Ионизирующее излучение

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения: коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучения), потоки заряженных частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц (ядер атома гелия-4), протонов, других ионов, мюонов и др., а также нейтронов.

Ионизирующее излучение, создаваемое техногенными источниками, оказывает воздействие на живые организмы и экосистемы. Источниками такого излучения могут быть испытания ядерного оружия, аварии на АЭС, некоторое специальное оборудование. К настоящему времени в мире зафиксировано более 150 аварий на атомных электростанциях (АЭС) с утечкой радиоактивности. Кроме того, на дне Мирового океана находится шесть затонувших атомных подводных лодок, девять атомных реакторов, 50 ядерных боеприпасов и одна водородная бомба ВМФ США.

В 1992 г. аппарат Президента РФ рассекретил данные о загрязнении северных и дальневосточных морей: за 1959-1992 гг. наша страна сбросила в северные моря жидкие радио­активные отходы суммарной активностью около 20 тыс. кюри и твердые РАО активностью около 2,3 млн. кюри; в моря Даль­него Востока - отходы активностью соответственно 12,3 и 6,2 тыс. кюри.

Рентгеновское, α-, β- и γ-излучения и другие обладают разной энергией и создают неодинаковую плотность ионизации, поэтому дают разный биологический эффект. Альфа-частицы относительно тяжелы и не способны проникать через неповрежденную кожу. Если же они попадают в организм с пищей, водой или воздухом, то становятся очень опасными. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью и проходит в ткани организма на 1-2 см. Проникающая способность рентгеновских лучей, и особенно гамма-излучения, высока. Они пронизывают весь человеческий организм, задержать их может только толстый слой свинца или бетона. Под их воздействием происходит освобождение электронов с высокой энергией.

В результате воздействия ионизирующих излучений на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы. Ионизирующие излучения вызывают ионизацию атомов и молекул вещества, в результате чего молекулы и клетки ткани разрушаются. Известно, что 2/3 общего состава ткани человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием излучения расщепляется на водород Н и гидроксильную группу ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО₂ и пероксид водорода Н₂O₂. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее. В результате воздействия ионизирующих излучений нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме. В зависимости от величины поглощенной дозы излучения и от индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма (лучевое заболевание). Любой вид ионизирующих излучений вызывает биологические изменения в организме как при внешнем облучении, когда источник облучения находится вне организма, так и при внутреннем облучении, когда радиоактивные вещества попадают внутрь организма, например, ингаляционным путем - при вдыхании или при заглатывании с пищей или водой. Биологическое действие ионизирующего излучения зависит от величины дозы и времени воздействия излучения, от вида радиации, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При ядерном взрыве проникающая радиация представляет собой поток гамма-излучения и нейтронов, которые вызывают у человека радиационное поражение (лучевую болезнь). При лучевом поражении развивается общая слабость, тошнота, рвота, головокружение. Летальный (50% облученных в течение 30 дней погибают) исход происходит при 400 рентгенах. В организме наиболее радиочувствительны половые и кроветворные клетки, а также клетки эпителия тонкой кишки. Очень чувствительны к действию лучей ткани эмбриона, молодые ткани, а также органы в период формирования. У людей нарушается детородная функция и возрастает опасность онкологических заболеваний крови (лейкемия). Это связано с поражением основного кроветворного органа – костного мозга. Далее может быть изменена работа щитовидной железы, гипофиза и половых желез.

Поглощенная доза D_и ионизирующего излучения (доза излучения) представляет собой отношение энергии dE, поглощенной в рассматриваемом объеме, к массе dm вещества в данном объеме:

D_и = dE / dm (22)

Величина D_и является основной величиной, определяющей степень радиационного воздействия, и измеряется в СИ в Дж/кг. Единица (Дж/кг) получила название грэй (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг.

Биологическое воздействие ионизирующего излучения зависит не только от поглощенной дозы излучения, но и от глубины проникновения в живой организм. Для такой оценки вводится эквивалентная доза ионизирующего излучения D_экв:

D_экв = D_и × К, (23)

где К – безразмерный коэффициент качества излучения.

Минимальное значение К = 1 и соответствует случаю линейной передачи энергии. Для других случаев значения этого коэффициента, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ), представлены в табл. 26.

Таблица 26

Виды ионизирующего излучения [Куклев, 2001]

Размерность эквивалентной дозы ионизирующего излучения совпадает с размерностью поглощенной дозы, а ее единица называется зиверт (Зв):

1 Зв = 1 Гр×1 (К = 1) = 100 бэр, (24)

где 1 бэр – биологический эквивалент рентгена, применявшийся ранее.

Диапазон эквивалентных эффективных доз (физическая величина, введенная для оценки и нормирования риска неблагоприятных последствий хронического воздействия излучением произвольного состава) для человека колеблется от 1,0 до 11,8 мЗв/год, составляя в среднем около 2,0 мЗв/год или 0,2 бэр/год. Бэр – биологический эквивалент рентгена: 1бэр=0,01Дж/кг. Их диапазон обусловлен неодинаковой чувствительностью тканей и органов к облучению. За 4 года, прошедших после аварии на Чернобыльской АЭС, средняя индивидуальная доза общего облучения населения, проживающего в районе жесткого контроля, составила 35 мЗв или 3,5 бэр. Наступление патологических последствий зависит главным образом от величины полученной дозы. Острая лучевая болезнь и смерть связаны с получением очень большой дозы радиации. Изменения в соматических и половых клетках возможны при профессиональном облучении работников АЭС, медперсонала и др., а также у населения зоны радионуклидного загрязнения. Очень высокие дозы (до 300 мЗв в год) получает персонал курортов, где применяются лечебные радоновые ванны.

В целом, обычный средний уровень доз от излучения, обусловленного техногенными причинами, складывается так: облучение в медицинских целях – 25 мбэр/год; облучение в результате выпадения радиоактивных осадков – 7 мбэр/год; облучение в связи с профессиональной деятельностью – 1 мбэр/ год; от потребительских товаров и электронных устройств – 2 мбэр/год. Итого получается 35 мбэр/год, что не превышает 20-35 % природного уровня радиации.

Техногенные радионуклиды могут обладать особым распределением в организме и создавать местное облучение в ткани, не адаптированной к нему в процессе эволюции. Так, радиоактивный стронций, попадая в организм даже в небольшом количестве, накапливается в костях и неблагоприятно воздействует на костный мозг, вызывая развитие лейкоза.

Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

Из-за того, что разные типы ионизирующего излучения обладают разной ЛПЭ (линейная передача энергии), одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятия относительной биологической эффективности (коэффициента качества) излучения по отношению к излучению с низкой ЛПЭ (коэффициент качества фотонного и электронного излучения принимают за единицу) и эквивалентной дозы ионизирующего излучения, численно равной произведению поглощённой дозы на коэффициент качества. После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело. В отличие от детерминированных, стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота проявления этих эффектов. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации). Основным источником информации о стохастических эффектах воздействия ионизирующего излучения являются данные наблюдений за здоровьем людей, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Японские специалисты в течение всех лет после атомной бомбардировки двух городов наблюдали тех 87 500 человек, которые пережили ее. Средняя доза их облучения составила 240 миллизиверт. При этом прирост онкологических заболеваний за последующие годы составил 9%. При дозах менее 100 миллизиверт отличий между ожидаемой и наблюдаемой в реальности заболеваемостью никто в мире не установил.

Различные ткани и органы организма имеют разную чувствительность к ионизирующему излучению. Согласно за­кону радиочувствительности Бергонье - Трибондо, наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются наименее дифференцированные ткани, клетки, которые интенсивно размножаются (делятся). Следовательно, самы­ми радиочувствительными являются яичники, семенники, красный костный мозг, легкие, желудок.

В результате аварий на предприятиях ядерной энергетики в атмосферу выбрасывается значительное количество радионуклидов, представляющих существенную опасность для здоровья человека. Так, при аварии в 1957 г. в г. Каштыме Челябинской области в воздух на высоту 1 км было выброшено до 8 т продуктов ядерного деления. Общая площадь загрязнения территории радиоактивными веществами составила более 15 000 км². В результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. суммарный выброс продуктов ядерного деления и ядерного топлива превысил Челябинский более чем в 25 раз, а площадь загрязнения территории во многие десятки раз.

Реактор Чернобыльской атомной электростан­ции в апреле 1986 года горел несколько дней. Это была одна из самых страшных по последствиям катастроф современности. В районе разверну­лась отчаянная борьба за спасение всего живого. Были эвакуированы 135 тысяч человек. В зону заражения прибыли 6 тысяч врачей, санитаров и медсестер. С 30 вертолетов сбрасывали цемент и свинец на реактор, чтобы потушить пожар. По уничтожающему действию авария в Чернобыле эквивалентна взрыву 1500 водородных бомб, по­добных сброшенной на Хиросиму. Солдаты «хо­ронили» зараженную землю. Те спасатели, которые прибыли на электростан­цию в первые часы после катастрофы, до следую­щей весны не дожили.

Хотя из реактора произошла утечка всего 3 про­цента радиоактивного вещества и только 1 про­цент ветер развеял над Западной Европой, по­следствия были ужасающими. В Скандинавии 40 тысяч оленей, которые являются основой жизнедеятельности лапландцев, получили слиш­ком большую дозу радиации, в результате жи­вотные были забиты. В Германии пришлось уничтожить весь урожай овощей и надой мо­лока.

По сей день остаются зараженными огромные территории Украины и Белоруссии. В радиусе 30 километров от реактора, который находится сейчас под бетонным колпаком, земля стала не­пригодной для жизни людей. По официальным данным, в первые дни умерли 250 человек. По­чти 80 тысяч из 600 тысяч задействованных спасателей заболели раком. Они медленно уми­рают. Американские исследователи прогнози­руют увеличение раковых больных в последую­щие 70 лет еще на миллион человек [Хофельманн, 2003].

Для медицинской экологии и строительной биологии важное значение имеют два источника естественной радиоактивности в домах и квартирах – строительные материалы и радоновый газ. Поскольку современные жилые дома возводятся из бетонных плит, состоящих в основном из цемента, песка, щебенки, пористых глинистых конкреций, необходимо знать естественную радиоактивность последних. При повышенной радиоактивности исходных компонентов строительных материалов потолки, стены и полы могут интенсивно излучать частицы радиоактивного распада. Атмосфера для проживания в данной квартире становится опасной [Дубров, 1995]. Другой источник естественной радиоактивности в домах – газ радон.

Уже с ХVI в. людям было известно о гибельных последствиях пребывания в некоторых местностях и зонах, но о самом газе никто еще и не догадывался. В поселках рудокопов в горах южной Германии женщины по нескольку раз шли под венец: мужей уносила загадочная быстротекущая болезнь – «горняцкая чахотка». Практиковавшие в тех местах врачи упоминали о существовании забоев, в которых при отсутствии должной вентиляции люди испытывали одышку и усиленное сердцебиение, часто теряли сознание и иногда погибали. При этом ни на вкус, ни на запах в воздухе не обнаруживалось каких-либо примесей. Поэтому и неудивительно, что тогда считали - людей губят потревоженные горные духи. И только великий Парацельс, работавший врачом в такой же местности, писал о необходимости очищения воздуха в рудниках: «Мы обязаны предотвращать соприкосновение организма с эманациями металлов, ибо, если организм поврежден ими единожды, излечения уже не может быть». Окончательно с «горняцкой чахоткой» разобрались только в 1937 г., установив, что эта болезнь есть ни что иное, как одна из форм рака легких, вызываемая высокой концентрацией радона.

Радон – тяжелый газ без цвета и запаха является продуктом радиоактивных превращений урана и тория с периодом полураспада 3,8 дней. Он имеет три изотопа, которые после радиоактивных превращений образуют короткоживущие элементы – полоний-210, 216, 218, - излучают альфа-частицы и имеют период полураспада от долей секунды до нескольких минут и более; свинец-212, 214 и висмут-214 излучают бета-частицы. Радон (Rn) - бесцветный газ, химически совершенно инертный. Радон лучше других инертных газов растворяется в воде (в 100 объемах воды растворяется до 50 объемов радона). При охлаждении до минус 62°С радон сгущается в жидкость, которая в 7 раз тяжелее воды.

Радоновая проблема изучается с самых ранних этапов развития ядерной физики, но особенно серьезно и масштабно она стала выявляться после моратория на ядерные взрывы и благодаря рассекречиванию полигонов. При сравнении эффектов облучения оказалось, что в каждой квартире, в каждой комнате есть свои локальные ядерные радоновые «полигончики» [http://profbeckman.narod.ru/rad.files/Rad4.pdf].

Опасность радона кроме вызываемых им функциональных нарушений (астматические приступы удушья, мигрень, головокружение, тошнота, депрессивное состояние и т.д.) заключается еще и в том, что вследствие внутреннего облучения легочной ткани он способен вызвать рак самих легких.

Все население земного шара непрерывно облучается непосредственно в жилищах и служебных помещениях излучением от изотопов радона и продуктов их распада. Вредное действие таких излучений приходится учитывать при оценке дозовой нагрузки на население (табл. 27). Дело дошло до того, что во многих странах цены на жилье формируются с учетом величины концентрации радона в помещениях. Поэтому мониторинг радона в местах обитания человека и разработка мер по снижению поступления в них радона представляет собой актуальную проблему.

Таблица 27

Мощность излучения различных источников радона

По данным Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ), Научного комитета по действию атомной радиации (НКДАР) ООН наибольшая часть дозы облучения (около 80 % от общей), получаемой населением в обычных условиях, связана именно с природными источниками радиации. Более половины этой дозы обусловлено присутствием газа радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в воздухе зданий, в которых человек проводит более 70 % времени.

Основным источником радона-222 и его изотопов в воздухе помещений является их выделение из земной коры (до 90% на первых этажах) и из строительных материалов (~10%). Определенный вклад может вносить поступление радона с водопроводной водой (при использовании артезианской воды с высоким содержанием радона) и с природным газом, сжигаемым для отопления комнат и приготовления пищи. Наибольшие уровни радона отмечаются в одноэтажных деревенских домах с подполом, где практически отсутствует защита от проникновения в помещение выделяющегося из почвы радиоактивного газа. К повышению концентрации радона приводит отсутствие вентиляции и тщательная герметизация помещений, что характерно для регионов с холодным климатом.

Среди строительных материалов наибольшую опасность представляют горные породы вулканического происхождения (гранит, пемза, туф), а наименьшую – дерево, известняк, мрамор, природный гипс. Если в строительстве производстве применяют такие материалы как гранит, пемза, глинозем, фосфогипс, красный кирпич, кальциево-силикатный шлак, источником радоновой радиации становится материал стен. Природный газ, используемый в газовых плитах (особенно сжиженный пропан в баллонах) - тоже потенциальный источник радона. А если воду для бытовых нужд выкачивают из глубоко залегающих водяных пластов, насыщенных радоном, то высокая концентрация радона в воздухе достигается даже при стирке белья. Из водопроводной воды радон практически полностью удаляется отстаиванием и кипячением. Но в воздухе ванной комнаты при включенном горячем душе его концентрация может достигать высоких значений.

По результатам обследования 20 домов в Финляндии было установлено, что среднее значение радиоактивности воздуха, обусловленной растворенным в воде радоном, в различных помещениях различно. Так, в ванной комнате было зафиксировано 8,5 кБк/м³, на кухне – 3,0 кБк/м³, а в жилой комнате – 0,2 кБк/м³. Беккерель (Бк) - единица международной системы мер, обозначает активность радионуклида, эквивалентную одному распаду в секунду.

Первые исследования радиологического воздействия радона на население показали, что концентрация радона в воздухе жилых домов, особенно одноэтажных, часто превышает даже уровень предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных для работников урановых рудников, где служба безопасности традиционно борется за снижение накопления радиологически опасных концентраций радона. Дело в том, что радий в незначительных количествах содержится во всех типах почв, грунтах, минералах и, следовательно, строительных материалах. Относительно большой период полураспада радона (3,82 суток) и высокая способность к диффузии позволяют ему распространяться по порам и трещинам в почве, через щели в фундаменте зданий поступать из подвалов в помещения и при отсутствии вентиляции накапливаться там в значительных концентрациях. Сейчас очевидно, что просачивающийся сквозь неплотности в перекрытиях радон представляет собой главный источник радиоактивного облучения населения в закрытых помещениях (рис. 33).

Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет 0,3 до 0,6 миллизиверта (тысячных зиверта) в год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения: около 3% получает в среднем 1 мЗв/год, а около 1,5% - более 1,4 мЗв/год. Есть однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше.

Рис. 33. Пути поступления радона внутрь дома

Неподалеку от города Посус-ди-Kaлдас в Бразилии, расположенного в 200 м к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Как оказалось, здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 250 мЗв/год. Лишь чуть меньшие уровни радиации были зарегистрированы на морском курорте, расположенном в 600 км к востоку от этой возвышенности. Гуарапари - небольшой город с населением 12000 человек каждое лето становится местом отдыха примерно 30000 курортников. На отдельных участках его пляжей зарегистрирован уровень радиации 175 мЗв/год. Радиация на улицах города оказалась намного ниже - от 8 до 15 мЗв/год, но все же значительно превышала средний уровень. Сходная ситуация наблюдается в рыбацкой деревушке Меаипе, расположенной в 50 км к югу от Гуарапари. Оба населенных пункта стоят на песках, богатых торием. На юго-западе Индии, 70000 человек живут на узкой прибрежной полосе длиной 55 км, вдоль которой также тянутся пески, богатые торием. Исследования, охватившие 8513 человек из числа проживающих на этой территории, показали, что данная группа лиц получает 3,8 мЗв/год на человека. Из них 500 человек получают свыше 8,7 мЗв/год, 60 получают годовую дозу, превышающую 17 мЗв, что в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения от земных источников радиации. Эти территории в Бразилии и Индии являются наиболее хорошо изученными «горячими точками» нашей планеты. В Иране в районе городка Рам-сер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации 400 мЗв/год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии, на Мадагаскаре.

Экспозиция легких в радоне и продуктах его распада приводит к дозам, составляющим 40% от среднего эффективного дозового эквивалента в 2,4 мЗв/год, получаемого населением от всех радиационных источников. Другие естественные источники радиации включают космические лучи (12%), гамма-излучение земли (15%) и радионуклиды в организме человека (15%). С радиологической точки зрения опасен не сам радон, а набор генетически связанных радионуклидов, им порождаемый (так называемый «активный налет»). Поэтому при исследовании дозовой обстановке в жилище основное внимание следует уделять оценке состояния равновесия между радоном и продуктами его распада.

Во многих странах мира ведется и добыча фосфатов, которые используются, главным образом, для производства удобрений. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны, и содержащиеся в них радиоактивные изотопы проникают из почвы в пищевые культуры. Радиоактивное загрязнение в этом случае бывает обычно незначительным, но возрастает, если удобрения вносят в землю в жидком виде или если содержащие фосфаты вещества скармливают скоту. Такие вещества широко используются в качестве кормовых добавок, что может привести к значительному повышению содержания радиоактивности в молоке. Все эти аспекты применения фосфатов дают за год коллективную эффективную дозу, равную примерно 6000 чел.-Зв. Кроме того, фосфаты используют и для производства строительных материалов. В результате, коллективная эффективная доза из-за использования в строительстве фосфогипса, полученного только в 1997 г., составила около 300 000 чел.-Зв. Изложенное выше привело к необходимости нормирования концентраций радона в помещениях (нормы «НРБ-99»). В соответствии с данными санитарными нормами, при проектировании новых жилых и общественных зданий должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная объемная активность изотопов радона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м³. Суммарная эффективная доза за счет естественных радионуклидов в питьевой воде не должна превышать 0,2 мЗв/год.

Рис. 34 иллюстрирует основные профессиональные вредности и главные точки их приложения [Кучер, Колпащикова, 1996].

Рис. 34. Основные профессиональные вредности и главные точки их приложения

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: