålslagets och dess energiinnehåll (ammunitionens) effektivitet mot människa mätbar, används en viktningskonstant, som utgör en "biologisk kvalitetsfaktor" för skilda strålslag. För röntgen-, gamma- och betastrålning, brukar den sättas till 1, för neutronstrålning, till 10 och för alfastrålning 20. Absorberad alfastrålning är följaktligen 20 gånger farligare än absorberad gammastrålning om man ser till energimängd. Liknelser med handeldvapen blir nu komplicerade eftersom kvalitetsfaktorn avser absorberad dos och inte "avfyrad" strålningsmängd. Biologiska kvalitetsfaktorn multiplicerat med absorberad dos ger storheten, "ekvivalent dos" eller dosekvivalent.
Den ekvivalenta dosen är vad vi i allmänhet menar när vi talar om stråldos. Enheten är Sievert (Sv).
Enheten Sievert är en stor enhet (1 Sv kan ge akut strålskada) varför det är vanligt att ekvivalent dos anges i millisievert - 1 mSv = 0,001 Sv.
Det bör påpekas att när vi anger stråldoser menar vi vanligen helkroppsdos, d.v.s. hela kroppen utsätts för bestrålning. Dödlig helkroppsdos för människa anses ligga i området 3-5 Sv. I medicinska sammanhang är bestrålningen ofta begränsad till en viss kroppsdel eller ett organ. Risken för dödsfall är då mycket mindre. Vid tumörbehandling ges mycket stora doser lokalt, 50 - 60 Sv, uppdelat på dagliga doser under några veckor.
Dödlig dos för olika däggdjur varierar, men understiger 10 Sv. För fullt utvecklade insekter är den ca 100 gånger större.
Inom Försvarsmakten finns begreppet "intensitet", knutet till joniserande strålning. Vad som avses är doshastighet, dos per tidsenhet.
Enheter är: Gray per timme - Gy/h, eller dosekvivalent per timme - Sv/h.
För att göra bedömningar om långsiktiga konsekvenser och behovet av kollektiva skyddsåtgärder för en större bestrålad grupp används begreppet kollektivdos. Med detta menas summan av alla doser som erhållits av individerna iinom ett bestrålat område. Enheten är personsievert (personSv).
I strålskyddssammanhang används enheterna sievert och sievert per timme (Sv, Sv/h).
Äldre enheter för att ange dos och dosekvivalent är: rad och rem.
1 rad = 10 mGy och 1 rem = 10 mSv
Tidigare dominerade användningen av enheterna röntgen och röntgen per timme (R, R/h) för att uttrycka dos och doshastighet. Äldre instrument kan vara graderade i R och R/h. (Röntgen är egentligen enheten för storheten "exposition" vilket uttrycker gammastrålningens förmåga att jonisera luft. Eftersom 1 R ger ungefär 1 rad i luft har de båda enheterna använts synonymt, vilket fysikaliskt är felaktigt. 1 R ger 0,869 rad i luft).
| Sv | mSv | µSv | R | mR |
| 1 | 1000 | 1000000 | 100 | 100000 |
| 0,1 | 100 | 100000 | 10 | 10000 |
| 0,01 | 10 | 10000 | 1 | 1000 |
| 0,001 | 1 | 1000 | 0,1 | 100 |
| 0,0001 | 0,1 | 100 | 0,01 | 10 |
| 0,00001 | 0,01 | 10 | 0,001 | 1 |
| 0,000001 | 0,001 | 1 | 0,0001 | 0,1 |
Tabell 1. Omvandling mellan enheterna Sievert och Röntgen
Det tillstånd då en konfiguration innehållande klyvbart material (främst med uran och/eller plutonium) precis kan upprätthålla en kedjereaktion av kärnklyvningar utan fast neutronkälla. Det fordras mycket speciella förutsättningar för att uppnå kriticitet. I en kärnreaktor sker det normalt avsiktligt, men det kan också ske till följd av missöden eller oavsiktliga handlingar i reaktor eller vid annan hantering av det klyvbara materialet.
För att uppnå en självunderhållande kedjereaktion -kriticitet – i en konfiguration fordras en viss mängd klyvbara nuklider. Hur stor mängd avgörs av i konfigurationen ingående nukliders densiteter, nukleära egenskaper (förmåga till absorption, produktion, moderation och spridning av fria neutroner) samt geometriska fördelning.
Under specifika förhållanden kan konfigurationen optimeras så att en minsta kritisk massa erhålls. En mindre kritisk massa kan fås under andra förhållanden. Den minsta kritiska massan anges oftast för det klyvbara grundämnet, exempelvis i antal kg uran ingående i urandioxid eller i uranmetall.
Den minsta kritiska massan för höganrikat uran och plutonium är under 1 kg, men varierar starkt med de givna specifikationerna.
Säkerheten mot oönskad kriticitet upprätthålls genom att hålla kontroll på att verklig mängd klyvbara nuklider inte kommer i närheten av den minsta kritiska massan och att verksamheten hela tiden ryms inom de specifika förhållanden som gäller för bestämning av den minsta kritiska massan. Detta är noga reglerat i kärntekniska anläggningar och vid transporter, till exempel genom maximalt tillåtna mängder per emballage, hur de får ställas upp och hur många som får förvaras/transporteras samtidigt.
Massan av klyvbara nuklider är en parameter som kan användas för kontroll av kriticitetssäkerhet. Det finns andra parametrar såsom volym, cylinderdiameter, skikttjocklek och koncentration som används på liknande sätt. Parametrarna kan även användas i kombination. Det är inte alltid självklart hur en parameter skall kontrolleras. Exempelvis finns det tillämpningar som kräver att massan av klyvbara nuklider skall vara större än en viss minimigräns. Det har då oftast med moderationsförhållanden att göra.
Med moderation avses lätta nuklider som normalt, genom misstag eller missöde kan finnas närvarande för att bromsa ner neutronerna till en hastighet som ökar sannolikheten för kärnklyvningar. Vatten och plaster är exempel på material som har goda moderationsegenskaper. Väte är den nuklid som ger både vatten och plaster dessa egenskaper.
Huvudprincipen för kriticitetssäkerhet är alltså att förhindra uppkomsten av kriticitet (en nukleär fråga) och i andra hand att skydda sig mot potentiella konsekvenser (både en nukleär och en radiologisk fråga).
Kriticitet är en exakt egenskap hos en konfiguration med klyvbart material. För att få en betydande energiutveckling krävs mer än så. Konfigurationen måste vara överkritisk. Då växer antalet fria neutroner och kärnklyvningar med tiden. För att få en kritisk massa under 1 kg uran eller plutonium måste det finnas mycket vatten eller annan god moderator närvarande. Moderatorn bromsar inte bara neutronerna utan hela händelseförloppet. Energiutvecklingen ger ökad temperatur och minskad densitet. Detta påverkar förloppet starkt och leder till balans eller underkriticitet, åtminstone tillfälligt.
För att få ett högexplosivt förlopp (kärnvapendetonation) krävs avsaknad av moderator och därmed storleksordningen 10 kg klyvbart material av vapenkvalitet. Dessutom krävs synnerligen speciella förutsättningar i övrigt för att kärnklyvningarna skall kunna öka mycket kraftigt i antal under mycket kort tid (mikrosekunder).
Trots att det inte finns förutsättningar för högexplosiva förlopp så måste ändå klyvbara material hanteras med stor respekt. Den normala strålnivån är inte kopplad till faran för kriticitet. Ofta innebär hög strålnivå att faran för kriticitet är lägre än för en liknande konfiguration med låg strålnivå. Det beror då på att att starkt radioaktiva nuklider ofta är neutronabsorbatorer. Det kan också vara ett tecken på att det klyvbara materialet har använts i en reaktor vilket ofta minskar faran för kriticitet.
En annan orsak till att klyvbart material med lägre strålnivå kan ge värre konsekvenser vid oönskat kriticitetsförlopp har med initiering av kedjereaktionen att göra. Med en stark fast neutronkälla (kan vara vissa klyvbara nuklider i materialet) så kommer kedjereaktionen igång redan innan kriticitet. Det ökar sannolikheten för att förloppet uppmärksammas och orsakerna åtgärdas vilket begränsar konsekvenserna. Vid mycket låg neutronstrålning så kan initiering av kedjereaktionen dröja tills exempelvis betydligt mer än en kritisk massa samlas. Förloppet blir då häftigare.
Energiutvecklingen vid viss överkriticitet kan leda till att material sprids ut vilket avstannar kedjereaktionen. Förloppet kan alltså bestå av en enda puls av klyvningar för att sedan upphöra totalt. Snabb ökning av temperatur och minskning av densiteter kan leda till fluktuationer med alternerande över- och underkriticitet, något som påminner om stötkokning. Under vissa förhållanden kan en stabil effektuveckling ske på en nivå som bestäms av konfigurations förmåga att leda bort värme. Strålnivåerna kan lokalt vara höga. Om kedjereaktionerna pågår länge kan betydande mängder radioaktiva klyvningsprodukter spridas till näromgivningen och föranleda beredskapsåtgärder.