Radioaktiivisuudesta ja säteilystä

Jaakko Leppänen – 10.8.2018

Lupasin aikaisempien Fukushiman ja Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuksia käsittelevien blogikirjoitusten yhteydessä jatkaa myöhemmin onnettomuuksien ympäristö- ja terveysvaikutuksista. Kun aloin valmistelemaan aiheesta uutta blogikirjoitusta, teksti alkoi kuitenkin rönsyilemään ja venymään sen verran pitkäksi, että päätin jakaa sen lopulta kahteen osaan. Käsittelen tässä ensimmäisessä osassa aiheen taustoja, eli radioaktiivisuutta ja säteilyä. Kirjoituksen jälkimmäinen osa käsittelee onnettomuuksien varsinaisia seurauksia.

Päätin aloittaa kirjoittamisen perusteista lähinnä siksi, että vaikka radioaktiivisuutta ja säteilyä käsitellään esimerkiksi lukion fysiikan kursseilla, erityisesti annossuureiden tulkitsemiseen liittyy asioita, jotka eivät välttämättä ole aivan itsestään selviä. Aiheesta löytää hyvin tietoa myös verkosta, esimerkiksi Säteilyturvakeskuksen www-sivulta. STUK julkaisee myös ammattikäyttöön tarkoitettua Säteily- ja ydinturvallisuus -kirjasarjaa, joka on ladattavissa ilmaiseksi pdf-muodossa.

Radioaktiivisella hajoamisella tarkoitetaan sitä, että atomiydin muuttuu ilman ulkoisia vaikutteita toiseksi ytimeksi, eli sen nukleonikonfiguraatio muuttuu. Radioaktiivisuus on atomin sisäinen ominaisuus, joka palautuu ytimen protonien ja neutronien väliseen voimatasapainoon. Näihin voimiin liittyy tietty energia, jota kutsutaan ydinfysiikassa sidosenergiaksi. Radioaktiivisen hajoamisen voi ymmärtää esimerkiksi siten, että tietyt protoni-neutroni -konfiguraatiot ovat sidosenergian kannalta siinä mielessä epäedullisia, että muutos nukleonirakenteessa voi johtaa matalampaan energiatilaan. Tällainen ydin on rakenteellisesti epästabiili. Hajoamisreaktion taustalla on siis tavallaan ytimen luontainen pyrkimys kohti matalampaa energiatilaa. Ylimääräinen sidosenergia vapautuu hajoamisen yhteydessä reaktiotuotteiden liike-energian ja sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Tyypillisimmät radioaktiivisen hajoamisen muodot ovat alfahajoaminen, jossa ytimestä irtoaa kokonainen heliumatomin ydin (alfahiukkanen), sekä betahajoaminen, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi (β -hajoaminen) tai päinvastoin (β+ -hajoaminen). Molemmissa tapauksissa reaktiossa muodostunut tytärydin on sidosenergian kannalta lähtötilannetta edullisemmassa tilassa. Radioaktiivinen hajoaminen on myös täysin satunnainen prosessi. Jokaisella epästabiililla ytimellä on joka hetki tietty todennäköisyys hajota, mutta reaktion tarkkaa ajankohtaa on edes teoriassa mahdoton määrittää.i

Alfahajoaminen on tyypillinen reaktio raskaille ytimille. Esimerkiksi uraanin luonnossa esiintyvät U235- ja U238-isotoopit ovat alfa-aktiivisia, samoin monet käytettyyn ydinpolttoaineeseen syntyvistä pitkäikäisistä transuraaneista, kuten plutoniumin isotoopit Pu239 ja Pu240, neptuniumin isotooppi Np237, sekä amerikiumin isotoopit Am241 ja Am243. Sama pätee moniin uraanin hajoamistuotteisiin, esimerkiksi radiumin, radonin ja poloniumin isotooppeihin Ra226, Rn222 ja Po210. Lyijyä kevyemmissä alkuaineissa alfahajoaminen on sen sijaan harvinainen hajoamismuoto, ja monet kevyet alfa-aktiiviset ytimet ovat joko hyvin lyhytikäisiä, tai niin pitkäikäisiä, että niitä voidaan pitää käytännössä stabiileina.

Radioaktiivista β -hajoamista tapahtuu ytimillä, joilla on optimaalisen energiatilan kannalta liikaa neutroneita suhteessa protoneihin. Tällaisia ytimiä löytyy kevyiden alkuaineiden joukosta, esimerkiksi vedyn ja hiilen isotoopit H3 (tritium) ja C14, mutta myös aktinidisarjan alkuaineista (esim. U239, Np239 ja Pu241). Myös lähes kaikki fissioreaktiossa syntyvät keskiraskaat tytärytimet, kuten jodin ja cesiumin isotoopit I131 ja Cs137, hajoavat radioaktiivisella β -hajoamisella. Vaikka reaktio säilyttää nukleonien kokonaismäärän, neutronin muuttuminen protoniksi muodostaa myös ylimääräisen elektronin, joka sinkoutuu korkealla energialla ulos ytimestä.

Toinen betahajoamisen muoto, β+ -hajoaminen, on huomattavasti harvinaisempi, ja käsiteltävän aiheen kannalta vähemmän olennainen. Reaktio voi tapahtua protoniylijäämäisille ytimille, ja sen yhteydessä muodostuu elektronin antihiukkanen, eli positroni. Hiukkas-antihiukkas -parin kohdatessa (annihiloituessa) syntyy sähkömagneettista säteilyä, jota hyödynnetään esimerkiksi positroniemissiotomografiassa (PET). Tavallisin lääketieteellisessä PET-kuvauksessa käytettävä β+ -aktiivinen radionuklidi on fluorin isotooppi F18.

Alfa- ja betahajoaminen tuottavat vastaavasti alfa- ja betasäteilyä. Alfahiukkasilla on syntyessään energiaa useita megaelektronivoltteja, ja ytimen ulkopuolelle sinkoutuessaan ne alkavat vuorovaikuttaa väliaineen atomien kanssa. Kahden protonin muodostama positiivinen sähkövaraus vetää atomien ulkoelektroneja voimakkaasti puoleensa. Sähköiset voimat jarruttavat hiukkasen kulkua, ja sen liike-energia kuluu nopeasti loppuun. Hidastunut alfahiukkanen kaappaa ympäröiviltä atomeilta kaksi elektronia, muuttuen lopulta tavalliseksi heliumatomiksi. Alfasäteilyn kantama on ilmassa muutaman senttimetrin luokkaa, ja kiinteässä väliaineessa vain millimetrin osia. Alfahiukkaset pysähtyvät tehokkaasti esimerkiksi paperiin tai ihon pintakerrokseen.

Betasäteilyllä viitataan tavallisesti nimenomaan β -hajoamisessa syntyviin korkeaenergisiin elektroneihin, joita kutsutaan myös betahiukkasiksi. Betasäteilyn energiaspektri ulottuu kymmenistä kiloelektronivolteista megaelektronivolttialueen puolelle. Myös negatiivisesti varautunut betahiukkanen vuorovaikuttaa väliaineen atomien elektronien kanssa. Betasäteily kulkeutuu ilmassa kymmeniä senttimetrejä, ja kiinteässä aineessakin alfasäteilyä pidemmälle. Säteilyn energia absorboituu vastaavasti suurempaan tilavuuteen. Betasäteily kykenee tunkeutumaan ihon läpi, mutta pysähtyy suhteellisen tehokkaasti esimerkiksi alumiinilevyyn.

Kolmas yleinen säteilylaji on korkeaenergisistä fotoneista muodostuva gammasäteily, joka on osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Gammasäteilyssä ei kuitenkaan ole kyse erillisestä hajoamismuodosta (”gammahajoamisesta”), vaan siitä, että esimerkiksi alfa- ja betahajoamisessa muodostuvat tytärytimet voivat syntyä korkealle viritystilalle, jolloin ytimelle jää reaktion jälkeen ylimääräistä energiaa. Virittyneen ytimen siirtyessä kohti matalampaa perustilaa tämä energia vapautuu fotonien muodossa.

Vaikka radioaktiiviseen hajoamiseen liittyy usein gammasäteilyä, reaktio voi tapahtua myös suoraan tytärytimen perustilalle. Tällöin myöskään fotonien muodostumiseen ei riitä ylimääräistä energiaa. Esimerkiksi tritiumin betahajoamisessa ei synny lainkaan gammasäteilyä, ja poloniumin Po210-isotoopin alfahajoamisessa vapautuu vain yksi fotoni jokaista 80,000 hajoamista kohden. Radioaktiivisen hajoamisen lisäksi gammasäteilyä syntyy monissa ydinreaktioissa, kuten fissiossa, epäelastisessa sironnassa ja radiatiivisessa kaappauksessa.ii

Gammasäteily on läheistä sukua röntgensäteilylle. Raja on jossain määrin häilyvä, ja erot löytyvät lähinnä fotonien energiasta ja syntymekanismista. Röntgensäteilyssä fotonien energiat mitataan kiloelektronivolteissa, kun taas radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä esiintyvän gammasäteilyn spektri ulottuu sadoista kiloelektronivolteista reilusti megaelektronivolttialueen puolelle. Röntgensäteily on tavallisesti korkeaenergisten elektronien hidastumisessa syntyvää jarruuntumissäteilyä, jota voidaan tuottaa röntgenputkessa törmäyttämällä sähkökentässä kiihdytettyjä elektroneja metallikohtioon. Sama mekanismi tuottaa sekundääristä röntgensäteilyä betasäteilyn vuorovaikuttaessa väliaineen kanssa. Myös gammasäteily synnyttää sekundääristä röntgensäteilyä, sillä korkeaenergisten fotonien osumat irrottavat atomeilta elektroneja, jotka aiheuttavat hidastuessaan jarruuntumissäteilyä.

Röntgensäteilyä käytetään läpivalaisussa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa, sillä se kykenee läpäisemään erityisesti kevyistä alkuaineista koostuvia materiaaleja. Fotonien kulkeutumispituus riippuu niiden energiasta, sekä väliaineen elektronitiheydestä. Gamma- ja röntgensäteilyn vuorovaikutukset tapahtuvat pääasiassa atomien elektronipilvessä, joten tehokkaimpia säteilysuojia ovat korkean järjestysluvun raskaat alkuaineet, joiden elektronitiheys on suuri. Korkeaenerginen gammasäteily kulkeutuu esimerkiksi vedessä ja betonissa helposti kymmeniä senttimetrejä, ja kykenee läpäisemään paksuja teräsrakenteita. Suuren läpäisykykynsä ansiosta gammasäteilyä käytetään esimerkiksi teollisuuden radiografiasovelluksissa, sekä materiaalipaksuus- ja pinnankorkeusmittauksissa.iii

Säteilylajit

Kuva 1: Massiivisista heliumatomin ytimistä muodostuva alfasäteily kulkeutuu kiinteässä aineessa vain millimetrin osia, pysähtyen esimerkiksi paperiin tai ihon kuolleeseen pintakerrokseen. Korkeaenergisistä elektroneista muodostuva betasäteily läpäisee ihon, mutta pysähtyy tehokkaasti esimerkiksi ohueen alumiinilevyyn. Läpitunkeva gammasäteily kulkeutuu erityisesti kevyistä alkuaineista koostuvissa aineissa kymmeniä senttimetrejä. Raskaat alkuaineet, kuten lyijy, vaimentavat gammasäteilyä tehokkaasti.

Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyy paljon suureita, ja virallisten SI-järjestelmän johdannaisyksiköiden rinnalla käytetään edelleen yleisesti myös vanhoja 1900-luvun alusta peräisin olevia mittayksiköitä. Eri asiayhteyksissä esiintyvien lukuarvojen vaihteluväli on suuri, mikä tekee mittakaavan hahmottamisesta toisinaan vaikeaa. Radioaktiivisia aineita pystytään havaitsemaan niiden lähettämän säteilyn perusteella pitoisuuksissa, jotka muilla menetelmillä olisivat täysin mittaustarkkuuden ulkopuolella. Esimerkiksi kilpirauhasen liikatoiminnan hoitoon käytettävää radioaktiivista jodia päätyy toisinaan ilmaan polttamalla hävitettävän sairaalajätteen mukana. Päästöt voivat näkyä tarkoissa seurantamittauksissa tuhansien kilometrien päässä lähteestä, vaikka pitoisuudet olisivat vain mikrogramman triljoonasosia kuutiossa ilmaa. Vaihteluvälin toiseen ääripäähän sijoittuu esimerkiksi reaktorissa säteilytetty ydinpolttoaine, jossa radioaktiivisuutta on pienessä tilavuudessa niin paljon, että hajoamisen vapauttama energia ilmenee voimakkaana jälkilämmöntuottona.

Massayksiköitä käyttökelpoisempi tapa mitata radioaktiivisten aineiden määrää tai pitoisuutta onkin tarkastella niiden hajoamisnopeutta. Tätä kuvaa suure nimeltä aktiivisuus, jolla tarkoitetaan aikayksikössä tapahtuvien hajoamisreaktioiden lukumäärää. Aktiivisuuden yksikkönä käytetään ilmiön löytäjän mukaan nimettyä becquereliä (lyhenne Bq), joka vastaa yhtä radioaktiivista hajoamista sekunnissa. Käyttökelpoisia kerrannaisyksiköitä ovat myös kilo- (kBq), mega- (MBq), giga- (GBq) ja terabecquerel (TBq), joilla tarkoitetaan vastaavasti tuhatta, miljoonaa, miljardia ja biljoonaa hajoamista sekunnissa. Virallisen SI-johdannaisyksikön lisäksi aktiivisuudesta käytetään usein myös vanhaa curie-yksikköä (lyhenne Ci), joka on kiinnitetty radiumin Ra226-isotooppin ominaisaktiivisuuteen. Yksi curie vastaa grammaa radiumia, jonka aktiivisuus becquereleissä mitattuna on 37 GBq.

Alla olevaan taulukkoon on koottu esimerkkejä eri suuruusluokkia edustavista aktiivisuuksista ja aktiivisuuspitoisuuksista. Luonnossa esiintyviä radioaktiivisia alkuaineita ovat esimerkiksi uraani ja torium, sekä näiden hajoamissarjoissa muodostuva radium ja radon. Kaliumin radioaktiivinen K40-isotooppi muodostaa noin 0.01% kaikesta luonnossa esiintyvästä kaliumista. Koska kalium on elintoimintojen kannalta välttämätön kivennäisaine, myös sen radioaktiivista isotooppia löytyy paljon kaikista ihmisistä ja eläimistä, sekä monista elintarvikkeista. 1950-1960 -luvuilla tehdyissä ydinkokeissa ja vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa ympäristöön vapautui radioaktiivista cesiumia (Cs137), joka näkyy edelleen Suomen luonnossa. Radioaktiivisia säteilylähteitä käytetään myös erinäisissä teollisuuden ja lääketieteen sovelluksissa.

Suuruusluokka Esimerkkejä aktiivisuudesta
Bq 15 Bq Yhden banaanin keskimääräinen K40-aktiivisuus
96 Bq/m3 Suomalaisasuntojen hengitysilman keskimääräinen radonpitoisuus (Rn222-isotooppi)
600 Bq/kg EU:n asettama suositusraja ruokasienten Cs137-pitoisuudelle
kBq (= 1000 Bq) 1-5 kBq Öljy- ja kaasulampuissa käytettävien toriumia sisältävien hehkusukkien aktiivisuus
4 kBq Aikuisen ihmisen kehon keskimääräinen K40-aktiivisuus
40 kBq Palovaroittimessa olevan Am241-lähteen aktiivisuus
30-100 kBq/m3 Suurimmat Suomesta mitatut hengitysilman radonpitoisuudet
MBq (= 1E6 Bq) 2 MBq/g 1900-luvun alussa valmistettujen radiumia sisältävien itsevalaisevien väriaineiden Ra226-aktiivisuus
20-800 MBq Isotooppitutkimuksissa käytettävien Tc99m-isotooppia sisältävien lääkeaineiden aktiivisuus (per annos)
25-100 MBq/kg Tuoreen ydinpolttoaineen ominaisaktiivisuus
400 MBq Kuluttajatuotteina myytävien tritiumia sisältävien itsevalaisevien kellojen ja kompassien suurin sallittu aktiivisuus
10 MBq – 50 GBq Teollisuuden mittalaitteissa (esim. pinnankorkeusmittari) käytettävien lähteiden aktiivisuus
GBq (= 1E9 Bq) 10 GBq/kg Keskiaktiiviseksi luokiteltavan radioaktiivisen jätteen enimmäisaktiivisuus
TBq (= 1E12 Bq) 4 TBq Teollisuuden radiografiassa käytettävien Ir192-lähteiden aktiivisuus
10 TBq/kg Käytetyn ydinpolttoaineen ominaisaktiivisuus geologisen loppusijoituksen alkaessa
200 TBq Sädehoidossa käytettävän kobolttikeilahoitolaitteen (“kobolttikanuunan”) Co60-lähteen aktiivisuus
PBq (= 1E15 Bq) 2 PBq Curiosity Mars-kulkijan käyttämän MMRTG-ydinpariston Pu238-aktiivisuus
340-800 PBq Arviot Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä
EBq (= 1E18 Bq) 3 EBq 1000 MWe kevytvesireaktorin I131-inventaari reaktorin käydessä
5.3 EBq UNSCEAR:in arvio Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä (pois lukien radioaktiiviset jalokaasut)

 

Käytännössä aktiivisuus on siis säteilevän aineen, kappaleen, näytteen, jne. radioaktiivisuuden määrää kuvaava fysikaalinen suure. Laskennallisesti aktiivisuus riippuu paitsi radioaktiivisten ytimien lukumäärästä, myös isotoopin hajoamisen todennäköisyydestä. Mitä epästabiilimpi ydin on, sitä enemmän sitä sisältävässä aineessa tapahtuu hajoamisreaktioita tietyllä aikavälillä. Tämä tarkoittaa kuitenkin samalla sitä, että myös aineen aktiivisuus putoaa tällöin nopeasti. Korkea ominaisaktiivisuus ja lyhyt elinikä kulkevat siis käsi kädessä. Pitkäikäistä isotooppia sisältävä aine voi vastaavasti säilyttää radioaktiivisuutensa vaikka miljardeja vuosia, sillä hajoamisreaktioita tapahtuu suhteellisen harvakseltaan.

Aktiivisuuden ja radioisotoopin eliniän välinen suhde avautuu parhaiten esimerkin kautta. Edellä todettiin, että vanha curie-yksikkö määriteltiin aktiivisuudeksi, joka vastaa grammaa radiumin isotooppia Ra226. Radiumin puoliintumisaika on noin 1600 vuotta. Huomattavasti pitkäikäisempi uraanin U238-isotooppi hajoaa 4.5 miljardin vuoden puoliintumisajalla, joten grammassa uraania tapahtuu vastaavasti vähemmän hajoamisreaktioita sekunnissa. Ero on yli miljoonakertainen. Radiumgrammaa aktiivisuudeltaan vastaavan uraanimäärän massa mitattaisiin tonneissa.

Radioaktiivisen isotoopin elinikää kuvaavaa puoliintumisaika tarkoittaa yksinkertaisesti aikaa, jonka kuluessa näytteessä olevien ytimien lukumäärä on vähentynyt puoleen. Kahden puoliintumisajan jälkeen alkuperäisistä ytimistä on jäljellä neljäsosa, kolmen puoliintumisajan kuluttua kahdeksasosa, sitten kuudestoista osa, ja niin edelleen. Koska näytteen aktiivisuus on verrannollinen radioaktiivisten ytimien lukumäärään, myös sen putoaminen noudattaa samaa eksponentiaalista lakia.iv

Radioaktiivisten isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin murto-osista miljardeihin vuosiin. Monet luonnossa esiintyvistä radionuklideista ovat syntyneet muun aurinkokunnan muodostavan materian kanssa astrofysikaalisissa prosesseissa miljardeja vuosia sitten. Tällaisia radionuklideja ovat esimerkiksi uraanin isotoopit U235 ja U238 (puoliintumisajat 700 miljoonaa ja 4.5 miljardia vuotta), toriumin isotooppi Th232 (14 miljardia vuotta), sekä kaliumin isotooppi K40 (1.3 miljardia vuotta). Kosmisesta alkuperästä kertoo myös se, että näiden isotooppien suhteelliset osuudet ovat samat kaikkialla luonnossa.

Luonnossa esiintyy myös sellaisia lyhytikäisempiä radioaktiivisia alkuaineita, joita syntyy jatkuvasti lisää. Uraanin ja toriumin pitkäikäiset isotoopit muodostavat kolme hajoamissarjaa, jotka päättyvät yli kymmenen peräkkäisen reaktion jälkeen lyijyn stabiileihin isotooppeihin. Näissä hajoamissarjoissa syntyy luonnollisen taustasäteilyn kannalta merkittäviä radionuklideja, kuten radiumin ja radonin isotooppeja Ra226 ja Rn222 (puoliintumisajat 1600 vuotta ja 3.8 päivää). Avaruudesta tuleva erittäin korkeaenerginen kosminen säteily tuottaa ilmakehän typen kanssa vuorovaikuttaessaan radioaktiivista hiilen C14-isotooppia (puoliintumisaika 5700 vuotta), mihin perustuu esimerkiksi arkeologien käyttämä radiohiiliajoitus.

Luonnon hajoamissarjat

Kuva 2: Aktinidit muodostavat neljä pitkää hajoamissarjaa, joita kutsutaan torium, aktinium, uraani- ja neptuniumsarjoiksi. Ne saavat alkunsa pitkäikäisistä isotoopeista Th232, U235, U238 ja Np237, ja päättyvät stabiileihin lyijyn ja vismutin ytimiin Pb208, Pb207, Pb206 ja Bi209. Luonnonuraanin U235- ja U238-isotooppien suhteelliset osuudet ovat noin 0.7% ja 99.3%. Toriumilla ei ole muita pitkäikäisiä isotooppeja kuin Th232. Neptuniumsarja on muita lyhytikäisempänä hävinnyt kokonaan luonnosta. Kaikki plutoniumin ja sivuaktinidien hajoamisketjut yhtyvät johonkin näistä neljästä sarjasta.

Toiminnassa olevan ydinreaktorin polttoaine muodostaa monimutkaisen sekoituksen uraanin isotooppeja, plutoniumia, sivuaktinideja, sekä satoja fissiossa syntyneitä keskiraskaita tytärytimiä. Reaktorin fissiotuoteinventaari kattaa kaikki jaksollisen järjestelmän alkuaineet suurin piirtein järjestyslukujen 22 ja 69 välissä. Fissiotuotteet ja transuraanit syntyvät neutronisäteilytyksen vaikutuksesta polttoaineen keraamisiin uraanioksiditabletteihin. Käytännössä vakava reaktorionnettomuus ja radioaktiivinen päästö ympäristöön edellyttääkin polttoaineen merkittävää vaurioitumista tai sulamista, sekä sitä, että myös kaikki muut sisäkkäiset vapautumisesteet menetetään.

Reaktorin käydessä sen aktiivisuusinventaaria hallitsevat erittäin lyhytikäiset isotoopit, joista suuri osa kuitenkin hajoaa jo ensimmäisten minuuttien kuluessa ketjureaktion sammuttamisesta. Radioaktiivisen päästön kannalta myöskään erittäin pitkäikäisillä radionuklideilla ei ole suurta merkitystä, sillä niiden aktiivisuus on vastaavasti pieni. Vakavissa reaktorionnettomuuksissa merkittävimmän päästön muodostavat sellaiset helposti vapautuvat radionuklidit, joiden puoliintumisajat mitataan päivissä, kuukausissa, tai korkeintaan kymmenissä vuosissa.

Helposti vapautuvilla aineilla tarkoitetaan käytännössä kemiallisesti inerttejä radioaktiivisia jalokaasuja (esim. xenonin isotooppi Xe133), sekä sellaisia alkuaineita, jotka muodostavat matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia yhdisteitä. Uraanin, plutoniumin ja sivuaktinidien vapautuminen edellyttää lämpötilan kohoamista tuhansiin asteisiin (esim. plutoniumin kiehumispiste on n. 3200°C), mutta tietyt fissiotuotteet esiintyvät kaasumaisina jo reaktorin normaalissa käyttölämpötilassa. Helposti vapautuvia yhdisteitä muodostavat erityisesti cesium ja jodi.

Ydinvoimalaonnettomuudessa vakavimman säteilyriskin lähialueen väestölle muodostaa 8 päivän puoliintumisajalla hajoava jodin isotooppi I131. Lyhyt puoliintumisaika tarkoittaa korkeaa ominaisaktiivisuutta, eli jodin kaltaisen lyhytikäisen radionuklidin päästö voi olla aktiivisuudeltaan suuri, vaikka isotoopin määrä olisi massa- tai tilavuusyksiköissä mitattuna näennäisesti häviävän pieni. Edellä esitetyssä taulukossa annettiin suuren kevytvesireaktorin I131-inventaariksi suuruusluokkaa 3 EBq. Massayksiköissä mitattuna tämä on vain noin 650 grammaa.

Jodipäästön aktiivisuus puolittuu kahdeksan päivän välein, joten päästö häviää jo puolessa vuodessa käytännössä olemattomiin. Ympäristön pitkäaikaisen saastumisen kannalta merkittävin radionuklidi on cesiumin isotooppi Cs137, jonka puoliintumisaika on 30 vuotta. Kuten edellä todettiin, vuonna 1986 tapahtuneesta Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta sekä 1950-1960 -luvuilla tehdyistä ydinkokeista peräisin olevaa cesiumia löytyy edelleen Suomen luonnosta. Kolmas ydinlaskeuman kannalta ongelmallinen radionuklidi on 29 vuoden puoliintumisajalla hajoava strontiumin Sr90-isotooppi. Strontium ei kuitenkaan muodosta matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia yhdisteitä, eikä se siksi vapaudu reaktorionnettomuuksissa ympäristöön yhtä helposti kuin I131 tai Cs137. Ydinräjähdyksen aiheuttamassa päästössä tilanne on olennaisesti erilainen.

Vaikka radioaktiivisen isotoopin määrä ja puoliintumisaika kertovat miten paljon isotooppia sisältävässä näytteessä tapahtuu hajoamisreaktioita aikayksikössä, pelkkä aktiivisuus ei vielä yksin kerro kaikkea hajoamisen yhteydessä syntyvän säteilyn vaarallisuudesta. Eri säteilylajien vuorovaikutusmekanismit poikkeavat toisistaan, ja myös hajoamisreaktiossa vapautuva energiamäärä vaihtelee isotoopista toiseen. Korkeaenerginen alfasäteilijä vaikuttaa elimistöön päästyään eri tavalla kuin matalaenerginen betasäteilijä, vaikka molempien isotooppien aktiivisuus olisikin numeroarvoltaan sama. Myös hajoamisen yhteydessä esiintyvän gammasäteilyn energia ja intensiteetti vaihtelevat. Osa radioaktiivisista isotoopeista hajoaa kokonaan ilman gammaemissiota.

Alfa-, beta- ja gammasäteilyn vuorovaikutukset väliaineessa muuttavat aineen rakennetta atomitasolla. Kemiallisissa yhdisteissä alkuaineiden atomit ovat sitoutuneet toisiinsa voimin, joiden vaikutus palautuu atomien elektronikuorirakenteeseen. Uloimpien elektronien sidosenergia, eli energia joka vaaditaan irrottamaan negatiivisesti varautunut elektroni positiivisen atomiytimen vaikutuspiiristä, mitataan korkeintaan kymmenissä elektronivolteissa. Radioaktiivisen hajoamisen tuottamalla hiukkas- ja sähkömagneettisella säteilyllä voi olla energiaa miljoonakertaisesti, eli useita megaelektronivoltteja. Tämän energian absorboituminen väliaineeseen jättää jälkeensä paljon katkenneita sidoksia ja positiivisesti varautuneita ioneja.v Atomien väliset sidokset järjestäytyvät osumakohdan läheisyydessä uudelleen, ja säteilyn mukanaan kuljettama energia muuttuu lopulta väliaineen lämmöksi.

Atomitason muutokset vahingoittavat myös elävää kudosta, jonka toiminta riippuu monimutkaisista kemiallisista prosesseista. Osuma solun tumaan voi aiheuttaa DNA-juosteen katkeamisen, ja solun biologisen toiminnan häiriintymisen. Suurin osa elävän solun tilavuudesta on vettä. Säteilyn vesimolekyyleissä aiheuttamat ionisaatiot synnyttävät kemiallisesti reaktiivisia vapaita radikaaleja, jotka aiheuttavat välillisiä vaurioita solun sisällä. Säteilyn aiheuttamista vaurioista voi pahimmillaan seurata solun kuolema, tai myöhemmin syöpään johtava mutaatio perimäaineksessa.

Säteilyn biologiset vaikutukset riippuvat paitsi altistuksen voimakkuudesta, myös säteilylajista, ja sisäisen altistuksen tapauksessa säteilyä emittoivan radioaktiivisen aineen kemiallisista ja fysiologisista ominaisuuksista. Suurella nopeudella liikkuva massiivinen alfahiukkanen menettää energiansa hyvin lyhyellä matkalla (korkeintaan kymmeniä mikrometrejä). Tämä tarkoittaa toisaalta sitä, että alfasäteily ei kykene tunkeutumaan esimerkiksi ihon kuolleen pintakerroksen läpi, mutta toisaalta sitä, että keuhkoihin, ruuansulatuskanavaan tai verenkiertoon päätynyt alfasäteilijä voi aiheuttaa suurta tuhoa kehon sisällä. Esimerkiksi Venäjän turvallisuuspalvelu FSB:n entinen upseeri Alexander Litvinenko myrkytettiin Lontoossa vuonna 2006 poloniumin Po210-isotoopilla, joka on voimakas alfasäteilijä. Radioaktiivinen myrkky oli sekoitettu teehen.

Alfasäteilyn tapaan myös betasäteily on vaarallisinta kehon sisäisenä annoksena. Betahiukkasten energia absorboituu ympäröivään kudokseen lähelle säteilyn lähdettä. Esimerkiksi radioaktiivinen jodi kerääntyy kilpirauhaseen, aiheuttaen siellä suuren paikallisen säteilyannoksen. Cesium puolestaan muistuttaa kemiallisesti kaliumia, jolla on merkittävä biologinen rooli solujen aineenvaihdunnassa. Radioaktiivinen Cs137 kertyy erityisesti pehmeisiin kudoksiin, aiheuttaen annosta ympäri kehoa. Ulkoisesti saatuna betasäteily aiheuttaa lähinnä ihovaurioita.

Läpitunkeva gammasäteily ei pysähdy vaatteisiin tai ihon pintaan. Osa ulkopuolelta tulevista korkeaenergisistä fotoneista kulkee vuorovaikuttamatta kehon läpi. Törmäyksiä tapahtuu kuitenkin väistämättä myös elävässä kudoksessa, mikä aiheuttaa soluvaurioita kaikkialla kehossa. Teollisuudessa ja lääketieteessä käyttävät gammalähteet ovat aiheuttaneet säteilyonnettomuuksia, joissa suojaamattomia lähteitä käsitelleet työntekijät ovat tietämättään altistuneet voimakkaalle gammasäteilylle. Ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen lähialueen väestö voi saada ulkoista gamma-annosta päästöpilven kulkiessa alueen yli, tai jos radioaktiivisia aineita päätyy sateen mukana laskeumana maan pinnalle.

Säteilyaltistusta mittaava fysikaalinen suure on nimeltään absorboitunut annos, joka tarkoittaa yksinkertaisesti väliaineeseen massayksikköä kohden absorboitunutta säteilyenergiaa. Annoksen SI-johdannaisyksikkönä käytetään graytä (1 Gy = 1 J/kg), ja sen rinnalla erityisesti Yhdysvalloissa vielä vanhaa yksikköä rad (1 rad = 0.01 Gy). Vaikka absorboitunut annos on puhtaasti fysikaalinen suure, sitä voidaan käyttää kuvaamaan myös voimakkaan säteilyaltistuksen aiheuttamia välittömiä terveysvaikutuksia. Elävät solut kestävät rajallisen määrän säteilyä, ja jos kudokseen absorboituu kerralla paljon energiaa, suuri osa soluista kuolee lyhyen ajan sisällä altistuksesta. Kudosvauriot voivat olla paikallisia, aiheuttaen esimerkiksi ihon palamisen, mutta niiden vaikutukset voivat tuntua myös kauttaaltaan koko elimistössä.

Lyhyellä aikavälillä (esim. yhden vuorokauden aikana) saatu yhden grayn kokokehoannos aiheuttaa merkittäviä soluvaurioita säteilylle herkimmissä kudoksissa, kuten limakalvoilla ja ruuansulatuskanavassa. Vauriot luuytimessä häiritsevät uusien verisolujen tuotantoa, mikä näkyy muutoksina verenkuvassa. Välilliset vaikutukset ulottuvat esimerkiksi ravinnon imeytymiseen ja immuunipuolustukseen. Seurauksena voi olla säteilysairaus, jonka oireina ilmenee yleiskunnon heikkenemistä, pahoinvointia, hiustenlähtöä ja verenvuotoa limakalvoilta. Vauriot pahenevat annoksen kasvaessa. Noin viiden gray kokokehoannos voi lamaannuttaa uusien verisolujen tuotannon, johtaen hengenvaaralliseen anemiaan. Tilaa voidaan hoitaa luuydinsiirroilla. Yli kymmenen grayn annos johtaa hoidosta huolimatta suurella todennäköisyydellä kuolemaan.

Hengenvaarallinen säteilyannos edellyttää käytännössä joko korkea-aktiivisen aineen päätymistä elimistöön (esim. Litvinenkon murha), tai altistumista erittäin voimakkaalle gammasäteilylle siten, että vaikutukset ulottuvat syvälle kehon sisälle. Korkea ulkoinen annos voi aiheutua esimerkiksi voimakkaan suojaamattoman säteilylähteen käsittelystä, tai kriittisyysonnettomuudesta, jossa ketjureaktio käynnistyy reaktorin ulkopuolella fissiilin materiaalin muodostaessa odottamattomasti ylikriittisen geometrian.vi Myös Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden aikaan laitoksella työskennellyt henkilökunta, sekä sammutustöihin osallistuneet palomiehet saivat reaktorin räjähdyksessä vapautuneesta päästöstä tappavan korkeita kerta-annoksia.

Paljon alle yhden grayn jäävät säteilyannokset eivät aiheuta tuntuvia fysiologisia vaikutuksia, ja kudoksille aiheutuneet vauriot paranevat ennen pitkää itsestään. Vauriot DNA-juosteessa voivat kuitenkin jäädä elämään mutaatioina, jotka kehittyvät myöhemmin syöväksi. Säteilyn pitkäaikaisia terveysvaikutuksia voidaan mitata toisella annossuureella, jota kutsutaan efektiiviseksi annokseksi. Yksikkönä käytetään sievertiä (Sv), ja sen rinnalla vanhentunutta rem-yksikköä (1 rem = 0.01 Sv). Sievert ja gray liittyvät läheisesti toisiinsa, sillä efektiivinen annos määritetään absorboituneesta annoksesta erilaisten säteilylajille ja altistuneelle kudostyypille ominaisten painotuskertoimien avulla.vii Yksiköitä käytetään usein ristiin siten, että myös akuuttia säteilyaltistusta mitataan sieverteissä. Monissa säteilytilanteissa molempia voidaan approksimoida samalla lukuarvolla.

Kehon sisäisen efektiivisen annoksen määrittämisessä joudutaan huomioimaan myös radioaktiivisen aineen biologinen rooli, sekä isotoopin hajoamisketjussa mahdollisesti syntyvät radioaktiiviset tytärytimet. Kaliumin tapaan käyttäytyvä cesium poistuu aineenvaihdunnan kautta suhteellisen nopeasti elimistöstä, eikä se pitkäikäisyydestään huolimatta aiheuta vuosia kestävää säteilyhaittaa. Strontium sen sijaan omaksuu elimistössä kalsiumin biologisen roolin, ja ravinnon tai juomaveden mukana saatu Sr90 voi siksi jäädä vuosikymmeniksi luustoon säteilemään. Yksinkertaisimman approksimaation mukaan elimistöön päätyneen radioisotoopin aktiivisuus voidaan liittää efektiiviseen säteilyannokseen erilaisilla isotooppikohtaisilla nautinta-annostekijöillä. Radioaktiivisten aineiden imeytymiseen ja poistumiseen voidaan myös vaikuttaa. Joditablettien syöminen radioaktiivisen päästön aikana kyllästää kilpirauhasen puhtaalla jodilla, mikä vähentää merkittävästi I131:n imeytymistä.

Välittömien fysikaalisten vaikutusten lisäksi kehon kollektiivista säteilyrasitusta kuvaava efektiivinen annos ottaa siis huomioon myös joukon biologisia tekijöitä. Voimakkaan säteilyaltistuksen tiedetään korreloivan esimerkiksi tiettyjen syöpätyyppien esiintyvyyden kanssa. Väestötasolla altistus voi näkyä poikkeama tilastoissa, mikä yksilötasolla tarkoittaa kohonnutta syöpäriskiä. Välittömästi ilmenevien (determinististen) terveysvaikutusten sijaan efektiivistä annosta käytetäänkin säteilybiologiassa eräänlaisena altistusmittarina, joka voidaan liittää esimerkiksi myöhemmin esiteltävää LNT-mallia käyttäen säteilyannoksen pitkällä aikavälillä aiheuttamiin tilastollisiin (stokastisiin) riskeihin.

Koska radioaktiivisia aineita on kaikkialla elinympäristössä, myös kaikki ihmiset altistuvat väistämättä jatkuvasti säteilylle. Ulkoisen taustasäteilyn annosnopeus vaihtelee Suomessa välillä 0.05-0.30 µSv/h. Vaikka ulkopuoliselta säteilyaltistukselta pystyisi suojautumaan täydellisesti, säteilyannosta on mahdoton välttää jo pelkästään siitä syystä, että kehon sisällä tapahtuu suuruusluokkaa 4000 radioaktiivisen K40-isotoopin hajoamisreaktioita joka sekunti (kts. yllä oleva taulukko). Luonnollinen säteilytausta asettaa myös efektiiviset annokset oikeaan mittakaavaan. Suomalaisen keskimääräinen vuotuinen säteilyannos on esitetty lohkokaaviona kuvassa 3.

Annoskakku

Kuva 3: Suomalaisten keskimääräinen vuosittainen säteilyannos. Asuntojen sisäilmassa oleva radon (Rn222) on maaperästä nouseva radioaktiivinen jalokaasu, jota syntyy uraanin U238-isotoopin hajoamissarjassa. Ulkoinen taustasäteily on peräisin maaperässä ja rakennusmateriaaleissa olevista radioaktiivisista aineista. Ulkoista säteilyannosta aiheuttaa myös avaruudesta peräisin oleva kosminen säteily. Kehon sisäisistä radioaktiivisista aineista merkittävin on kaliumin isotooppi K40. Tšernobyl-laskeuma ja ydinkokeet viittaavat käytännössä cesiumin isotooppiin Cs137, jota löytyy edelleen Suomen luonnosta. Lähde: STUK.

Puolet vuotuisesta 3.2 mSv annoksesta aiheutuu sisäilman radonista. Huoneilman radonpitoisuudet voivat kuitenkin vaihdella jopa useita kertaluokkia maantieteellisen sijainnin, maaperän tyypin ja rakennustavan mukaan. Harjualueilla maaperä koostuu huokoisesta sorasta, joka päästää tehokkaasti kaasumaisen radonin läpi. Tällaiselle maaperälle rakennetussa pientalossa sisäilman radonpitoisuus voi helposti nousta niin korkeaksi, että sen aiheuttama säteilannos on moninkertainen suomaisten vuosikeskiarvoon verrattuna. Tilastollisesti kymmenen millisievertin vuosiannos ylittyy noin kahdella prosentilla pientalojen asukkaista, ja korkeimmat annokset ovat olleet jopa satoja millisievertejä vuodessa.

Se, että kuvan 3 annoksissa on yksilötasolla suurta hajontaa, näkyy myös siinä, että säteilyn lääketieteellisen käytön osuus on suhteellisen suuri, vaikka altistus koskettaa vuosittain vain pientä osaa väestöstä. Yksittäinen hammasröntgenkuvaus aiheuttaa potilaalle noin 0.01 millisievertin efektiivisen annoksen. Kehon osien, kuten keuhkojen ja lannerangan kuvauksesta aiheutuvat annokset ovat tyypillisesti kymmeniä kertoja suurempia. Vartalon tietokonetomografiakuvauksesta aiheutuva kerta-annos voi ylittää suomalaisen keskimääräisen vuosiannoksen lähes kolminkertaisesti. Myös radioaktiivisiin merkkiaineisiin perustuvat isotooppitutkimukset altistavat potilaan ylimääräiselle säteilylle. Sydänlihaksen verenkierron tutkimuksessa käytettävissä merkkiainekuvauksissa annos voi ylittää 20 mSv.viii

Radioaktiivisten aineiden ja säteilyn parissa työskenteleviä ammattiryhmiä ovat esimerkiksi monet terveydenhuollon ja ydinvoimalaitosten työntekijät. Lain mukaan säteilytyöntekijöiden efektiivinen vuosiannos ei saa ylittää 50 millisievertin rajaa, tai viiden vuoden keskiarvona 20 mSv vuodessa. Säteilytyöntekijöiden annoskertymää seurataan henkilökohtaisilla dosimetreillä. Seurannan piirissä on Suomessa yli kymmenentuhatta työntekijää. Vuosiannosrajojen ylityksiä tapahtuu harvoin, ja keskimäärin säteilytyöntekijöiden vuosittainen annoskertymä jää alle kymmenen millisievertin.

Varsinaisten säteilytyöntekijöiden lisäksi myös lentohenkilöstö altistuu merkittävästi ylimääräiselle säteilylle. Kosmisen säteilyn annosnopeus matkalentokorkeudessa voi olla yli satakertainen (3-8 µSv/h) maanpinnan tasoon verrattuna. Lentäjien ja matkustamohenkilökunnan säteilyaltistusta arvioidaan laskennallisesti lentotuntien perusteella. Keskimäärin vuosittaiset säteilyannokset ovat olleet 2-3 mSv luokkaa, ja suurimmillaan hieman yli 5 mSv. Satunnaisten kerta-annosten sijaan lentokoneessa työskentely aiheuttaa tasaisen ja pitkäaikaisen säteilyaltistuksen, minkä vuoksi kollektiivista säteilyannosta tarkasteltaessa lentohenkilöstö nousee kaikkein merkittävimmäksi yksittäiseksi ryhmäksi. Jopa kolme neljäsosaa seurannan piirissä olevien työntekijöiden kollektiivisesta annoksesta kertyy lentokoneiden ohjaamo- ja matkustamohenkilökunnalle.

Säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamia stokastisia terveysvaikutuksia arvioidaan lineaariseen ekstrapolaation perustuvalla nk. LNT-mallilla (engl. ”linear no-treshold model”). Malli perustuu tilastolliseen analyysiin ja aineistoon, jota on kerätty seuraamalla säteilylle altistuneiden ihmisten terveydentilaa kymmeniä vuosia altistuksen jälkeen. Merkittävimmän seurantaryhmän muodostavat Japanin atomipommituksista vuonna 1945 selvinneet Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkien asukkaat. Lyhyen aikavälin sisällä saatuna jo alle sadan millisievertin säteilyaltistus on näiden tilastojen perusteella yhdistetty kasvaneeseen todennäköisyyteen sairastua myöhemmin elämässä tiettyihin syöpiin.ix

LNT-mallin tiedetään siis ennustavan varsin luotettavasti säteilyn stokastisia vaikutuksia silloin, kun altistus poikkeaa selvästi luonnon säteilytaustasta. Mallia on kuitenkin kritisoitu paljon siitä, että sitä sovelletaan sellaisenaan myös pieniin ja pitkällä aikavälillä saatuihin annoksiin, jolloin sen epäillään yliarvioivan merkittävästi säteilyn väestötasolla aiheuttamaa syöpävaikutusta. LNT-mallin luotettavuuden arvostelu leimautuu helposti yritykseksi vähätellä ydinvoimalaonnettomuuksien seurauksia, minkä vuoksi aihe on ydinvoimaviestinnän kannalta erityisen vaikea. Väitteille on kuitenkin olemassa vankka tieteellinen pohja, ja mallin käyttöön liittyviä ongelmia on nostettu esille myös ydinenergia-alan ulkopuolella.

Syy siihen miksi suurilla säteilyaltistuksilla havaittu korrelaatio ylipäänsä ekstrapoloidaan koskemaan myös pieniä annoksia on yksinkertaisesti se, ettei parempaakaan tilastollista mallia ole olemassa. Syöpää esiintyy kaikissa väestöryhmissä, ja kaikki ihmiset myös altistuvat jatkuvasti luonnon taustasäteilylle. Vuosittain kirjattavien syöpätapausten lukumäärissä on paljon tilastollista vaihtelua. Taustasäteilyn voimakkuus puolestaan riippuu esimerkiksi asuinpaikasta, eikä tarkan säteilyannoksen määrittäminen ole käytännössä edes mahdollista. Kun lisäys säteilyaltistuksessa on samaa suuruusluokkaa luonnollisen säteilytaustan kanssa, tuntemattomista ja satunnaisista tekijöistä aiheutuva tilastollinen epävarmuus ylittää moninkertaisesti LNT-mallin ennustaman syöpäriskin kasvun. Ongelma palautuu lopulta siihen, että tilastollista korrelaatiota ei ole edes teoriassa mahdollista määrittää silloin, kun se hukkuu täysin aineiston satunnaiskohinaan.

LNT-mallia voidaan tavallaan pitää valistuneena arvauksena, joka antaa konservatiivisia tuloksia. Vaikka mallin soveltuvuudesta pieniin säteilyannoksiin ei ole olemassa tilastollista näyttöä, ei ole myöskään syytä olettaa, että malli ainakaan aliarvioisi syöpäriskiä. Ennusteiden konservatiivisuus ei ole erityisen suuri ongelma sovellettaessa mallia ennaltaehkäiseviin toimenpiteisiin, esimerkiksi määritettäessä rajoituksia ydinvoimalaitosten radioaktiivisille päästöille tai säteilytyöntekijöiden vuosiannoksille. Varovaisuusperiaatteen noudattaminen on tällöin varsin perusteltua. Mallin tuloksia voidaan tällöin tulkita esimerkiksi siten, että niin kauan kuin säteilyn parissa työskentelevien ihmisten vuosiannokset pysyvät sallituissa rajoissa, ylimääräisiltä syöpätapauksilta vältytään hyvin suurella todennäköisyydellä kokonaan.

Tilastollisen näytön puuttuminen ei kuitenkaan ole ainoa syy siihen, miksi LNT-mallin luotettavuutta pidetään kyseenalaisena arvioitaessa pienten säteilyannosten vaikutuksia. Virhettä ylöspäin voidaan nimittäin perustella myös fysiologisilla tekijöillä. Syövän syntymekanismeihin liittyy paljon tuntemattomia tekijöitä, mutta pohjimmiltaan kyse on leviämään päässeestä mutaatiosta solun perimäaineksessa, joka saa terveen kudoksen kehittymään kasvaimeksi. Näitä mutaatioita tapahtuu jatkuvasti, ja soluilla on käytössään erilaisia korjausmekanismeja niiden leviämisen estämiseksi. Säteilyaltistus on yksi mutaatioita aiheuttavista tekijöistä, ja kun altistus kasvaa, myös mutaatioita tapahtuu nopeammin. Solun sisäisille korjausmekanismeille on fysiologisesti ominaista se, että ne pystyvät toimimaan tehokkaasti niin kauan kuin vaurioita tapahtuu hitaammin kuin niitä pystytään korjaamaan. Tällaisessa tilanteessa säteilyannoksen kasvattaminen ei välttämättä kasvata syöpäriskiä, tai annoksen pienentäminen vähennä sitä.

Arkielämän kannalta tutumpi esimerkki samankaltaisten korjausmekanismien toiminnasta on ihon altistuminen ultraviolettisäteilylle voimakkaassa auringonpaisteessa. Lyhytaikainen oleskelu auringossa ei yleensä aiheuta ongelmia vaikka se olisi toistuvaa ja päivittäistä, sillä ihosolut pystyvät altistusten välissä palautumaan ja korjaamaan syntyneet vauriot. Kerta-annoksena tuntien yhtämittainen altistuminen UV-säteilylle voi sen sijaan saada ihon palamaan, minkä on jo merkki vakavista vaurioista solutasolla. Analogia säteilyn pitkäaikaisvaikutuksiin ei ole täydellinen, mutta esimerkki osoittaa sen, että UV-säteilyn vaikutuksia ei voida kuvata tarkastelemalla ainoastaan kumulatiivista altistusta, vaan myös aika, jonka kuluessa vauriot ovat syntyneet, vaikuttaa merkittävästi lopputulokseen.

Ionisoivan säteilyn terveysvaikutuksia kuvaavan LNT-mallin mukaan suuri annosnopeus ja lyhyt altistusaika tuottavat kuitenkin saman lopputuloksen kuin pieni annosnopeus ja pitkä altistus, jos vain kokonaisannos on molemmissa tapauksissa sama. Oletus vaikutusten täydellisestä kumuloitumisesta sopii huonosti yhteen ihmisen fysiologian kanssa, sillä nopeasti saatu suuri annos kuormittaa elimistöä huomattavasti enemmän. Saman suuntaisia tuloksia on saatu myös eläinkokeista sekä molekyyli- ja solutason tutkimuksista, joissa syöpäriskin on havaittu liittyvän vahvemmin annosnopeuteen kuin pitkällä aikavälillä saatuun kokonaisannokseen.

Tunnetuista puutteistaan huolimatta LNT-mallia käytetään yleisesti arvioimaan radioaktiivisten päästöjen suurelle väestölle aiheuttamaa terveyshaittaa, esimerkiksi ydinvoimalaonnettomuuksien jälkeen. Kertomalla mallin antama riskitekijä väestön koolla, saadaan tulokseksi ennuste odotettavissa olevien syöpätapausten kokonaismäärälle. Tätä menetelmää voidaan soveltaa, oli säteilyaltistus miten pieni tahansa, ja jos tarkasteltavan väestön koko on riittävän suuri ja aikaväli riittävän pitkä, lopputulos on aina nollasta poikkeava luku. Kun mallia käytetään tällä tavoin ilman reunaehtoja, sillä on käytännössä mahdoton saada yksiselitteisiä tuloksia. Ongelmaa kuvaa hyvin se, että eri asiantuntija-arviot saattavat poiketa toisistaan jopa useita kertaluokkia jo pelkästään siitä syystä, että säteilylle altistuneen väestön koko on määritelty eri tavalla.

Säteilyturvallisuuden ja -fysiologian ammattilaisten muodostama yhdysvaltalainen Health Physics Society antoi vuonna 2016 uuden suosituksen, jonka mukaan LNT-mallin käyttöä tulisi välttää arvioitaessa säteilyn pitkäaikaisvaikutuksia tilanteissa, joissa annosnopeus on samaa suuruusluokkaa luonnon taustasäteilyn kanssa. Ihmisen keskimääräinen luonnollisesta taustasäteilystä aiheutuva annoskertymä 80 ikävuoteen mennessä on 200-300 millisievertin luokkaa. Suositus asettaa siten kyseenalaiseksi LNT-mallin käytön esimerkiksi tilanteessa, jossa 100 mSv:n ylimääräinen säteilyannos kertyy usean vuosikymmenen aikana. Tšernobylin ja Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuksista suurelle väestölle aiheutuneet säteilyaltistukset jäävät vielä paljon pienemmiksi, mikä puolestaan herättää kysymyksen sitä, pitäisikö laskennallisia arviota syöpätapausten lukumääristä tulkita lainkaan oikeaa suuruusluokkaa edustaviksi tuloksiksi, vai onko kyse pikemminkin hyvin konservatiivisista yläraja-arvioista? Siihen, miksi konservatiivisuutta pidetään huonona perusteluna mallin käytölle väestön terveydentilan ennustamisessa, palataan tarkemmin vielä kirjoituksen jälkimmäisessä osassa.


i) Koska ytimen stabiilisuus määräytyy sen nukleonikonfiguraation perusteella, myöskään radioaktiivisuus ei atomitason mittakaavassa ole ominaisuus joka voi siirtyä ytimeltä toiselle. Radioaktiivisen lähteen säteilykenttään tuotu ei-radioaktiivinen kappale ei tästä syystä (vastoin yleistä mielikuvaa) muutu säteilyn vaikutuksesta radioaktiiviseksi. Aktivoituminen edellyttää aina muutosta nukleonitasolla, sillä jotta aineen stabiilit atomiytimet voisivat muuttua radioaktiivisiksi isotoopeiksi, niiden on joko saatava jostain lisää protoneita tai neutroneita, tai hankkiuduttava niistä eroon. Radioaktiivisen hajoamisen tuottama säteily ei pääsääntöisesti kykene tällaisia ydinmuutoksia aiheuttamaan.

ii) Yleisesti ottaen sähkömagneettista säteilyä syntyy sellaisissa energiamuutoksissa, joihin liittyy sähköisiä voimia (varauksen liiketilan muutos synnyttää sähkö- ja magneettikenttiin häiriöitä, jotka ilmenevät sähkömagneettisena säteilynä). Sähköisessä piirissä kulkevan virran värähtely tuottaa radio- ja mikroaaltoja. Infrapunasäteily liittyy molekyylitason lämpöliikkeeseen, ja näkyvää valoa ja ultraviolettisäteilyä puolestaan syntyy atomien elektronien energiatilamuutoksissa. Gammasäteily on peräisin ilmiöistä, jotka tapahtuvat atomin ytimessä. Sähkömagneettista säteilyä tuottavien ilmiöiden energiatiheys heijastuu suoraan niissä syntyvän säteilyn energiaan. Atomi- ja molekyylitason ilmiöihin verrattuna radioaktiivisessa hajoamisessa ja ydinreaktioissa tapahtuvat energiamuutokset ovat monta kertaluokkaa suurempia, joten myös niissä syntyvillä fotoneilla on huomattavasti enemmän energiaa.

iii) Gammasäteilyn vaimeneminen noudattaa likimain eksponentiaalista lakia, joka tarkoittaa sitä, että intensiteetin suhteellinen muutos kuljettua matkaa kohden on vakio. Eri aineille voidaan tällä oletuksella määrittää sille ominainen puoliintumispaksuus, joka tarkoittaa nimensä mukaisesti materiaalipaksuutta, jonka matkalla säteilyn intensiteetti putoaa puoleen. Esimerkiksi 5 MeV gammafotoneille ilman, veden, betonin ja lyijyn puoliintumispaksuudet ovat n. 200 m, 25 cm, 10 cm ja 1.5 cm. Eksponentiaalinen vaimenemislaki on todellisuudessa kuitenkin vain approksimaatio, joka ei huomioi esimerkiksi fotonien sirontaa ja vuorovaikutuksissa syntyvää sekundääristä säteilyä.

iv) Eksponentiaalinen hajoamislaki tarkoittaa sitä, että radioaktiivisessa näytteessä tietyllä aikavälillä hajoavien ytimien suhteellinen osuus on vakio. Puoliintumisaika kertoo sen aikavälin pituuden, jonka kuluessa radioaktiivisella ytimellä on 50% todennäköisyys hajota. Koska kyse on riippumattomasta satunnaisprosessista, todennäköisyyteen ei vaikuta se, miten kauan ydin on ollut ennen tarkasteluhetkeä olemassa. Yhden puoliintumisajan kuluessa radioaktiivisen näytteen ytimistä hajoaa keskimäärin puolet. Jokaisella jäljelle jääneellä ytimellä on taas 50% todennäköisyys hajota seuraavan puoliintumisajan kuluessa, minkä jälkeen jäljellä on enää keskimäärin neljäsosa alkuperäisistä ytimistä, jne…

v) Alfa-, beta-, röntgen- ja gamma- ja neutronisäteilyä kutsutaan myös ionisoivaksi säteilyksi. Ionisoivaan säteilyyn luetaan toisinaan myös näkyvän valon ja röntgensäteilyn aallonpituusalueiden välimaastoon sijoittuva ultraviolettisäteily, jonka muodostavilla fotoneilla on energiaa kymmeniä tai satoja elektronivoltteja. Säteilysuojelumielessä merkityksellisiä säteilylajeja ovat lähinnä alfa-, beta- ja gammasäteily. Radioaktiiviset lähteet eivät tavallisesti emittoi neutroneita, mikä pätee myös reaktorionnettomuudesta peräisin olevaan ydinlaskeumaan. Vaarallisen voimakkaalle neutronisäteilylle altistuminen edellyttääkin käytännössä kriittisyysonnettomuutta, jossa ketjureaktio käynnistyy odottamattomasti esimerkiksi fissiilin materiaalin käsittelyn aikana.

vi) Esimerkiksi syövän sädehoidossa käytettävät kobolttilähteet pystyvät tuottamaan minuutissa kahden grayn paikallisen annoksen kapean säteilykeilan kohdistuessa suoraan kasvaimeen. Tällaisen säteilylähteen turvallinen käsittely edellyttää tehokasta suojausta, sillä ilman suojaa säteilytaso lähteen läheisyydessä nousee tappavan korkeaksi. Viimeisin vakava kriittisyysonnettomuus tapahtui Japanin Tokai-Murassa sijaitsevassa polttoainelaitoksessa vuonna 1999. Korkeasti väkevöidyn uraaniliuoksen huolimaton ja turvallisuusohjeiden vastainen käsittely johti ketjureaktio käynnistymiseen sekoitusastiassa. Kaksi laitoksen työntekijää kuoli saatuaan korkean säteilyannoksen (6-20 Gy). Osa annoksesta aiheutui gammasäteilyn lisäksi myös fissioreaktioissa vapautuneista neutroneista.

vii) Tarkemmin sanottuna biologista haittaa kuvaava annossuure on nimeltään ekvivalenttiannos, joka määritetään erikseen kehon osille ja sisäelimille. Ekvivalenttiannos on absorboituneesta annoksesta laskettu stokastista säteilyvaikutusta kuvaava suure, joka voidaan liittää esimerkiksi syövän kehittymisen todennäköisyyteen. Laskennassa käytetyt painotuskertoimet ottavat huomioon säteilyn laadun, eli sen, miten todennäköisesti säteilylaji aiheuttaa pitkäkestoisia vaikutuksia kudoksessa. Esimerkiksi voimakkaasti ionisoivan alfasäteilyn arvioidaan olevan 20 kertaa karsinogeenisempaa kuin beta- tai gammasäteilyn, vaikka absorboitunut annos olisi molemmissa tapauksissa sama. Koko elimistön kollektiivista säteilyhaittaa mittaava efektiivinen annos saadaan painotettuna keskiarvona ekvivalenttiannoksista, painottamalla säteilylle altistuneita kudoksia niille ominaisilla kertoimilla. Nämä kertoimet ottavat huomioon esimerkiksi sen, että eri kudostyypit kestävät säteilyä eri tavoin, ja myös niiden rooli elimistön toiminnan kannalta on erilainen. Uusia verisoluja muodostavan luuytimen saama säteilyannos on vahingollisempi kuin vastaavan suuruinen ekvivalenttiannos iholle. Sisäelinkohtaisten ekvivalenttiannosten tarkka määrittäminen edellyttää varsin yksityiskohtaista tietoa säteilyaltistuksesta, mutta efektiivisen annoksen suuruusluokka voidaan arvioida myös käyttämällä erilaisia approksimaatioita. Tästä syystä efektiivinen annos on käyttökelpoinen suure määritettäessä esimerkiksi säteilyaltistusta väestötasolla, tai säteilytyöntekijöiden vuosiannoskertymää.

viii) Säteilyn lääketieteellisessä käytössä suurimmat annokset aiheutuvat syövän sädehoidosta, jolloin kasvaimeen kohdistuva absorboitunut annos voi olla kokonaisuudessaan jopa 50-70 Gy. Säteilytys annetaan useampana hoitokertana, välttäen mahdollisuuksien mukaan altistusta terveeseen kudokseen. Potilaan efektiivinen kokokehoannos voi siitä huolimatta kasvaa huomattavasti suuremmaksi kuin röntgen- ja isotooppitutkimuksissa. Rankat hoitojaksot voivat aiheuttaa potilaalle palovammoja, ja jopa säteilysairauden oireita.

ix) Säteilyn terveysvaikutuksia on käsitelty varsin yksityiskohtaisesti STUK:in Säteily- ja ydinturvallisuus -kirjasarjan neljännessä osassa. Syövän syntymekanismeja ja esim. pienten annosten vaikutuksia arvioivia tilastollisia malleja selitetään tarkemmin kirjan viidennessä luvussa.

Mainokset

Yksi ajatus artikkelista “Radioaktiivisuudesta ja säteilystä”

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s