Čovjek je od svog postanka izložen raznim vrstama zračenja. Danas je osim zračenjima iz prirodnih izvora intenzivno podvrgnut i vještačkom zračenju, koje je uzrokovano ljudskim aktivnostima.

Autori:

prof.dr.sc. Azra Kurtović, dipl.ing.građ.

MA Anel Osmanković, dipl.ing.građ.

SAŽETAK

Odavno je već poznato da je ionizujuće zračenje opasno po žive organizme i može dovesti do promjena u životnoj sredini. Posljednjih godina, kako je svijet zahvatio veliki razvoj tehnologije sve je češća priča i o štetnom uticaju neionizirajućih elektromagnetnih zračenja na čovjekovo zdravlje. Zbog ovakvog djelovanja zračenja u čovjekovom okruženju, otvara se tema zaštite i osiguranja ljudi od raznih vrsta zračenja. U ovom radu je sa aspekta građevinske struke analizirana mogućnost što sigurnije zaštite ljudi primjenom bioloških štitova od najčešće upotrebljavanog materijala – betona. Obzirom da svako zračenje ima svoje specifičnosti, te je nemoguće o zračenjima govoriti općenito, to daje težinu problemu zaštite od zračenja. S druge strane, beton kao materijal čija struktura je stalni predmet izučavanja, uvijek iznova otvara nove probleme, što omogućuje široko polje istraživanja na ovoj temi.

Ključne riječi: zaštita od zračenja, biološki zid / štit, beton

ABSTRACT

It has long been known that ionizing radiation is dangerous to live organisms and can lead to changes in the environment. In recent years, as the world has undergone a great development of technology, story of the harmful influence of nonionising electromagnetic radiation on human health is more common. Because of this kind of radiating action in the human environment, the theme of protecting and securing people from various types of radiation opens. In this paper, from the point of view of the construction industry, analyzes the possibility that secure the safety of people using the biological shield of the most commonly used material – concrete.  Since every radiation has its own specificity, and it is impossible to talk about radiation in general, it makes the radiation protection problem dificult. On the other hand, concrete as a material whose structure is a constant subject of study, always opens new problems, which allows a broad field of research on this subject.

Keywords: radiation protection, biological wall / shield, concrete

1. UVOD

Pod pojmom zračenja ili radijacije podrazumijeva se energija koju elektromagnetni talasi ili snopovi atomskih i subatomskih čestica usmjereno nose kroz prostor. Zračenje može biti čestično i talasno. Čestično zračenje se sastoji od čestica koje posjeduju masu (protoni, α-čestice, β-čestice, neutroni, ioni), dok talasno zračenje čini snop fotona- čestica koje nemaju masu, već su nosioci čiste energije. Svaka čestica, posjedovala masu ili ne, nosi određenu količinu energije, pa se u zavisnosti od energije koju posjeduje, razlikuje ionizirajuće i neionizirajuće zračenje. Ionizirajuće zračenje posjeduje dovoljno energije da pri prolasku kroz materiju može interreagovati s njom izazvajući ionizaciju i u ova zračenja spadaju čestična zračenja (α-zračenje, β-zračenje, neutronsko zračenje, teški ioni) i elektromagnetni talasi (γ-zračenje i redngensko ili x-zračenje).

Neionizirajuće zračenje se odnosi na bilo koju vrstu elektromagnetnog talasnog zračenja koje ne posjeduje dovoljno energije po kvantu da može izazvati ionizaciju. Prema tome, u neionizirajuća zračenja spadaju ultraljubičasto zračenje, vidljiva svjetlost, infracrveno zračenje, mikrotalasno, radiotalasno zračenje, elektremno niske frekvencije. Čovjek je od svog postanka izložen raznim vrstama zračenja. Danas je osim zračenjima iz prirodnih izvora intenzivno podvrgnut i vještačkom zračenju, koje je uzrokovano ljudskim aktivnostima.

U svrhu zaštite od zračenja izrađuju se brojni propisi i preporuke dozvoljenih granica izlaganja za obje grupe zračenja. Da bi se te granice mogle ispoštovati,  a prvenstveno one za ionizirajuća zračenja, potrebno je poštovati tri bazna principa zaštite: vrijeme, distanca i barijera. Treći princip uključuje građevinarstvo u oblast zaštite od zračenja, jer je neophodno graditi odgovarajuće barijere u objektima gdje se takvi izvori zračenja koriste. Ovakve barijere imaju osnovnu funkciju da zaštite čovjeka od opasnog izlaganja zračenju, pa se zbog toga zovu biološki štitovi/zidovi.[1]

2. INTERAKCIJA ZRAČENJA I MATERIJALA

Da bi se mogla razumijeti i analizirati zaštitna moć biološkog zida u pogledu ionizirajućih zračenja potrebno je poznavati prirodu zračenja i njihovu interakciju s materijom. Rukovanje izvorima ionizirajućih zračenja je u prošlosti bilo uzrok raznih oboljenja i povećane smrtnosti, te su vršena opsežna ispitivanja u oblasti interakcije zračenja sa biološkim tkivom. Na osnovu tih ispitivanja pokazalo se da su najopasnije dvije vrste ionizirajućih zračenja po čovjekovo zdravlje, γ i neutronsko zračenje. Biološko tkivo sastoji se od lakih elemenata kao što je vodik, kisik, ugljik, azot. Istraživanja su pokazala da je biološko tkivo upravo takvog sastava jako dobar moderator brzih neutrona, dok γ-zračenje u mnogo većoj mjeri propušta.[2] Na osnovu ovoga došlo se do zaključka da problem zaustavljanja γ-zraka i neutronskog zračenja treba posmatrati odvojeno. Za zaustavljanje i atenuaciju γ-zračenja je neophodna gustoća i sadržaj elemenata visokog atomskog broja, dok neutronsko zračenje jako dobro zaustavljaju elementi niskog atomskog broja, od kojih se vodik pokazao najefikasnijim, jer pri sudaru s vodikovom jezgrom, upadni neutron izgubi najveći dio svoje energije. U zavisnosti od energije fotona, γ-zračenje pri interakciji s materijom može izazvati tri procesa: fotoelektrični efekat, Komptonovo raspršenje i stvaranje parova. Neutroni interreaguju samo sa jezgrama atoma, a u zavisnosti od kinetičke energije koju posjeduju najčešće se pri interakciji javlja elastično i neelastično raspršenje. Neelastično rasprešenje se dešava pri interakciji neutrona visokih energija i nekih elemenata višeg atomskog broja, pri čemu se neutroni usporavaju. Za elastično raspršenje su značajniji laki elementi.[3]

3. OBJEKTI U KOJIMA SE PROJEKTUJU BIOLOŠKI ZIDOVI

Reperezentativni objekti u kojima se primjenjuju izvori ionizirajućih zračenja su nuklearne elektrane, kontejneri nuklearnog otpada, te odjeli radiologije. Cjelokupni projekat ovakvih objekata, a posebice nuklearnih elektrana je jako kompleksan i obuhvata mnogo oblasti. Smjernice za projektovanje vrsta građevina kao što su nuklearne elektrane i kontejneri nuklearnog otpada nisu obuhvaćeni europskim standardima Eurokodovima. Za njih se koriste posebni pravilnici, preporuke i standardi Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA).

Zahtjevi za projektovanje biološkog zida se razlikuju u zavisnosti od objekta u kojem se grade. Pri projektovanju biološkog štita potrebno je u prvom redu poznavati vrstu i jačine izvora ionizirajućih zračenja, uslove okoline, te propisane granične doze na koje je potrebno svesti zračenje da bi se ljudi i oprema zaštitili. Uglavnom su γ i neutronsko zračenje u fokusu razmatranja pri projektovanju bioloških štitova, zbog njihove prodornosti. Problem projektovanja biološkog zida može se posmatrati tako da zračenje predstavlja opterećenje koje zid mora preuzeti u određenoj mjeri. Osnovni faktori kojima se postiže slabljenje intenziteta zračenja su faktori geometrije i atenuacije.[4] Geometrija podrazumijeva veličinu poprečnog presjeka potrebnu da se obezbijedi odgovarajuće slabljenje intenziteta zračenja. Pri projektovanju je jako bitno, podesiti i udaljenost izvora zračenja od biološkog štita.

Atenuacija (prigušivanje) je ukupno slabljenje zračenja kroz štit. Osnovne veličine kojima se iskazuje zaštitna moć biološkog štita su: koeficijent atenuacije , poludebljina  i makroskopski udarni presjek . Kod projektovanja štita za sve vrste zračenja može se uzeti da matematički izraz za atenuaciju ima eksponencijalnu formu, a kao faktor popravke koristi se build-up faktor.[5] Osnovni zahtjevi koji se stavljaju pred materijal za izradu biološkog zida su: velika gustoća, sadržaj elemenata niskog i visokog atomskog broja, otpornost na povišene temperature, čvrstoća, trajnost i ekonomska ispalativost.

4. BETON KAO BIOLOŠKI ZID

Materijal koji se zbog niza svojih prednosti najčešće koristi za gradnju bioloških štitova je beton. Za analizu zaštitne moći betona kao biološkog štita potrebno je sagledati njegovu strukturu na tri nivoa- makrostruktura, mikrostruktura i ultramikrostruktura. Makrostrukturom se obuhvataju cementni kamen i zrna agregata, dok je kontaktna zona, kao treća komponenta kasnije otkrivena elektronskom mikroskopijom što je otvorilo vrata za nove napretke u tehnologiji betona. Mikrostruktura obuhvata poroznost betona, koja je približno cjelokupna sadržana u cementnom kamenu, jer se zrna agregata smatraju apsolutno kompaktnim. Ultramikrostruktura je za oblast zaštite od zračenja najvažnija, jer omogućuje primjenom metoda spektroskopije i elektronske mikroskopije uvid u sastav komponenti betona na nivou atoma i molekula, koje raznim procesima interakcije usporavaju i apsorbuju zračenja.[6]

Cementni  kamen u kojem se samo hemijski vezana voda može uzeti u obzir pri razmatranju atenuacijskih svojstava prema neutronskom zračenju, ne obezjeđuje dovoljnu zaštitu od tog zračenja. Iz tog razloga se upotreba polimera u tehnologiji betona pokazala kao jako dobar način rješavanja ovog problema. Makromolekule polimera sadrže atome vodika, te na taj način obezbjeđuju dobru zaštitu od neutronskog zračenja. Najčešće se koriste polimeri sa dvostrukim vezama i prstenastim spojevima, jer su otporniji na ionizirajuće zračenje od polimera sa zasićenim vezama. Također, u pogledu otpornosti na djelovanje temperature povoljniji su termoplastični polimeri. Na slici 3. je prikazan uticaj količine polimera u sastavu betona na zaštitna svojstva betona. Cementni kamen je s druge strane jako porozan i ne sadrži visok procenat teških elemenata, te je zaštitna svojstva za γ-zračenje potrebno tražiti kod agregata.[1]

Agregati koji se primjenjuju u betonima za biološki zid su agregati čija je gustoća znatno veća od normalnih agregata, pa se stoga nazivaju teškim agregatima. U ove agregate spadaju: magnetit, barit, hematit, getit, limonit, ilmenit, te opiljci željeza i čelika.  Zahvaljući njima se podiže gustoća i sadržaj elemenata visokog atomskog broja u betonu, koji su neophodni za apsorpciju γ-zraka. Takvi betoni se nazivaju teškoagregatni betoni.[1] Na slici 2. je prikazano povećanje koeficijenta atenuacije i smanjenje poludebljine s povećanjem gustoće betona.

Slika 2. Zavisnost masenog koeficijenta atenuacije i poludebljine od gustoće betona[7]

Ispitivanja su pokazala da se za izradu biološkog zida koji ima zadatak atenuirati istovremno emitovanje γ i neutronsko zračenje pokazao efikasan teškoagregatni polimerom modifikovan beton. Tehnologija takvog betona ima određene specifičnosti pri miješanju, ugradnji i njezi zbog velike gustoće koju posjeduje.

Današnja tehnologija betona je znatno napredovala, te se shvatanje pojma teškog betona proširilo i postalo složenije. Prema europskom standardu EN 206 teškim betonima nazivaju svi betoni koji imaju gustoću veću od 2600 kg/m³. Primjena superplastifikatora nove generacije u tehnologiji betona omogućila je izradu gustih betona, sa nižim vodocementnim faktorom (uglavnom 0,34-0,36) čija gustoća doseže i do 2900 kg/m³. Također primjena mineralnih dodataka je unaprijedila kvalitet kontaktne zone između cementnog kamena i zrna agregta, što je riješilo problem postizanja viših klasa čvrstoće betona od C50/60. Takvi betoni se nazivaju betoni visokoh čvrstoća (HSC- High Strenght Concrete) i granica njihove klase čvrstoće je C100/115, prema europskom standardu EN 206. Ovo su betoni koji sadrže pet osnovnih komponenti: cement, agregat, vodu, mineralne dodatke i superplastifikator nove generacije. Betoni koji imaju isti ovakav sastav, no uz poboljšana svojstva trajnosti, volumenske stabilnosti, slabe propustljivosti, visokih mehaničkih svojstava zovu se betoni visokoh svojstava (HPC- High Performance Concrete).[9] Betoni sa čvrstoćama iznad 100 MPa nazvani su betonima ultra visokih čvrstoća (UHSC- Ultra High Strenght Concrete) i za njihovo spravljanje se uglavnom uključuje primjena specijalnih agregata- najčešće teški agregati, te vlakana koji poboljšavaju duktilnost, jer je poznato da betoni sa jako visokim čvrstoćama imaju izrazito krt lom.[10] Prema ovome, današnji pojam teških betona obuhvata i HSC, HPC i UHSC betone, a koji su sastavom jako slični betonima koji se ugrađuju u biološki štit.

Pored zahtjeva za atenuacijska svojstava, pred beton koji se ugrađuje u biološki štit se postavlja i zahtjev otpornosti na povišene temperature, kao i zahtjev trajnosti.

Interesantna je činjenica da se kod betona za izradu biološkog zida problem djelovanja povišene temperature javlja i u svježem i u očvrslom stanju. Naime, biološki zidovi su uglavnom poprečnih presjeka većih od 1 m, pa se zbog toga svrstavaju u masivne elemente konstrukcije. Problem betoniranja ovakvih elemenata se ogleda u razvoju velike hidratacione toplote u jezgru presjeka, koja može izazvati termičke naprsline nepoželjne i u pogledu atenuacijskih svojstava i u pogledu čvrstoće i trajnosti betona. Da bi se izbjegla pojava ovakvih naprslina koriste se cementi niskih hidratacionih toplota i nižih tipova, kao i adekvatna njega i mjerenja temperature unutar presjeka betona. Kada beton ugrađen u biološki zid očvrsne i potom se započne sa upotrebom izvora ionizirajućih zračenja, prilikom prolaska ionizirajućeg zračenja kroz zid i interakcije sa atomskim i subatomskim česticama u strukturi betona, kinetička energija se apsorbuje i pretvara u toplotnu, a mjera te toplote se iskazuje povišenom temperaturom. Dakle, toplota se ponovo razvija unutar betonskog presjeka. U zavisnosti od oslobođene toplote, odnosno visine temperature javljaju se i odgovarajuće posljedice u strukturi betona. Upravo zbog takvih posljedica je Američki institut za beton (American Concrete Institute – ACI) uveo kod nove generacije rekatorskog koncepta ograničenje temperature u jezgru presjeka na maksimalno 65°C, dok lokalno se dozvoljavaju i temperature 90°C.[11] Prema ovom konceptu potrebno je pažljivim projektovanjem obezbjediti odgovarajući intenzitet i udaljenost izvora zračenja. Dodatne probleme stvara činjenica da u životnom vijeku biološkog zida beton se izlaže i promjenama temperature, koje izazivaju dodatne posljedice po strukturu betona gdje najvažniju ulogu ima termički koeficijent linearnog širenja.

Ionizirajuće zračenje prolaskom kroz beton izaziva određene promjene u strukturi betona, kao što su radioloza vode, raskidanje kovalentnih veza, pobuđivanje elektrona, razmještanje atoma u kristalnoj rešetki, što može dovesti do degradacije mehaničkih svojstava betona, kao i smanjenja trajnosti. Međutim, u ovoj oblasti ostaje jako mnogo prostora za nova istraživanja da bi se došlo do relevantnih zaključaka o tome koliko štetno ionizirajuće zračenje utiče na strukturu betona.

5. ZAKLJUČAK

Beton ima dvostruku ulogu. S jedne strane može se primjenjivati za zaštitu od zračenja, dok s druge strane i sam može biti izvor zračenja. Sve komponente koje ulaze u sastav betona sadrže u manjoj ili većoj mjeri radioaktivne elemente koje su povukli iz Zemljine kore, te se zbog toga može govoriti o radioaktivnim svojstvima betona. Količine radioaktivnih elementa u sastavu komponenti betona moraju biti u granicama propisanim odgovarajućim pravilnicima. Obzirom na niz prednosti betona, kao što su dobra konstruktivna svojstava, jednostavna proizvodnja, dostupnost sastojaka, relativno mali troškovi proizvodnje, mogućnost modeliranja raznih oblika, relativno niska cijena, te mogućnost variranja sastava kao kompozitnog materijala i danas je vodeći materijal za gradnju bioloških zidova. Kroz ovaj rad je prikazano da je neminovno izvršiti odgovarajuće modifikacije u sastavu betona da bi se mogla postići adekvatna zaštita od γ i neutronskog zračenja, te ispuniti i ostali zahtjevi.