Исследование прикладной экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный технический университет - УПИ

Учебное пособие

ЭКОЛОГИЯ

А.В. Воронина

Екатеринбург 2007

1. ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЭКОЛОГИИ

Радиация как экологический фактор. Виды ионизирующего излучения. Источники ионизирующих излучений в биосфере, вклад радионуклидов в радиационный фон. Классификация радионуклидов (природные, космогенные, техногенные). Источники и пути загрязнения биосферы радионуклидами различного происхождения. Важнейшие радионуклиды, влияющие на качество жизни.

Радиация (ионизирующее излучение) - излучение, способное прямо или косвенно ионизировать вещество среды. Это рентгеновское излучение, излучение естественных и искусственных радиоактивных веществ (б-, в-, г-излучение), потоки нейтронов и протонов, вызванные специальными устройствами.

Радиация как фактор окружающей среды не была создана человеком как нечто новое. Она существовала всегда, потому что радиоактивные вещества присутствовали в биосфере и до возникновения человека, а Земля как планета Солнечной системы образовалась приблизительно (4,55±0,07)•109 лет. С тех пор весь мир подвергался облучению. Учёные до сих пор дискутируют, шло ли развитие жизни на Земле наперекор скрытому, наносящему вред воздействию радиации, или же способность вызывать мутации послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Как бы то ни было, но “живое вещество”, по-видимому, всегда соседствовало с радиацией.

Открыл рентгеновское излучение в 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (оно было связано с работой специального устройства), в 1896 году Антуан Анри Беккерель открыл явление самопроизвольного излучения соли урана.

Таким образом, радиация является одним из абиотических факторов окружающей среды, оказывающим большое влияние на существование живого на планете Земля и в том числе качество жизни человека. Источниками ионизирующего излучения, действию которых подвергается любой человек, являются:

1. космическое излучение;

2. природные радионуклиды;

3. техногенные радионуклиды;

4. радиоизотопная и инструментальная диагностика и терапия в медицине.

Прежде чем мы перейдём к рассмотрению указанных источников облучения человека и оценки их вклада в суммарную дозу облучения, вспомним, что представляют собой различные виды ионизирующего излучения.

Виды ионизирующего излучения

Рентгеновское и г-излучение - электромагнитные излучения высокой энергии, обладают большой проникающей способностью, их ионизирующая способность меньше, чем у б- и в-частиц. Рентгеновское и г-излучение во многом проявляют сходные свойства, отличаясь друг от друга только значением длины волны. Рентгеновские лучи получают с помощью специального аппарата, а г-лучи испускаются радиоактивными веществами, хотя в некоторых случаях излучение рентгеновского диапазона можно наблюдать при радиоактивном распаде, а поток г-квантов можно сформировать инструментальным способом.

Остальные виды излучения представлены движущимися заряженными или нейтральными частицами.

в--частицы - это лёгкие отрицательно заряженные частицы ядерного происхождения. Физически тождественны электронам, которые существуют на внешних оболочках всех атомов. Проникающая способность в--частицы больше, чем у б-частиц. Они могут проходить через слой кожи, толщина которого 0,07 мм. Наиболее высокоэнергетичные в--частицы могут пройти через слой алюминия до 5 мм. в-частицы испускаются при радиоактивном распаде, но могут быть получены и с помощью ускорителей. При радиоактивном распаде нейтрон в ядре превращается в протон, при этом ядро становится ядром нового радионуклида, а электрон и антинейтрино покидают ядро и составляют ядерное излучение:

(антинейтрино).

Известна и положительно заряженная разновидность в-частиц (в+), называемая позитроном:

(нейтрино).

б-частицы - это положительно заряженные ядра атомов гелия (). Относительно “тяжёлые”, поэтому их проникающая способность мала, а ионизационная - велика. Они могут пройти через слой воздуха не более 11 см или слой воды до 150 мкм. Обычно б-частицы испускаются при радиоактивном распаде тяжёлых изотопов (урана, радия и т.п.):

.

Кроме того, поток б-частиц можно получить также с помощью ускорителя.

Нейтроны - незаряженные частицы, по массе практически равны массе протона. Эти частицы электронейтральны, поэтому проникают глубоко во всякое вещество, в том числе и в живые ткани. Нейтроны являются косвенно ионизирующими частицами: сами нейтроны ионизацию среды не вызывают, она возникает вследствие радиоактивного распада радионуклидов, образующихся при столкновении нейтронов с веществом. Нейтроны входят в состав ядра атомов, поэтому при делении тяжёлых радиоактивных элементов в процессе цепной ядерной реакции с образованием двух относительно более лёгких атомов нейтроны испускаются как побочный продукт. Нейтроны можно получить искусственным путём, проводя ядерные реакции с использованием ускорителей. Мощным генератором нейтронов является любой ядерный реактор.

Существует ещё космическое излучение, в составе которого присутствуют тяжёлые заряженные частицы:

Протоны - положительно заряженные частицы, обнаруженные в ядрах всех атомов. Простейшее ядро - ядро водорода - состоит из одного протона. Они не испускаются известными радиоактивными изотопами. В изобилии присутствуют в космосе, входят в состав “первичных” космических лучей и могут представлять опасность для космонавтов.

Тяжёлые ионы - ядра любых атомов, лишённые орбитальных электронов и движущиеся с высокой скоростью. В космосе присутствуют ионы почти всех известных химических элементов.

Дозы облучения

Количественную характеристику облучения обычно называют дозой, измеряют в величинах энергии, поглощённой веществом. Эффекты при облучении людей отличаются в зависимости от того, какая была получена доза и за какой период времени (длинный или короткий).

Поглощённая доза (D) - это энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым телом (веществом организма), в пересчёте на единицу массы [1].

,

где - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объёме;

dm - масса вещества в этом объёме.

Согласно международной системе единиц СИ поглощённая доза измеряется в греях:

1 Гр = 1 Дж/кг =100 рад (внесистемная единица измерения).

Равные поглощённые дозы разных видов излучения не обязательно вызывают одинаковые биологические эффекты. Одна и та же величина поглощённой дозы рентгеновских лучей, г-лучей или в-частиц вызывает меньшие повреждения, чем излучение тяжелых ионов. Нейтронное излучение имеет более тяжёлые последствия, чем рентгеновские лучи. Поэтому, сопоставляя радиационные эффекты, оперируют другой величиной.

Эквивалентная доза (H) - поглощённая доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.

,

где D - поглощённая доза,

WR - взвешивающий коэффициент для излучения.

Измеряют эквивалентную дозу в системе единиц СИ в зивертах:

1 Зв = 100 бэр (биологический эквивалент рада).

Если поглощённая доза измерена в радах, то эквивалентная доза должна быть выражена в бэрах. Если поглощённая доза выражена в греях, то эквивалентная - в зивертах.

При определении коэффициента качества рентгеновские лучи и г-лучи считаются эталонными: поглощённая доза рентгеновского излучения 1 Гр равна эквивалентной дозе 1 Зв. Нейтроны в 10 раз более эффективны в плане радиационного поражения, чем рентгеновские лучи, поэтому им присвоен коэффициент качества 10. Поглощённая доза нейтронного излучения в 1 Гр соответствует эквивалентной дозе 10 Зв. Коэффициенты перевода грея в зиверт точно не определены ни для одного из видов излучения, поскольку основаны на экспериментальных данных, и будут всегда отличаться для разных биологических систем. Поэтому значения эквивалентной дозы в зивертах могут быть лишь приблизительными. Единицы измерения поглощённой дозы строго определены.

Эффективная доза (E) - величина, используемая как мера риска возникновения отдалённых последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учётом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты (для органа или ткани).

,

где HT - эквивалентная доза в органе или ткани,

WT - взвешивающий коэффициент для органа или ткани.

Существуют и другие разновидности доз, которые мы здесь не рассматриваем.

Дозовый предел (эффективная доза) техногенного облучения населения 1 мЗв в год (0,1 бэр) не включает в себя дозы, полученные от природного и медицинского облучения, а также дозы, полученные вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения [1].

Таблица 1 Основные источники облучения населения в СНГ (1993 год) [2]

Источники облучения	Средняя ЭД (E), мЗв/год
Радиационный фон (естественный и техногенно изменённый)	2,37
В том числе:
космическое излучение	0,32
природные радионуклиды	2,05
из них радон	1,20
Техногенные источники	1,82
В том числе:
медицинская диагностика (рентген)	1,69
угольная энергетика	0,02
ядерная энергетика	0,002
авария на Чернобыльской АЭС	0,024
ядерные испытания	0,02
профессиональное облучение (реальное)	0,006
прочие источники	0,05
Итого:	4,20

Приведённые данные говорят о том, что самые большие дозы облучения человек получает при медицинской диагностике и от природных радионуклидов, содержащихся в строительных материалах (особенно от радона).

Источники ионизирующих излучений в биосфере. Космическое излучение

Земля непрерывно бомбардируется заряженными частицами из межзвездного пространства. Космическое излучение состоит из трех независимых составляющих:

1. Излучение, идущее к нам из глубин космоса, простирающихся за пределы солнечной системы. Состоит из протонов на ~ 90 %, альфа-частиц ~ 10 %, и ядер тяжёлых элементов ~ 1 %, (например, ядер железа), движущихся с большой скоростью. Энергия тяжёлых частиц огромна - они могут легко проникать сквозь обшивку космического корабля и проходить сквозь тело человека. При космических полетах поглощенная доза (ПД) может изменяться в пределах (1,5ч5,0) · 10-4 Гр/сут [3]. Её величина зависит от высоты, времени полета и его продолжительности. Эти высокоэнергетические тяжелые частицы не представляют опасности для живущих на Земле. Большая часть из них отклоняется под влиянием геомагнитного поля Земли. Остальные частицы должны пройти через атмосферу, где они замедляются в результате многократных столкновений с другими атомами и молекулами газов воздуха. Не будь этих причин, уровень радиации на поверхности Земли был бы гораздо выше, чем есть на самом деле, и жизнь в таких условиях и в сложившихся формах была бы невозможна.

2. Заряженные частицы, образующие, циркулирующие вокруг Земли, слои. Магнитное поле задерживает огромное число заряженных частиц и заставляет их двигаться по замкнутым траекториям от полюса к полюсу в разных направлениях. Эти радиационные пояса очень мощные. Мощность дозы растет по мере увеличения высоты приблизительно до 11 км, а затем становится постоянной. Радиационные пояса представляют опасность для космонавтов.

Космический поток, достигающий поверхности Земли, неравномерен. Мощность дозы от космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты. Уровень облучения возрастает с высотой, поскольку уменьшается плотность атмосферы и вследствие этого уменьшаются её защитные свойства от потока высокоэнергетичных частиц. Северный и Южный полюсы облучаются сильнее, чем экватор. Последнее связано с экранирующим действием магнитного поля Земли, которое отбрасывает значительную часть космического излучения к полюсам.

3. Непредсказуемые мощные потоки радиации, идущие от Солнца, т.е. потоки, сопровождающие солнечные ядерно-физические процессы. Солнечные вспышки развиваются быстро, в считанные минуты, поэтому их невозможно предсказать, за исключением того, что они более или менее регулярно повторяются через 11 лет. Экипажи космических кораблей при орбитальных полетах подвергаются облучению частицами первичного космического излучения и излучения, возникающего при солнечных вспышках. При этом доза может достигать значений нескольких сотен зивертов за вспышку, что заставляет предусматривать на этот случай в конструкции космических аппаратов специального защитного отсека для размещения экипажа. Поэтому длительные космические полёты проводят в периоды наименьшей солнечной активности.

Воздействию космического излучения мы подвергаемся непрерывно, избежать его невозможно, особенно это касается всех пассажиров реактивных авиалайнеров. Например, при перелете из Европы в Америку пассажир обычного турбореактивного самолета в трехчасовом полете получает дозу около 50 мкЗв.

Радиоактивные вещества (радионуклиды)

Что такое радионуклид? Вспомним, что представляет собой атом: ядро и электроны, движущиеся по орбиталям. Заряд электронов нейтрализует заряд ядра, поэтому атом является электронейтральным. Ядро состоит из нуклонов, т.е. нейтронов и протонов. Заряд ядра равен числу протонов и атомному номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, масса ядра практически равна массе атома (масса электронов вносит незначительный вклад). Химические свойства элементов определяются числом внешних электронов, масса ядра не влияет на химические свойства. В природе существуют элементы, состоящие из атомов с разными атомными массами, но одинаковым атомным номером. Эти атомы являются изотопами одного и того же элемента, у них одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов. Химические свойства изотопов одного элемента одинаковы. Некоторые изотопы являются нестабильными, поэтому подвержены радиоактивному распаду, т.е. один радионуклид превращается в другой, и при этом испускается ядерное излучение. Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием частиц и (или) фотонов. Мерой радиоактивности вещества является активность (А):

A = N ,

где N - количеством радиоактивных ядер,

- константа радиоактивного распада , с1.

 = ln 2/T1/2

Активность радионуклида в источнике можно рассматривать как меру скорости ядерных превращений: отношение числа спонтанных ядерных превращений радионуклида dN, происходящих в данном источнике за интервал времени dt, к этому интервалу.

A = dN/dt.

Единицы измерения активности: в международной системе единиц (СИ) единицей абсолютной активности является “беккерель” (в честь Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности), внесистемная единица - “кюри”.

1 Бк = 1 распад/с - активность такого количества вещества, в котором за 1 секунду происходит 1 распад.

1 Kи = 3,7 1010 Бк.

T1/2 - период полураспада - отрезок времени, за который активность данного радионуклида уменьшается в два раза.

Природные радионуклиды

В природе обнаружено 340 естественных изотопов, 70 из них радиоактивны - это в основном изотопы тяжёлых элементов. Начиная с полония (84Po), изотопы всех следующих элементов радиоактивны.

Все существующие в природе радионуклиды можно разделить на три группы:

1. Радионуклиды, входящие в природные радиоактивные семейства

Далеко не всегда продукт радиоактивного распада стабилен (устойчив). Новый образовавшийся нуклид тоже может оказаться радиоактивным. В общем случае последовательные радиоактивные превращения могут составить ряд “генетически” связанных радионуклидов (“семейство”). Радиоактивных природных семейств известно три, каждое из них содержит более десятка радионуклидов [7].

“Родоначальники” этих радиоактивных семейств возникли в период формирования Вселенной и имеют возраст, сравнимый с возрастом Земли, - примерно 109 лет: изотопы урана 238U (период полураспада Т1/2 = 4,5·109 лет), 235U (Т1/2 = 7,13·108 лет), изотоп тория 232Th (Т1/2 = 1,39·1010 лет). Семейство 238U приведено на рис.1.

Дочерние” радионуклиды имеют относительно короткие периоды полураспада. Из них наибольшее радиоэкологическое значение имеют изотопы радия 226Ra (Т1/2 = 1622 года), 228Ra (Т1/2 = 6,7 года), изотоп радона 222Rn (Т1/2 = 3,85 дня), изотоп свинца 210Pb (Т1/2 = 22 года), изотоп полония 210Po (Т1/2 = 138,4 дня). Мы выделяем эти радионуклиды потому, что именно они в основном создают дозу облучения, получаемую человеком за счёт природной радиоактивности.

Рис.1. Радиоактивный ряд урана-238

Главы семейств (материнские радионуклиды) входят в состав многих изверженных (вулканических) пород, поэтому в результате последовательных превращений эти породы будут содержать и все продукты распада урана и тория. Почвы и горные породы будут источником внешнего облучения людей, а также будут способствовать поступлению радионуклидов внутрь организма человека с воздухом, водой и пищей.

Таблица 3 Удельная активность некоторых природных радионуклидов в породах и почвах, мБк/г [4]

Порода или почва	40К	238U	232Th
Породы
Граниты	1000	60	80
Базальты	240	10	10
Известняки	90	30	7
Песчаники	370	19	10
Сланцы	700	44	45
Почвы
Серозёмы	670	31	48
Каштановые	550	27	37
Чернозёмы	410	22	36
Серые лесные	370	18	27
Торфянистые	90	6	6

Загрязнение вод естественными радионуклидами происходит в результате природных геохимических процессов. Поступление урана связано с растворением урансодержащих минералов, миграцией его в водах. Продукты распада урана - радий и радон - также попадают в воду. Радий выщелачивается из твёрдофазных минералов и пород. Радон, будучи газом, диффундирует по трещинам и капиллярам, растворяется в природных водах [6]. Особенно часто радионуклиды естественного происхождения встречаются в водах артезианских скважин. В Свердловской области выявлено 350 источников водоснабжения, в воде которых обнаружено повышенное содержание природных радионуклидов.

Вторым путём поступления радона в организм человека является вдыхание загрязнённого воздуха. Постоянное повышенное содержание радона в воздухе является важным фактором, влияющим на здоровье человека. Радон является радиоактивным газом и создаёт существенные дозы облучения. По оценкам специалистов в СНГ ежегодно от “радонового рака” умирает 15 000 человек [7]. Радон может диффундировать через почву из земных глубин и попадать в жилые помещения зданий через подвалы. Особенно велико его содержание на нижних этажах зданий. Высокое содержание радона обнаружено в природном газе, особенно в сжиженном. Средняя активность добываемого природного газа 1 000 Бк/м3 [8]. Опасен радон не только сам по себе, но и в гораздо большей степени своими продуктами распада, изотопами: 210Pb и 210Po. Попав в организм человека, они будут облучать его более длительное время.

Источником природных радионуклидов могут быть строительные материалы. Практически все сорта гранита в той или иной степени радиоактивны. Гранит - типичная вулканическая порода и может иметь повышенное содержание урана, радия, тория. Если использовать такую гранитную щебёнку при изготовлении бетонных блоков для домостроения, то в помещении зданий всегда будет присутствовать радон.

Наконец, последний путь поступления природных радионуклидов в организм человека - по пищевым путям. Поскольку радионуклиды есть в почвах, будут они и в пищевых продуктах, таких как мясо, молоко, зерно, овощи и фрукты.

2. Природные радионуклиды, не входящие в радиоактивные семейства

Существуют природные радионуклиды, не входящие в семейства; их периоды полураспада очень высоки. Радиоэкологическое значение из них имеют только два: изотоп калия (40К) и изотоп рубидия (87Rb). В природном калии содержится 0,0119 % изотопа 40К, поэтому он входит в состав почв, горных пород, Мирового океана и “живого вещества”, даже тела человека. Так, средняя активность тела человека весом 70 кг (содержего 130 г калия) равна 4·103 Бк.

3. Радионуклиды космогенного происхождения

Они образуются при взаимодействии космических лучей с газами земной атмосферы и некоторыми элементами земной коры. Наиболее радиоэкологически важные изотопы - углерод-14 (Т1/2 = 5730 лет) и тритий (Т1/2 = 12,35 года). Тритий (радиоактивный водород) и углерод-14 (14С) образуются непрерывно, так как мы не можем ограничить взаимодействие космического излучения с атмосферой. Скорость образования 14С остаётся неизменной уже 15 000 лет [6], поэтому он находится в равновесии с углеродом биосферы (т.е. доля радиоуглерода в составе стабильного практически постоянна) и поступает в организм человека с водой, воздухом, растительной и животной пищей, став составной частью человеческого тела. На определении количества 14С основан метод оценки возраста органических материалов, произведённых из “живого вещества” (например, дерева), и отмерших организмов. Радиоуглеродный метод разработан американским радиохимиком У. Либби (Нобелевская премия 1960 года) и применим при определении возраста объектов не старше 50 000 лет.

Доля 14С в смеси со стабильными изотопами (12С и 13С), из которых состоит элемент углерод, при жизни любого организма постоянна вследствие непрерывного обмена веществ (метаболизма). Эта доля такая же, как у углерода, который входит в состав углекислого газа атмосферы (CO2); именно этот газ участвует в фотосинтезе, который “строит” тело всех растений. В отмерших материалах из-за прекращения метаболизма доля 14С вследствие его распада только убывает со скоростью радиоактивного распада (А = Аое-лt, где л = ln 2/Т1/2). Эта экспериментально устанавливаемая доля находится в строгом количественном соответствии с отрезком времени, который прошёл с момента прекращения метаболизма (например, естественного отмирания или срубания дерева) до момента определения доли 14С. Так устанавливают “возраст” археологических и палеонтологических объектов органического происхождения.

Техногенные радионуклиды

Они стали появляться в биосфере после открытия способов искусственных превращений элементов (деления ядер, ядерных реакций на нейтронах, ядерных реакций на заряженных частицах). Источники техногенных радионуклидов хорошо известны: штатная работа атомных реакторов (технологических, энергетических, транспортных, исследовательских), испытания ядерного оружия, аварии на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), переработка и захоронение их отходов.

В ядерный топливный цикл входят предприятия по добыче урана, производству ядерного топлива, АЭС, предприятия по переработке отработанного ядерного топлива. На всех этапах ЯТЦ образуются жидкие, твёрдые и газообразные отходы, содержащие естественные и искусственные радионуклиды. Проблема обезвреживания радиоактивных отходов и их безопасного хранения является важнейшей проблемой ЯТЦ. Подавляющая часть радионуклидов, образующихся в результате работы ядерного реактора, остаётся в отработанном топливе, поэтому при его переработке образуется самое большое количество радиоактивных отходов. Отходы переработки содержат около 90 радионуклидов продуктов деления ядерного топлива и свыше 120 радионуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада продуктов деления. Большая часть произведённого во всём мире количества долгоживущих радионуклидов находится сегодня в хранилищах отработанного топлива на радиохимических заводах. Из-за ограниченной мощности перерабатывающих заводов только 5 % отработанного топлива подвергается переработке, а 95 % остаётся на хранение. Крупное предприятие по переработке облучённого ядерного топлива ПО “Маяк” находится в г. Озёрске. Суммарная активность твёрдых и жидких отходов, накопленных на ПО “Маяк”, составляет около 1 млрд Ки (1 Ки = 3,7·1010 Бк).

Деятельность перерабатывающего предприятия в первые годы развития ядерных технологий привела к радиоактивному загрязнению ряда территорий. Слабоактивные отходы ПО “Маяк” сбрасывало в каскад водоёмов, отделённых от реки Теча Обского бассейна плотиной. Основной источник загрязнения Течи - пойменные участки (Асановские болота), территория которых открыта для населения. Официальные данные о загрязнении десятков посёлков и деревень в результате сброса радиоактивных отходов в реку Теча появились только в 1993 году. Среднеактивные отходы ПО “Маяк” долгое время сбрасывало в бессточные озёра Карачай и Старое болото. В озере Карачай накопилось 120 млн Ки активности, в основном это долгоживущие радионуклиды 90Sr (Т1/2 = 29,12 года) и 37Cs (Т1/2 = 30 лет). Такое хранение отходов не может гарантировать их неподвижность: радиоактивные изотопы мигрируют в подземные и затем в поверхностные воды - существует опасность выноса радионуклидов в речную сеть. В настоящее время наиболее перспективными и экологически безопасными методами хранения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) считаются методы отверждения, дающие надёжную изоляцию отходов от окружающей среды на длительное время.

Самые крупные радиационные аварии в СССР - это авария на Чернобыльской АЭС (произошла 26 апреля 1986 года, и суммарный выброс продуктов деления составил 50 млн Ки); аварии на ПО “Маяк”: взрыв ёмкости жидких радиоактивных отходов в 1957 году, когда в окружающую среду было выброшено приблизительно 23 млн Ки, в результате выброса образовался Восточно-Уральский радиоактивный след длиной до 110 км, шириной 35-50 км и привёл к загрязнению районов Челябинской, Свердловской, Курганской и Тюменской областей; в 1967 году зона радиационного загрязнения расширилась вследствие ветрового разноса радиоактивных аэрозолей с пересохшей части озера Карачай.

Испытания ядерного оружия стали основным источником появления искусственных радионуклидов в окружающей среде. Советский Союз, США, Франция, Китай и Великобритания в течение десятилетий нарабатывали ядерные материалы, производили и испытывали новые боезаряды. 16 июля 1945 года в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико, США) была взорвана первая атомная бомба. В августе 1945 года США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. В СССР первый ядерный взрыв осуществили на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года [9].

Взрывообразно цепная ядерная реакция деления протекает лишь тогда, когда в качестве “заряда” используются изотопы уран-235 (235U, выделенный из природной смеси с изотопом 238U) и плутоний-239 (239Pu, который можно получить искусственным образом из 238U).

Ядерный взрыв - это сложное физическое явление, при котором практически мгновенно высвобождается огромное количество энергии [10]. Радиоактивные продукты, образующиеся при ядерном взрыве, состоят в основном из продуктов деления ядер изотопов урана, плутония-239, непрореагировавшего ядерного горючего и радионуклидов, образующихся при взаимодействии нейтронов с конструкционными материалами бомбы, веществами воздуха и грунта. В момент взрыва первоначальная смесь продуктов содержит 200 изотопов 36 химических элементов, большинство из которых имеет относительно малый период полураспада. Из долгоживущих радионуклидов следует упомянуть стронций-90, цезий-137, плутоний-239 и изотопы урана - они будут вносить свой вклад в загрязнение окружающей среды ещё десятки и сотни лет.

Взрывы бывают подземные, воздушные, наземные и подводные. Самое большое количество радиоактивных осадков дают атмосферные взрывы. Радиоактивные выпадения от взрыва делятся на три типа.

1. Ближние или локальные выпадения.

Крупные частицы размером более 100 мкм оседают на землю под действием силы тяжести. Эти выпадения обычно бывают сухими и не связаны с атмосферными осадками. Начинаются сразу после взрыва и продолжаются 1-2 суток. В результате выпадений образуется радиоактивный след шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сотен километров.

2. Промежуточные или тропосферные выпадения.

Мелкие частицы (в несколько мкм и меньше) попадают в тропосферу на высоту 11-16 км. На землю они выпадают с дождями, туманами, осаждаясь на поверхности земли, почве и растениях в течение 30 суток. Мелкие частицы проникают внутрь организма человека ингаляционным путём. В основном это могут быть радионуклиды 131I, 140Ba, 89Sr.

3. Глобальные или стратосферные выпадения.

На высоту 10-30 км забрасываются самые мелкие частицы размером десятые-сотые доли мкм. Там они переносятся воздушными течениями, оставаясь надолго - на месяцы и годы, затем переходят в тропосферу и выпадают с влажными осадками по всей поверхности земного шара. Эти выпадения определяются долгоживущими продуктами: 90Sr, 137Cs, 3H, неразделившимися 238U, 239Pu, 235U. Они попадают в воду, заражают почву (поверхностный слой почвы толщиной 5-6 см содержит 80-90 % активности).

Выпадения радионуклидов на поверхности планеты вследствие проведения испытаний ядерного оружия происходило неоднородно. Проведение взрывов на Новой Земле привело к загрязнению островов и прилегающих частей Баренцева и Карского морей, сложная радиационная ситуация сложилась на Семипалатинском полигоне. 76 % глобальных выпадений пришлось на северное полушарие, где и было произведено 90 % от общего числа испытаний. Максимум выпадений пришёлся на 40-50є северной широты. В 1963 году СССР, США и Великобритания подписали в Москве договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космосе и под водой в связи с растущим загрязнением окружающей среды искусственными радионуклидами. После этого начался спад интенсивности глобальных выпадений радионуклидов.

Искусственные радионуклиды при ядерных взрывах, авариях и бесконтрольном сбросе радиоактивных отходов попадают в окружающую среду, распространяясь согласно своим физико-химическим, геохимическим и биохимическим свойствам, попадают в организм человека и другие живые организмы из воды, воздуха через органы дыхания и по пищевым цепям.

Применение ионизирующего излучения в медицине

Источники ионизирующего излучения, применяемые в медицине, стали одним из способов антропогенного облучения населения. Можно выделить использование рентгеновского излучения для диагностики и лечения (радиационная терапия) и радиоизотопную медицину.

Рентген для диагностики используется более 100 лет и остаётся наиболее широко используемым средством. Определение дозовых нагрузок на пациента при различных процедурах затруднительно, так как они зависят от характеристики излучателя, проводимой процедуры, параметров пациента и т. д. В табл. 4 приведены средние эффективные дозы за процедуру в разных странах.

Таблица 4 Типичные значения индивидуальных эффективных доз пациентов при различных процедурах, мЗв [11]

Процедура	Германия	Россия
Фотофлюорография грудной клетки	-	0,67
Рентген конечностей и суставов	0,06	-
Маммография	0,5	0,56
Рентген спинного мозга поясница грудь	2 0,7	- -
Рентген ЖКТ	8-18	3,3
Рентген головы	0,03	-
Холецистография	7,1	-

Наибольший вклад в облучаемость населения даёт компьютерная томография (34 %), а затем исследования верхнего гастроинтестинального тракта (12 %).

Использование радионуклидов в области медицинской радиоизотопной диагностики, называемое ядерной медициной, связано с введением радионуклидов внутрь организма. Радиоизотопы (меченые атомы) используются для исследования протекающих в организме человека процессов и обнаружения раковых опухолей. Меченый радионуклидом фармпрепарат биологическими путями распределяется по органам. Фиксируя распределение активности по органу или организму, можно судить о функционировании органа или ткани.

Например, изотопы иода (131I, 125I) применяются для оценки функции щитовидной железы; изотоп натрия 24Na позволяет определять скорость кровотока и проницаемость сосудов; изотоп технеция 99mTc используется для изучения функционального состояния щитовидной железы, слюнных желез, сердца, скелета, опухолей головного мозга, печени и почек; изотопы кобальта 60Co и цезия 137Cs используют в терапии и как индикаторы; изотоп углерода 14С - для проведения медико-биологических исследований. Приведённый перечень не является исчерпывающим.

В терапевтических целях радиация используется в основном для лечения онкологических больных. В радиотерапии используют внешние пучки сфокусированного рентгеновского излучения и излучение радионуклидных источников, сфокусированные на место локализации опухоли.

В терапии также применяют радионуклидные фармацевтические препараты. При введении внутрь организма они селективно откладываются в каком-то органе, концентрируясь в раковых клетках. Содержащийся в таком веществе радионуклид испускает короткопробежное излучение (б- или в-частицы) и вызывает гибель клеток в месте локализации препарата, не затрагивая здоровые ткани.

Дозы, получаемые человеком при диагностике и лечении, велики, могут изменяться в широких пределах. Поэтому каждый человек должен следить за тем, чтобы не подвергаться рентгенодиагностическим процедурам без особой необходимости. С медицинской точки зрения небольшая опасность, которой подвергается больной при облучении, должна в избытке компенсироваться полученной врачом информацией, помогающей в диагностике и лечении заболевания. Когда рентгеновские лучи применяют для лечения раковых опухолей - это оправданно. Если у больного рак и его не лечить, то перспектива очевидна, поэтому бессмысленно беспокоиться о возможных генетических нарушениях или о возможности возникновения раковой опухоли вследствие облучения через 20-30 лет. Большое количество рентгеновских снимков увеличивает генетический риск, а также риск возникновения лейкоза (рака крови). Неоправданно часто применяют рентгеновское обследование в стоматологии, при этом необходимо использовать резиносвинцовый фартук для защиты тела, что предотвратит рассеяние рентгеновских лучей и их поглощение организмом [12].

2. ОСНОВЫ РАДИОТОКСИКОЛОГИИ

Биологическое действие ионизирующих излучений. Облучение внешнее и внутреннее. Пути проникновения радионуклидов в организм человека и животных. Детерминированные и стохастические эффекты. Понятие критического органа. Выведение радионуклидов из организма: закономерности и особенности естественного процесса; лекарственные методы, способствующие выведению.

Поражающее действие ионизирующего излучения зависит от его вида и полученной дозы. Радиоактивное излучение не воспринимается органами чувств: его нельзя увидеть, услышать, ощутить как-то иначе. Именно поэтому человек может подвергаться воздействию излучения и ничего не подозревать.

Биологическое действие ионизирующих излучений

Основные особенности действия ионизирующих излучений на живой организм состоят в следующем:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии. Малые количества поглощённой энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Продолжительность его сокращается с увеличением дозы.

3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией.

4. Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство (генетический эффект).

5. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

6. Реакция организма на радиационное облучение субъективна. Некоторые люди погибают при однократном получении дозы излучения в 4 Гр, другие выживают при дозе 10 Гр. В среднем возможна лишь статистическая оценка.

7. Одноразовое получение организмом какой-то определённой дозы более опасно, чем постадийное её накопление.

В результате поглощения энергии ионизирующего излучения в живых организмах происходят сложные биофизические и биохимические процессы. У человека (и млекопитающих) основную часть массы тела составляет вода (около 75 %), поэтому первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией и возбуждением молекул воды. Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и сильные окислители (H2O2), обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, - токсины, образующиеся при радиационно-химическом окислении жиров. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также организма в целом. Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. Действие излучения через продукты радиолиза воды является косвенным (непрямым) действием.

Прямое действие ионизирующего излучения может вызвать расщепление молекул белка, разрыв менее прочных связей, отрыв радикалов и другие денатурационные изменения. Энергия ионизирующего излучения передаётся тканям и клеткам человека не равномерно, а отдельными разрозненными “пачками”. В результате большая часть энергии излучения передаётся небольшому числу клеток, а оставшаяся энергия распределяется в значительно большем количестве клеток. При таком неравномерном распределении энергии, даже если она очень мала, некоторые клетки будут значительно повреждены. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической, механической и др.), поглощённой биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Например, смертельная для человека доза ионизирующего излучения 6 Гр соответствует поглощённой энергии 6 Дж/кг. Для человека массой 70 кг поглощённая энергия составит 420 Дж. Если эту энергию подвести в виде тепла, то она нагрела бы тело примерно на 0,001 єС, что меньше эффекта выпитой чашки горячего чая. Тепловая и механическая энергия поглощается в тканях одинаково и равномерно, поэтому, чтобы вызвать повреждение в живом организме, энергии подобного типа потребуется намного больше, чем энергии радиоактивного излучения.

Наиболее важные изменения в клетках под действием ионизирующего излучения касаются повреждения механизма деления, блокирования процессов физиологической регенерации тканей и процессов обновления клеток, поэтому наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся тканей и органов (костный мозг, половые железы, селезёнка и т.п.). В зависимости от величины поглощённой дозы излучения и индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах поражённая ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимые поражения отдельных органов или всего организма. Биологический эффект зависит от суммарной дозы, времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма.

По отношению к человеку облучение может быть внешним или внутренним, для каждого из них можно рассчитать поглощённую дозу.

Внешнее облучение - воздействие на организм ионизирующего излучения, приходящего извне (от устройства или закрытого источника, содержащего радиоактивное вещество) [13]. Внешнее облучение б- и в-частицами менее опасно, так как они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других органов. Значительно большую опасность представляют г- и нейтронное излучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают её.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно порции излучения распределены по времени, тем меньше его поражающее действие.

Степень поражения зависит от размера облучаемой поверхности. Чем меньше облучаемая поверхность при той же мощности потока излучения, тем меньше биологический эффект. Так, при облучении фотонами поглощённой дозой 450 рад участка тела площадью 6 см2 заметного поражения организма не наблюдается, а при облучении такой же дозой всего тела будет 50 % смертельных случаев.

Возможные последствия облучения людей можно разделить на 2 категории [1]:

1. Детерминированные:

* лучевая болезнь;

* локальные лучевые поражения.

2. Стохастические:

* сокращение продолжительности жизни;

* лейкозы (злокачественные изменения кровообразующих клеток);

* опухоли разных органов и клеток;

* наследственные болезни.

К детерминированным относят клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше - тяжесть эффекта зависит от дозы. К таким эффектам относят локальное незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

Стохастические эффекты облучения, которые имеют вероятностную природу и не имеют дозового порога, обнаружить трудно, так как они незначительны и имеют длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятками лет после облучения. К стохастическим эффектам относят злокачественные новообразования и опухоли, наследственные болезни, возникающие в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью. Вероятность появления стохастических эффектов пропорциональна дозе облучения и не исключается при малых дозах, тяжесть проявления не зависит от дозы [14].

Внутреннее облучение - облучение организма, отдельных органов и тканей ионизирующим излучением, испускаемым содержащимися в них радионуклидами (источник ионизирующего излучения находится внутри организма) [13]. Вклад в облучение дают б-, в- , г-излучатели.

Степень радиационной опасности радионуклидов при внутреннем облучении человека определяет ряд параметров:

1. Путь поступления радиоактивного вещества в организм.

Радиоактивные вещества способны поступить в организм через лёгкие при дыхании, с пищей и водой, через повреждения на коже или путём абсорбции через здоровую кожу. Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязнённого воздуха, потому что именно при дыхании попадает наибольшее количество радионуклидов. За 1 сутки человек использует 20 м3 воздуха, а с пищей только 2,2 л воды, усвоение через кожу в 200-300 раз меньше, чем через желудочно-кишечный тракт.

2.Продолжительность поступления радиоактивного вещества в организм.

3. Распределение радионуклида в организме человека (наличие критического органа).

Попавшие в организм радионуклиды или равномерно распределяются по всему телу, или концентрируются в отдельных органах и тканях. Критический орган - это орган, способный избирательно накапливать тот или иной радионуклид в соответствии с его химическими свойствами [14].

При наличии критического органа поражение будет большим, потому что частицы свою энергию отдадут сравнительно небольшому объёму ткани, вследствие концентрирования радионуклида этим органом.

4. Вид излучения.

При внутреннем облучении наиболее опасны радионуклиды, испускающие при распаде б-частицы, так как они имеют большую ионизирующую способность.

5. Энергия излучения.

Чем энергия излучения выше, тем больше повреждающий эффект.

6. Время пребывания излучателя в организме. Время будет определяться периодом радиоактивного полураспада и периодом биологического полувыведения.

Период радиоактивного полураспада - период, за который распадается половина вещества (вещество теряет половину своей активности). Когда период полураспада радионуклида очень большой, то его активность практически не изменяется во времени, радионуклид очень близок к стабильному элементу. Если период полураспада маленький (например, миллиардные доли секунды), то частицы не успеют нанести существенный вред организму человека. Поэтому наиболее опасны радионуклиды, имеющие значения периода полураспада порядка нескольких сотен или десятков лет (90Sr, 137Cs и т.п.).

Степень опасности внутреннего облучения от радионуклидов зависит от скорости их выведения из организма. Чем дольше радионуклид находится в организме, тем больший вред он ему нанесёт. Среднее время пребывания в организме для различных радионуклидов очень сильно различается: от десятков суток (14С, 24Na) и практически до бесконечности (90Sr, 239Pu) [14]. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, являются изотопами элементов, входящих в состав пищи (натрий, хлор, кальций и др.), то они долго не задерживаются в организме. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон, радон), попадая через лёгкие в кровь, со временем полностью удаляются из организма, так как не являются изотопами элементов, входящих в состав ткани. Некоторые радионуклиды отлагаются в костных тканях (90Sr) и очень плохо выводятся из организма.

Радионуклиды, попавшие в организм человека, вызывают различные последствия, схожие с последствиями от внешнего облучения при равных поглощённых дозах. В зависимости от природы радионуклида и особенностей его локализации в организме могут возникать лейкозы, гепатиты, опухоли различной локализации.

Ионизирующее излучение может оказывать на организм не только отрицательное воздействие. Хорошо известен эффект стимулирующего воздействия на биологические объекты малых доз ионизирующего излучения (явление радиационного гормезиса): уменьшается вероятность образования раковых опухолей и тормозится их развитие, ускоряется заживление ран, возрастает сопротивляемость организма инфекциям [15]. На этом явлении основано применение радоновых ванн в санаториях.

Всё вышерассмотренное относится к человеку, хотя многие качественные и количественные характеристики получены на основе исследований других популяций. Механизмы развития реакции живой материи на воздействие радиации в значительной степени схожи для всех биологических структур. Однако организмы разного биологического спектра обладают разной радиорезистентностью, что говорит о специфике проявления действия радиации при больших дозах на разных уровнях организации живой материи. Самой высокой радиочувствительностью обладают млекопитающие, затем птицы, рыбы, пресмыкающиеся и насекомые. Менее чувствительны к высоким дозам радиации мхи, лишайники, водоросли и микроорганизмы от бактерий до вирусов.

Мероприятия, направленные на защиту организма человека от воздействия ионизирующих излучений

При внешнем облучении дозу можно ослабить, если предпринять следующие действия.

1. Сократить время воздействия источника ионизирующего излучения до минимума (защита временем).

2. Находиться на возможно большем расстоянии от источника ионизирующего излучения (защита расстоянием). Интенсивность радиации снижается пропорционально квадрату расстояния. При увеличении расстояния в 2 раза, интенсивность излучения уменьшается в 4 раза. Например, к этому приводит использование длинной штанги у дозиметристов, защищающей их от переоблучения.

3. Примененять защитные экраны. Выбор экрана, материала и толщины зависит от вида излучения, его энергии и активности источника. В качестве защитных материалов используются свинец, сталь, бетон, вода и т.д.

В медицине при рентгенодиагностике использовать свинцовые фартуки.

В случае аварийной ситуации следует воспользоваться защитными свойствами домов и убежищ [7]:

4. В быту следить за облучением при медицинском обследовании (самостоятельно учитывать количество проводимых процедур и консультироваться с врачом) и правильным выбором строительных материалов. Контроль строительных материалов на содержание природных радионуклидов осуществляет радиологический отдел СЭС.

Снизить негативное воздействие радионуклидов, попадающих внутрь организма человека (внутреннее облучение), можно следующим образом:

1. Осуществлять контроль воды, воздуха, продуктов питания. Для каждой из перечисленных категорий существуют предельно допустимые нормы содержания радионуклидов.

2. Принять меры по снижению содержания радона в помещении.

Норматив на содержание радона в воздухе уже существующих зданий составляет 200 Бк/м3, строящихся - 100 Бк/м3. При содержании радона в воздухе более 400 Бк/м3 жильцы должны быть переселены [16]. Радон поступает в помещение из строительных материалов, воды из артезианских скважин, природного газа и почвы под зданием. Кипячение воды в течение 5 мин и регулярное проветривание помещений позволит снизить содержание радона, поступающего за счёт первых трёх источников. Поступление радона из земных разломов требует принятия дополнительных мер защиты, описанных в [16].

3. В случае радиационной аварии защитить органы дыхания, поверхности тела (платки, куртки, сапоги). При попадании радионуклидов на поверхность кожи провести дезактивацию водой, хозяйственным мылом, поверхностно-активными веществами.

4. Если произошло попадание радионуклида внутрь организма человека, то принять меры, ускоряющие их выведение:

* Механическое удаление радионуклида (приём рвотных средств, промывание желудка и кишечника, обильное питьё, приём адсорбентов.

На ранней стадии для выведения радионуклидов применяют адсорбенты (вещества поглощающие радионуклид), поскольку на более поздних стадиях их выводить из организма гораздо сложнее.

* Ускорение выведения радионуклидов методом замещения или комплексообразования. Чем скорее после поступления в организм человека радионуклидов эти методы применены, тем они эффективнее.