Radyasyon hasarı

Radyasyon hasarı, iyonlaştırıcı radyasyonun fiziksel nesneler üzerindeki etkisidir. Radyobiyoloji, iyonlaştırıcı radyasyonun ve radyasyonun insan sağlığına etkileri de dahil olmak üzere canlılar üzerindeki etkisini araştıran bilim dalıdır.

Bir X ışını makinesinde veya bir parçacık hızlandırıcı kullanımı sırasında hızlandırıcıya gelen radyasyonda olduğu gibi, bu tip parçacıkların bir hedefle çarpışmasından salınan enerjik parçacıklar veya elektromanyetik radyasyon (X-ışınları).

Doğal olarak meydana gelebilen, hızlandırıcılardaki çarpışmalarla yaratılan veya bir nükleer reaktörde oluşturulan, radyoaktif elementlerin bozunmasıyla salınan parçacıklar veya çeşitli ışın türleri. Bunlar terapötik veya endüstriyel kullanım için üretilmiş, nükleer kaza sonucu salınmış veya bir kirli bomba ile bilinçli olarak salınmış, savaş veya nükleer test amacıyla bir nükleer silahın patlatılması nedeniyle atmosfere, zemine veya okyanusa salınmış olabilir.

Malzemenin radyasyon içermesi sonucu içindeki elementlerin nükleer dönüşümü ile. Örneğin, malzemelerin mekanik özelliklerini değiştirebilen, şişme ve gevrekleşmeye neden olabilen hidrojen ve helyum üretimi.

Malzemenin içinde, malzemeyi zayıflatabilen, polimerleşmesine, korozyonu teşvik etmesine, değersizleşmesine, çatlamaya neden olmasına veya arzu edilen mekanik, optik veya elektronik özelliklerini değiştirmesine neden olan radyoliz ile (kimyasal bağları kırarak).

İyonizasyon ile, özellikle elektronik ekipmanlarda kullanılan yarıiletkenlerde iletkenlik yitimine neden olarak, daha sonraki akımlarda çalışma hatalarına neden olur ve hatta cihazlara kalıcı olarak zarar verir. Nükleer sanayi ve atmosfer ötesi (uzay) uygulamalar gibi yüksek radyasyon ortamları için tasarlanan cihazlar, tasarım, malzeme seçimi ve üretim yöntemleri yoluyla bu etkilere karşı radyasyon sertleştirmeye tâbi tutulabilir.

Radyasyon, katı malzemelerin özelliklerini bozarak katı malzemeler üzerinde zararlı etkilere neden olabilir. Böylece katı malzemeler artık mekanik olarak sağlam olmazlar. Bu etkiler önemli bir endişe kaynağıdır, çünkü katı malzemelerin nükleer reaktörlerde performans göstermelerini büyük ölçüde etkileyebilir. Radyasyon malzeme bilimi, radyasyonun etkilerini azaltmakla uğraşan bir alandır.

Kullanımları ve radyasyona maruz kalmaları nedeniyle metaller ve beton üzerindeki etkiler özel çalışma alanlarındandır. Metaller için radyasyona maruz kalma, radyasyon sertleştirmesine yol açarak önce malzemeyi güçlendirir ve sonrasında gevrekleştirir (dayanıklılığı azaltır, kırılgan çatlakların oluşmasına yol açar). Söz konusu gevrekleşme, hem başlangıç etkileşimi, hem de sonucunda ortaya çıkan bir hasar dizisi yoluyla atomları örgü alanlarından dışarı atmanın bir sonucu olarak ortaya çıkar, bu da kusurların ve dislokasyonların (işlem sertleştirmesine ve çökelim sertleştirmesine benzer şekilde) vuku bulmasına yol açar. Tane sınırı mühendisliğinin termomekanik işleme yoluyla, kırık modunu tanelerarasından (tane sınırları boyunca meydana gelen) taneiçsele çevirerek bu etkileri hafiflettiği gösterilmiştir. Bu çevrim, radyasyonun gevrekleştirici etkisini azaltarak malzemenin mukavemetini arttırır. Radyasyon ayrıca atomların malzeme içinde birikimine ve yayılmasına yol açarak faz ayrımının değişimine ve boşluklara neden olmanın yanı sıra, hem su kimyasında hem de alaşım mikroyapısındaki değişikliklerle gerilimli yenim çatlamasının etkilerini arttırır.

Beton, radyasyon içerdiği gibi yapı malzemesi olarak nükleer santrallerde yaygın olarak kullanıldığından radyasyonun beton üzerindeki etkisi de büyük önem taşımaktadır. Kullanım ömrü boyunca, betonun normal yaşlanma sürecinden dolayı özellikleri doğal olarak değişir, ancak nükleer maruziyet nedeniyle beton agregalarının şişmesi ve dolayısıyla dökme malzemenin zarar görmesi, mekanik özelliklerin kaybına yol açacaktır. Örneğin, reaktörün biyolojik zırhı sıklıkla zırh içinden radyasyon akışını azaltmak için yoğun agregaların eklendiği Portland çimentosundan oluşur. Bu agregalar şişebilir ve zırhı mekanik olarak dayanıksız hâle getirebilir. Çok sayıda çalışma, basınç ve gerilme mukavemetinin yanı sıra betonun esneklik mödülünde kare santimetre başına yaklaşık 10 19 nötronluk bir mertebede azalmalar olduğunu göstermiştir. Aynı durumunun beton ve çeliğin bir bileşimi olan betonarme yapıda da var olduğu gösterilmiştir.

Fisyon reaktörlerindeki malzemelerin; sıcaklık, maruz kalınan radyasyon dozu, malzeme bileşimleri ve yüzey işlemlerinin etkileri bakımından analizinden elde edilen mevcut bilgiler, gelecek fisyon reaktörlerinin tasarımında ve füzyon reaktörlerinin geliştirilmesinde yardımcı olacaktır.

Radyasyona maruz kalan katılar sürekli olarak yüksek enerjili parçacıklar ile bombalanmaktadır. Parçacıklar arasındaki ve reaktör malzemelerinin örgü atomları arasındaki etkileşim nedeniyle atomlarda yer değiştirme gerçekleşir. Sürekli bombardıman boyunca, bazı atomlar örgü bölgelerinde dinlenmez, bu da kristal yapı kusurlarının ortaya çıkmasına neden olur. Ortaya çıkan kusurlar malzemenin mikroyapısında değişikliklere neden olur ve sonuçta bir dizi radyasyon etkisine neden olur.

İki atom arasındaki etkileşimin olasılığı, termal nötron kesit alanına (barn ile ölçülür) bağlıdır. Makroskopik kesit alanı verildiğinde Σ = σρ ve reaksiyon oranı R = ΦΣ = Φσρ göz önüne alındığında, etkileşim olasılığı Pdx = N j σ (Ei) dx = Σdx olur. Aşağıda yaygın olarak bilinen atomların veya alaşımların kesit alanları listelenmiştir.

Mikroyapısal evrim, sürekli bir radyasyon periyodu boyunca kusurların malzemede birikmesi ile gerçekleşir. Kusurların birikmesi, kusur rekombinasyonu, kusurların kümelenmesi ve çukurlardaki kusurların yok edilmesi ile sınırlıdır. Kusurlar, çukurlara termal olarak geçmeli ve bu sırada sıklıkla rekombinasyon yapmalı veya rekombinasyon için çukurlara ulaşmalıdır. Çoğu durumda, Drad = DvCv + DiCi >> Dtherm, yani radyasyon sonucu bir malzemenin örgü yapısı boyunca arayerlerin hareketi ve atom boşlukları aynı malzemenin termal yayınımından ağır basar.

Çukurlara doğru olan atom boşlukları akısının bir sonucu, ona karşılık gelen çukurların dışına doğru bir atom akısıdır. Atom boşlukları (vacancies), çukurlarda toplanmadan önce yok olmazlarsa veya rekombine olmazlarsa boşluklar (voids) oluştururlar. Malzemeye bağlı olarak yeterince yüksek sıcaklıkta, bu boşluklar alaşımın ayrışmasından çıkan gazlarla doldurularak malzemede şişmeye yol açar. Bu, basınçlı su reaktörleri gibi sürekli radyasyon bombardımanı altında bulunan basınca duyarlı veya kısıtlı malzemeler için önemli bir konudur. Çoğu durumda radyasyon akısı kesinbileşimli değildir, bu da alaşım içinde birikime neden olur. Bu kesinbileşimli olmayan akı, tane sınırlarının yakınındaki atomların ve dislokasyonların hareketinin engellendiği yerel bileşimde önemli değişikliklere neden olabilir. Kesinbileşimli olmayan akı devam ettiğinde, çukurlardaki çözünen zenginleşmesi yeni fazların çökelmesine neden olabilir.

Radyasyon sertleştirmesi; söz konusu malzemenin, kusur kümeleri, safsızlık-kusur küme karmaşıklıkları, dislokasyon ilmekleri, dislokasyon çizgileri, boşluklar, kabarcıklar ve çökeltiler ile güçlendirilmesidir. Basınçlı kaplar için, sertlikteki artışın bir sonucu olarak meydana gelen süneklik kaybı özel bir endişe kaynağıdır.

Radyasyon gevrekleşmesi, gerinim sertleşmesindeki azalmaya bağlı olarak (radyasyona maruziyet sırasında sertleşme hâlihazırda gerçekleştiği için) kırılma enerjisinin azalması ile sonuçlanır. Gevrekleşme, radyasyon sertleşmesinin nedenlerine çok benzer nedenlerle gerekçelendirilir; kusur kümelerinin gelişimi, dislokasyonlar, boşluklar ve çökeltiler. Bu parametrelerdeki varyasyonlar gevrekleşmenin kesin miktarını tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır ancak ölçüm için genelleştirilmiş değerler tahmin edilebilir tutarlılık göstermektedir.

Radyasyona tâbi tutulmuş malzemelerde ısısal sürünme, 10−6s−1'i geçen radyasyon sürünmesine kıyasla ihmâl edilebilirdir. Sürünmenin altında yatan mekanizma, yükselen sıcaklığa göre sezgisel olacağı için gelişmiş yayınganlıklardan ziyâde stres ve gelişen mikroyapı arasındaki etkileşimdir. Stres, ilmeklerin çekirdeklenmesini indükler ve dislokasyonlarda arayerlerin seçimli yayınımına neden olur, bu da şişmeye neden olur. Şişme, gevrekleşme ve sertleşmeyle birlikte, önemli bir basınç altında herhangi bir nükleer malzeme üzerinde felakete neden olabilir.

Radyasyona tâbi tutulmuş malzemelerdeki büyümeye difüzyon anizotropi farkı (DAD) neden olur. Bu olgu doğal özellikleri nedeniyle zirkonyum, grafit ve magnezyumda sıklıkla görülür.

Isısal iletkenlik ve elektrik iletkenlik, enerjinin elektronlar ile taşınması ve malzemenin örgüsüne dayanır. Örgü kusurları ve atomların dönüşüm yoluyla yerine geçmesi bu yolları bozar ve radyasyon hasarı ile her iki iletim tipinde bir azalmaya yol açar. Azalmanın şiddeti, malzemedeki baskın iletkenlik tipine (elektronik veya Wiedemann-Franz kanunu, fononik) ve radyasyon hasarının detaylarına bağlıdır ve bu nedenle tahmin edilmesi hâlâ zordur.

Radyasyona maruz kalmak gazlarda kimyasal değişikliklere neden olur. Hasara en az duyarlı olan soygazlardır. Burada en büyük endişe, nükleer reaksiyon ürünlerinin ardı ardına takip eden kimyasal reaksiyonlar ile nükleer dönüşümüdür.

Havadaki yüksek yoğunluklu iyonlaştırıcı radyasyon, mavimsi-morumsu renkte görünür bir iyonize hava parlaması üretebilir. Bu parlama örneğin kritiklik kazaları sırasında, bir nükleer patlamanın ardından oluşan mantar bulutları çevresinde veya Çernobil felaketi sırasındaki gibi hasarlı bir nükleer reaktörün içinde görülebilir.

Gazların radyasyona maruziyeti önemli miktarlarda ozon üretilebilir. Az miktarda ozon bile radyasyonun kendisinin verdiği hasara ek olarak zamanla birçok polimerde ozon çatlamasına neden olabilir.

Bazı gaz iyonizasyon dedektörlerinde, özellikle uzun süre yüksek yoğunluklu radyasyona maruz kalan cihazlarda gazlardaki radyasyon hasarı, örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı veya Geiger-Müller tüpündeki dedektörlerde, cihazın yaşlanmasında önemli bir rol oynar.

Kovalent bağları moleküllere ayırırken ve serbest radikaller üretirken sadece 3-4 eV enerji gerekirken iyonizasyon işlemleri sırasında 10 eV'un üzerinde enerji gerekir. Parçacıkların iyonizasyonları tarafından başlatılan elektrik deşarjları, büyük miktarda serbest radikalce meskun bir plazmayla sonuçlanır. Oldukça reaktif serbest radikaller orijinal moleküllere geri dönebilir veya diğer moleküller ile serbest radikal polimerizasyon reaksiyonları zincirini başlatarak artan moleküler ağırlığı olan bileşikler verebilir. Bu yüksek moleküler ağırlıklı bileşikler daha sonra gaz fazından çökelir, detektörün elektrotları ve yalıtım yüzeyleri üzerinde iletken veya iletken olmayan tortular oluşturur ve tepkisini çarpıklaştırır. Hidrokarbon söndürücüler, örneğin argon - metan içeren gazlar karakteristik olarak polimerizasyon yoluyla yaşlanmaya duyarlıdır; oksijen ilavesi yaşlanma oranlarını düşürme eğilimindedir. İz miktarlardaki silisyum yağları, silisyum elastomerlerin gazının boşalmasından gelen ve özellikle silisyum lubrikantların izleri, ayrışma ve yüzeylerde silisyum kristal birikintileri oluşturma eğilimindedir. Argon (veya ksenonun) karbondioksit ve alternatif olarak %2-3 oksijen ile gaz hâlindeki karışımları yüksek radyasyon akılarına karşı oldukça toleranslıdır. Karbon dioksitli soygaza yüksek enerjili fotonlar için çok yüksek şeffaflığa sahip olduğundan oksijen eklenir; oksijenden oluşan ozon, ultraviyole fotonlar için güçlü bir emicidir. Karbon tetraflorür yüksek oranlı dedektörler için gazın bir bileşeni olarak kullanılabilir; ancak operasyon sırasında üretilen florin radikalleri, odalar ve elektrotlar için malzeme seçimini sınırlar (örneğin, florin radikalleri oluşturan metallere etkileştiğinde florürleri oluşturduğu için altın elektrotlar gereklidir). Bununla birlikte, karbon tetraflorür ilavesi silisyum tortularını ortadan kaldırabilir. Karbon tetraflorür ile hidrokarbonların varlığı polimerleşmeye yol açar. Argon, karbon tetraflorür ve karbon dioksit karışımı, yüksek hadron akısında düşük yaşlanma gösterir.

Gazlarda olduğu gibi sıvılar da sabit iç yapıya sahip değildir; bu nedenle radyasyonun etkileri esas olarak sıvıların kimyasal bileşimini değiştiren radyoliz ile sınırlıdır. Gazlarda olduğu gibi, birincil mekanizmalardan biri serbest radikallerin oluşmasıdır.

Tüm sıvılar, birkaç istisna dışında radyasyon hasarına maruz kalır. Örneğin, parçalanacak kimyasal bağların bulunmadığı erimiş sodyum, gazlı hidrojen ve flor üreten ve sıvı hâline kendiliğinden tepki veren hidrojen florür bu istisnalardandır.

İyonlaştırıcı radyasyona maruz kalan su; gaz ve hidrojen, oksijen, hidrojen peroksit, hidroksil radikalleri ve peroksit radikallerini oluşturmak üzere yeniden birleşebilen serbest hidrojen ve hidroksil radikallerini oluşturur. Çoğunlukla sudan oluşan canlı organizmalarda hasarın çoğuna reaktif oksijen türlerive sudan üretilen serbest radikaller neden olur. Serbest radikaller, hücreler içinde yapı oluşturan biyomoleküllere saldırarak oksidatif strese (hücre ölümüne neden olacak kadar önemli olabilecek veya muhtemelen kansere yol açan DNA hasarına neden olabilecek birikmiş hasara) neden olur.

Nükleer reaktörlerin soğutma sistemlerinde, serbest oksijen oluşumu korozyonu artırır ve bu artış soğutma suyuna hidrojen eklenerek dengelenir. Hidrojen; oksijen ile reaksiyona giren her molekül için bir molekül suyun radyolizle serbest bırakılmasından dolayı tüketilmez, fazla hidrojen sadece başlangıç hidrojen radikallerini sağlayarak reaksiyon dengesini kaydırmaya yarar. Basınçlı su reaktörlerindeki indirgeyici ortam, oksidatif türlerin birikmesine daha az eğilimlidir. Kaynar su reaktör soğutma sıvısının kimyası ortam oksitlenebileceğinden dolayı daha karmaşıktır. Radyolitik aktivitenin çoğu, nötron akısının en yüksek olduğu reaktörün çekirdeğinde meydana gelir; hızlı nötronlardan ve gama radyasyonundan gelen enerjinin büyük kısmı suda birikir, termal nötronların katkısı ise çok daha düşüktür. Havasız suda, hidrojen, oksijen ve hidrojen peroksit konsantrasyonu yaklaşık 200 Gy radyasyonda kararlı hâle gelir. Çözünmüş oksijen varlığında, oksijen tükenene ve denge kayana kadar reaksiyonlar devam eder. Suyun nötron aktivasyonu, düşük konsantrasyonlarda azot türlerinin birikmesine yol açar ve reaktif oksijen türlerinin oksitleyici etkileri nedeniyle bunlar nitrat anyonları formunda bulunur. İndirgeyici ortamlarda amonyak oluşabilir ancak amonyak iyonları daha sonra nitratlara oksitlenebilir. Soğutucu su içinde mevcut olan diğer türler ise oksitlenmiş korozyon ürünleri (örneğin kromatlar) ve fisyon ürünleridir (örneğin perteknetat ve periodat anyonlar, uranil ve neptunil katyonları). Nötronların hidrojen çekirdeğinde emilmesi suda döteryum ve trityum birikmesine yol açar. Süperkritik suyun davranışı süperkritik su reaktörleri için önemli olup sıvı su ve su buharının radyokimyasal davranış farklıdır ve hâlen araştırılmaktadır.

Radyasyonun su üzerindeki etkilerinin büyüklüğü radyasyonun tipine ve enerjisine, yani doğrusal enerji transferine bağlıdır. Düşük LET gama ışınlarına maruz kalan gazsız bir su neredeyse hiç radyolojik ürün vermez ve düşük konsantrasyonlarıyla dengesini korur. Yüksek LET alfa radyasyonu, daha fazla miktarda radyoliz ürünü üretir. Çözünmüş oksijenin varlığında ise her zaman radyoliz meydana gelir ve sonrasında çözünmüş hidrojen, düşük LET radyasyonu ile radyolizi tamamen bastırır.

Reaktif oksijen türlerinin varlığı çözünmüş organik kimyasallar üzerinde güçlü bir bozucu etkiye sahiptir. Bu etki, elektron ışını uygulanarak ile yeraltı suyu iyileştirmesinde kullanılır.

Radyasyon hasarını azaltmak için iki ana yaklaşım, hassas malzemede biriken enerji miktarını azaltmak (örneğin kalkanlama, kaynaktan uzaklık veya uzaysal yönelim ile) veya materyalin radyasyon hasarına daha az duyarlı olacak şekilde modifikasyonudur (örneğin, oksitlenme önleyiciler, dengeleyiciler eklemek ya da daha uygun bir malzeme seçmek). Yukarıda belirtilen elektronik cihazları radyasyona karşı dayanıklılaştırmaya ek olarak, radyasyon kaynağı ve alanlar arasına yüksek yoğunluklu malzemelerin (eğer alan yeteri kadar yoksa kurşunun veya yeterince alan varsa betonun) yerleştirilmesiyle bir dereceye kadar koruma elde edilebilir. Radyoaktif iyot gibi maddelerin biyolojik etkileri için, radyoaktif olmayan izotopların yutulması radyoaktif formun biyolojik alımını önemli ölçüde azaltabilir ve ağır metallerden oluşan radyoaktif maddelerin vücuttan doğal süreçlerle uzaklaştırılmasını hızlandırmak için şelasyon tedavisi uygulanabilir.

Radyasyon hasarına karşı katılarda önlemler üç yaklaşımdan oluşur. Bunlardan ilki, anayapıyı büyük boy çözünenlerle doyurmaktır. Bunu yapmak sürünme ve dislokasyon hareketinin bir sonucu olarak ortaya çıkan şişmeyi kapanlar. Ayrıca, malzemenin radyasyona bağlı segregasyona girme kabiliyetini kısıtlayan difüzyonu önlemeye yardımcı olurlar. İkincisi, bir oksidin malzemenin anayapısı içine dağıtılmasıdır. Disperse oksit, dislokasyon hareketini ve arayerlerin oluşumunu ve hareketini önleyerek; sürünmeyi önlemeye, şişmeyi azaltmaya, radyasyon etkili birikimi azaltmaya yardımcı olur. Son olarak, tane sınırlarının olabildiğince küçük olacak şekilde tasarlanmasıyla, malzeme bozulmasına neden olan gevrekleşmeyi ve sertleşmeyi önleyen dislokasyon hareketi engellenebilir.

İyonlaştırıcı radyasyon genellikle canlılar için zararlı ve potansiyel olarak öldürücüdür, ancak kanser ve tirotoksikoz tedavisi için radyasyon terapisinde sağlık için yararları olabilmektedir. En yaygın etkisi, maruziyetten sonraki yıllar veya on yıllar boyunca kuluçka dönemi ile birlikte radyasyona bağlı kanserin ortaya çıkmasıdır. Yüksek dozlar görsel olarak aşırı fazla radyasyon yanıklarına ve/veya akut radyasyon sendromu nedeniyle anî ölümlere neden olabilir. Kontrollü dozlar tıbbî görüntüleme ve radyoterapi için kullanılır.

Stokastik etkiler, yani kanser ve üreme (mikrop) hücrelerinin mutasyonu nedeniyle yavrularında somatik hücrelerin mutasyonuna bağlı olarak maruz kalan bireylerde kanser gelişimini veya kalıtsal hastalığını içeren kalıtsal etkiler.