Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики - Ян Мархоцкий

В воздухе и в мягких тканях организма человека одинаковая мощность экспозиционной дозы рентгеновского или γ-излучения (с энергией не более 3 МэВ) создает примерно одинаковое число ионов в 1 см3. Поэтому можно оценивать поглощение энергии мягкими тканями не по поглощенной дозе, а по мощности экспозиционной дозы.

Поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует 1 Р или, точнее, 1 Р = 0,88 рад. Мощностью поглощенной дозы называется отношение поглощенной дозы ко времени.

Поглощенную дозу можно экспериментально установить в любом объекте. В человеческом организме это сделать трудно. Для этого нужны эквивалентные дозиметры с детекторами, по составу подобные органической ткани, которые размещают в полостях тела.

В настоящее время в лучевой терапии при локальном облучении используют понятие интегральной дозы. Это энергия, суммарно поглощенная во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в джоулях, так как ее единица – 1 Гр кг = 1 Дж.

Эквивалентная доза и ее мощность. При одной и той же поглощенной дозе α-, р- и γ-излучение оказывают неодинаковое поражающее действие, что объясняется их различной ионизирующей способностью. Более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же дозе D радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, вводят понятие эквивалентной дозы (Н). Она определяется соотношением Н= К ·D, где К — коэффициент качества, или коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ); D — поглощенная доза.

Для рентгеновского, β- и β-излучения К = 1; для тепловых нейтронов К = 5; для быстрых нейтронов К = 10; для протонов К = 10, для α-частиц К = 20.

Единицей измерения Н в системе СИ является зиверт (Зв):

1 Зв = 1 Гр К.

Используются также производные единицы: в 1 тыс. раз меньшая – миллизиверт (мЗв), в 1 млн – микрозиверт (мкЗв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы Н служит БЭР – биологический эквивалент рада; 1 Зв = 100 бэр; 1 бэр = 10-2 Зв.

Если известна поглощенная доза D в радах, то ее умножение на коэффициент качества дает эквивалентную дозу Н в бэрах. Мощность эквивалентной дозы измеряется в зивертах в час (Зв/ч), миллизивертах в час (мЗв/ч), микрозивертах в час (мкЗв/ч).

Эффективная эквивалентная доза. Эквивалентная доза рассчитывается для «средней» ткани человеческого организма. При лучевой терапии злокачественных опухолей приходится рассчитывать дозу облучения отдельных органов. Важно не только попадание радиации в организм человека, но и то, какой орган при этом поражается.

Органы и ткани человеческого организма по отношению к ионизирующим излучениям имеют разную радиочувствительность. Учет радиочувствительности производят с помощью коэффициентов радиационного риска (КР). Выделяют четыре группы критических органов, для которых устанавливаются предельно допустимые дозы облучения: все тело; все органы (кроме гонад и красного костного мозга); кости; конечности. Сильнее всего поражаются красный костный мозг, яичники, семенники как ткани и органы, осуществляющие эритро- и лейкопоэз, спермато- и овогенез.

Рассматривая предлагаемые учеными КР, находим, что облучение щитовидной железы дозой 13 в приведет к такому же поражению организма, как и облучение дозой 0,03 Зв всего организма в целом.

Это важно, так как, например, при лучевой терапии, при поступлении радиоактивности с пищей, водой, вдыхаемым воздухом с последующим накоплением в определенных органах, для которых определены КР, можно вычислить эффективную эквивалентную дозу, полученную человеком, а также сделать прогноз дальнейшего лечения.

Ожидаемая доза. Значительное количество людей вынуждены жить в условиях с повышенным радиоактивным фоном.

В этой связи необходимо предвидеть, какую дозу облучения получит организм за предстоящий год, десять лет, в течение всей жизни. Это позволит оценить вероятность последствий и принять меры защиты.

Расчет ожидаемой дозы требует высокой квалификации специалиста. В данном случае необходимо учитывать:

• периоды полураспада радионуклидов и их долю в общей радиоактивности;

• способность радионуклидов накапливаться в органах и тканях и выводиться из организма;

• особенности рациона питания и уровень загрязненности продуктов;

• долю внешнего облучения и много других факторов.

Естественные источники радиации

К естественным источникам радиации относятся:

• космическая радиация (лучи, падающие на Землю из космоса);

• земная радиация (радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, стройматериалах, пище).

Радионуклиды естественного происхождения присутствуют в литосфере, гидросфере и атмосфере. Все естественные источники могут вызывать у человека внешнее и внутреннее облучение. Источники радиации, рассеянные в земной коре, всегда существовали на Земле и играли важную роль в эволюции флоры и фауны.

Среди внешних источников особого внимания заслуживают космические лучи и естественная радиация, находящаяся в почве и строительных материалах. Внутреннее облучение человек получает из воздуха, воды и продуктов питания.

Биосферная радиация

Радиоактивные элементы земных пород. Большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации, составляют биосферные источники. Они дают в среднем 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения.

Биосферную радиацию создают радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, природном газе, строительных материалах, продуктах питания, воде и воздухе. Некоторые основные радиоактивные изотопы биосферы представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные радиоактивные изотопы биосферы

Главным источником поступления в биосферу естественных радиоактивных веществ являются горные породы, в состав которых входят радиоактивные элементы, появившиеся в период формирования планеты и почвы. В результате деструктивных процессов метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера радиоактивные вещества подвергаются широкому рассеиванию. Поэтому количество радиоактивных элементов, содержащихся во внешней среде, зависит от горных пород, их вида и местонахождения.

Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) приводит средние концентрации 40К, 226Ra и 232Th в различных видах пород. Например, в граните средняя концентрация 40К – 1200, 226Ra – 100, 232Th – 80 Бк/кг. В процессах миграции и круговорота радиоизотопов значительное место занимает растительный и животный мир.

Некоторые из изотопов (40К, 14С, 3Н) находятся в смеси со стабильными изотопами элементов, активно участвующими в обмене веществ и обеспечивающими функционирование всех органов и систем живой материи. Содержание их в организме зависит от степени накопления стабильных изотопов.

Содержание других радиоизотопов в организме (238U, 226Ra, 232Th, 210Pb, 210Po) зависит от содержания их в окружающей среде. Например, в золе растений, выращенных на обычных почвах, содержится в среднем 3-Ю-4 г/кг урана, а в золе растений, произрастающих на обогащенных ураном почвах, – 2·10-3 г/кг.

Калий-40. Среди изотопов главное место по величине активности занимает изотоп калия – 40К, который усваивается вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Количество калия в растениях, по сравнению с его содержанием в земной коре, меньше в 3—10 раз. В организме животных его еще меньше (в 10–15 раз по сравнению с содержанием калия в породах).

Данные о содержании калия в некоторых продуктах и их удельная активность по 40К представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Содержание калия в некоторых пищевых продуктах и их удельная активность по калию-40

Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (масса 70 кг) составляет 0,19 % 130 г). Особенно богаты калием органы и ткани, обладающие высокой функциональной активностью, – скелетная мускулатура, сердце, нервная ткань и др. Содержание стабильного калия и калия-40 в организме человека зависит от пола, возраста, массы тела, характера мышечной деятельности. У мужчин в мышцах калия обычно больше, чем у женщин. При старении уровень калия в тканях снижается.

Углерод-14. Общее содержание углерода в теле взрослого человека составляет в среднем 18 % т. е. около 12,6 кг. Углерод равномерно распределяется в тканях, следует считать, что их удельная радиоактивность по 14С составляет 52 Бк/кг.