АВАРИИ И КАТАСТРОФЫ С ВЫБРОСОМ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЯХ И РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВАХ. ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ИСКУССТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

Вспомним, что нуклиды — это конкретные виды атомов и ядер, отвечающие определенным числам протонов и нейтронов (например, атом углерода с 12 нуклонами в ядре). Изотопные нуклиды {изотопы) — это нуклиды, принадлежащие одному химическому элементу и имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся по числу нейтронов (например, атомы того же углерода, но с 12, 13 и 14 нуклонами в их ядрах). Следовательно, нуклид — это более широкое понятие, чем изотоп, так как каждый изотоп есть нуклид, но только нуклиды одного элемента являются изотопами.

Известно также, что в природе существуют устойчивые и неустойчивые химические элементы. Последние (радий, торий, цезий, уран и др.), получившие название радионуклидов, способны к самопроизвольному распаду (превращению), приводящему к изменению их атомного номера и массового числа и, тем самым, к образованию ядер атомов другого элемента. Такой распад сопровождается радиационным излучением {радиоактивностью), т.е. испусканием альфа- и бета-частиц, протонов, нейтронов, гамма-квантов и др. Радиационные излучения вызывают ионизацию окружающей среды — разделение атомов и молекул вещества на ионы (отсюда и второе название этих излучений — ионизирующие).

Таким образом, ионизирующее излучение (ИИ) — это излучение, которое возникает при радиоактивном распаде или ядерных превращениях и вызывает ионизацию среды. Источник ионизирующего излучения (ИИИ) — радиоактивное вещество или устройство, испускающее или способное испускать ИИ.

Любой ИИИ характеризуется двумя физическими величинами: активностью и периодом полураспада.

Активность есть характеристика мощности источника. Она показывает, какое количество радиоактивных ядер распадается в единицу времени и, следовательно, какое количество ионизирующих частиц испускается источником в одну секунду.

Единицами измерения активности являются кюри и беккерель. 1 Ки (кюри) = 3,7-1010 распадов в секунду. Поскольку кюри — относительно крупная единица радиоактивности, то чаще применяют дольные единицы — мКи (10_3 Ки) и мкКи (10_6 Ки).

Другая единица активности — беккерель (Бк). Она соответствует одному распаду в секунду (1 Бк = 1 расп./с).

В воде, продуктах питания и в воздухе определяют объемную концентрацию радиоактивных веществ — их количество в единице объема (Ки/м3, Ки/л), а в продуктах питания — удельную концентрацию (на единицу массы, Ки/кг). Для различных органов человеческого организма разработаны нормативы, определяющие допустимое содержание в них каждого радиоактивного элемента. На основании этих данных определены допустимые концентрации радиоактивных веществ в атмосферном воздухе, питьевой воде, продуктах питания.

Другой важной характеристикой ИИИ является период полураспада — интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного вещества. Каждый радиоактивный элемент имеет присущий только ему период полураспада.

Различают короткоживущие изотопы, период полураспада которых исчисляется долями секунды, секундами, минутами, часами, сутками, и долгоживущие изотопы, период полураспада которых — от нескольких месяцев до миллиардов лет. Например, период полураспада тория — 10 млн лет, радия — 1620 лет, висмута-210 — 5 дней, поло- ния-218 — 3 минуты, полония-214 — одна миллионная доля секунды.

В то же время период полураспада есть и показатель относительной опасности радиоактивных веществ. Так, при одинаковой активности двух веществ менее опасным может считаться то, которое имеет больший период полураспада: в единицу времени распадается меньше ядер и, следовательно, выделяется меньше ионизирующих частиц.

Ионизирующее излучение, взаимодействуя с любым веществом (в том числе с биологической тканью), вызывает ионизацию его атомов, теряя при этом свою энергию. Этот процесс потери энергии ИИ называют поглощением излучения (энергия остается в структурах биологической ткани). Отметим, что процесс поглощения излучения в других веществах неживой природы ничем не отличается. Процесс взаимодействия ИИ с веществом, при котором поглощается энергия излучения, называется облучением.

В результате облучения ИИ поглощенная энергия распределяется не равномерно по всему организму человека, а отдельными разрозненными «порциями». Это приводит к тому, что значительное количество энергии ИИ может мгновенно (10-13 с) передаваться в те или иные локальные зоны клеточных структур, в то время как в других клетках ИИ практически не поглощается. Что же происходит при этом?

Пусковым механизмом действия ИИ является ионизация молекул, входящих в состав клетки. Вероятность попадания частиц ИИ в молекулу воды в 104 раза выше, чем в органические молекулы (белки), т.к. в отдельных тканях организма содержится до 80% воды. В результате действие ИИ приводит к ионизации молекул воды и образованию химически активных форм кислорода, которые довершают разрушение органических молекул, приводя к изменению нормального хода биохимических процессов в клетке (регенерации, обмена веществ, деления), что может повлечь и полную гибель клетки. Далее события развиваются по схеме: гибель клеток — поражение органа (при гибели значительного количества клеток) — поражение группы органов — поражение организма в целом. Первые эффекты на клеточном уровне происходят за доли и единицы секунд, а последующие процессы — в течение минут, часов и вплоть до нескольких лет, что зависит от того, какую общую энергию излучение оставило в клетках организма.

Общая поглощенная энергия ИИ может быть небольшой, но вследствие неравномерности и мгновенного характера ее распределения часть клеток органа (всего организма) может быть значительно повреждена. Ничтожность поглощенного количества энергии, вызывающего тяжкие последствия облучения ИИ, можно проиллюстрировать следующим примером. Например, количество энергии гамма-рентгеновского излучения, заведомо смертельное для человека при общем облучении всего организма, можно сравнить с эквивалентной ей тепловой энергией. Этот эквивалент будет даже меньше тепловой энергии, поглощенной организмом после выпитой чашки горячего кофе (другой эквивалент — работа, выполняемая человеком при подъеме массы около 70 кг на высоту 40 см над уровнем пола). Однако тепловая и механическая энергия поглощается (передается) в биологических тканях одинаково и равномерно за длительное время. Поэтому, чтобы вызвать повреждения в живом организме, энергии подобного типа потребуется намного больше, чем энергии ИИ, поглощаемой мгновенно.

Если поглощенная энергия ИИ представляет опасность, то ее надо уметь измерять. Измерения обычно (абсолютно для всех физических и прочих явлений) основаны на выборе количественных характеристик явления и единиц их измерения. Такими количественными мерами для И И являются дозовые величины — доза и мощность дозы.

Доза облучения D (от греч. dosis — «порция», «определенное количество чего-либо») — количество энергии, переданной облучаемому объекту в результате взаимодействия ИИ с ним, то есть доза характеризует конечный эффект облучения.

Мощность дозы облучения Р — величина, характеризующая скорость изменения дозы (эффекта) во времени.

Универсальной величиной, применяемой при облучении различных веществ живой и неживой природы любыми видами ИИ, является поглощенная доза — количество энергии ИИ, поглощенной в единице массы облучаемого вещества: Dn = АЕ/Ат.

За единицу поглощенной дозы в системе СИ принят 1 грей (Гр), равный энергии ИИ в один джоуль, поглощенной в 1 кг массы, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемной единицей, часто используемой на практике, является рад (аббревиатура от англ, radiation absorbed dose). 1 рад = 0,01 Гр, или 1 Гр = 100 рад. Дольными (более мелкими) единицами являются: 1 мГр (1 мрад) и 1 мкГр (1 мкрад). Соответственно единицы измерения мощности дозы — Гр/ч, рад/ч и дольные им единицы.

Вместе с тем установлено, что при одной и той же поглощенной энергии конечный результат воздействия разных видов ИИ на живые организмы будет различным. При одинаковой поглощенной энергии эффект будет тем выше, чем плотнее ионизация (количество пар ионов, образуемых на единице пути частицы или кванта в веществе).

Для количественной оценки этого влияния введено понятие коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициента качества излучения.

ОБЭ — это численный коэффициент, показывающий, во сколько раз данный вид ИИ оказывает более сильное биологическое действие по сравнению с рентгеновским и у-излучением, принятыми за эталонные, при одинаковой величине поглощенной дозы. Следовательно, для рентгеновского и у-излучения ОБЭ = 1, для других же видов излучения ОБЭ имеет значения: для бета-излучения — также 1, для альфа-излучения — 20, для нейтронов (в зависимости от их энергии) — от 3 до 10.

Доза, полученная с учетом ОБЭ, называется эквивалентной.

Эквивалентная доза — поглощенная доза /-го вида излучения, умноженная на коэффициент относительной биологической эффективности для этого вида излучения: D3 = ОБЭи

Единицей измерения Вэ в системе СИ является зиверт (Зв), внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рада). 1 Зв (1 бэр) — это единица поглощенной дозы любого ИИ в биологической ткани, создающая в ней тот же биологический эффект, что и доза в 1 Гр (1 рад) рентгеновского или у-излучения. 1 Зв = 100 бэр, или 1 бэр = 0,01 Зв. Дольными единицами являются: 1 мЗв (1 мбэр) и 1 мкЗв (1 мкбэр).

Известно, что одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Значения последнего для различных органов устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Так, для гонад (половых желез) значение коэффициента составляет 0,2; для тканей красного костного мозга, толстого кишечника, желудка, легких — 0,12; для мочевого пузыря, печени, пищевода, щитовидной железы, головного мозга — 0,05; для кожи, клеток костных поверхностей — 0,01; для остальных тканей — 0,05. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма.

Таким образом, эффективная доза — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы, т.е. она также измеряется в зивертах или бэрах.

В зависимости от происхождения ИМИ могут быть естественными (природными) и искусственными (техногенными). Суммарно те и другие формируют радиационный фон — радиационные условия, сопровождающие обитание человека на Земле.

Природные источники создают естественный радиационный фон. Его особенностями являются глобальный характер действия в пространстве и постоянство по величине в течение длительного периода времени.

Различают природные источники космического и земного происхождения (рис. 20.1). Как видно из рисунка, суммарная доза облучения от естественных источников в среднем составляет около 200 мбэр в год, что примерно соответствует мощности дозы 20—25 мкбэр/ч; это значение и является средним радиационным фоном на поверхности Земли.

Основной особенностью техногенных источников, в отличие от естественных, является широкий диапазон создаваемых ими уровней облучения. В большинстве случаев эти уровни весьма невелики, но иногда, особенно в аварийных ситуациях, могут в сотни и тысячи раз превышать дозы облучения от естественных источников.

Техногенными радиационными источниками являются:

  • • радиоактивное загрязнение внешней среды при производстве атомной энергии;
  • • радиоактивное загрязнение окружающей среды в результате испытаний ядерного оружия;
  • • источники, используемые в медицинских целях;
  • • источники, входящие в состав потребительских товаров.

Вклад различных источников в годовую эквивалентную дозу приведен в табл. 19.1.

Таблица 19.1

Вклад различных источников в годовую эквивалентную дозу

Источник

Вклад в годовую дозу,

Среднегодовая доза, мбэр

Естественные источники

82

200

Антропогенные источники:

18

45

• атомная энергетика;

0,04

0,4

• ядерные взрывы;

0,8

2

• облучение в медицинских целях;

16,4

40

• потребительские товары

0,8

2

Как видно из таблицы, самые высокие дозы облучения населения создает медицинское облучение. В России на человека в среднем приходится одна рентгенодиагностическая процедура, складывающаяся из рентгенографии, рентгеноскопии и флюорографии (0,44; 0,19 и 0,37 процедуры в год соответственно), индивидуальные дозы от которых на органы исключительно разнообразны. Их средние значения приведены в табл. 19.2.

Таблица 19.2

Средняя доза облучения всего тела при различных рентгенодиагностических исследованиях

Обследование

Доза, бэр

Обследование

Доза, бэр

Флюорография

0,1

Череп

0,1

Зубы

0,003

Поясница

0,6

Желудок

0,4

Легкие, сердце

0,06

Позвоночник

0,3

Плечо, ключица

0,06

Нога, колено

0,03

Рука

0,006

Таким образом, ожидаемая глобальная доза обусловлена в основном естественными источниками. Источники техногенного происхождения дают незначительный вклад в общую дозу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >