«57 И.С. Асаенок А.И. Навоша РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Учебное пособие МИНСК 2004 58 И.С. Асаенок А.И. Навоша РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия ...»

ТЕОРИЯ

1. Радиационная безопасность, учебное пособие, pdf.

2. ЗН и ХО в ЧС, учебное пособие, pdf.

57

И.С. Асаенок

А.И. Навоша

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Учебное пособие

МИНСК 2004

58

И.С. Асаенок А.И. Навоша

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего образования Минск УДК 614.876 (075.8) БКК 68. 9я А Рецензенты:

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» БГТУ (зав. кафедрой Г.А. Чернушевич) С.А. Хорева, профессор кафедры экологии БНТУ, доктор биологических наук Асаенок И.С.

Радиационная безопасность: Учеб. пособие / И.С. Асаенок, А.И. Навоша А 90 – Мн.: Бестпринт, 2004. – 105 с.

ISBN 985-6722-76- Рассмотрено понятие «радиация», включающее в себя различные виды ионизирующих и неионизирующих излучений. Особое внимание уделено ионизирующим излучениям, формирующимся при ядерных превращениях. Изложены условия радиоактивного распада, дозиметрические величины, взаимодействие различных излучений с веществом, вопросы воздействия ионизирующих излучений на организм человека.

Книга адресована студентам высших технических учебных заведений, аспирантам, магистрантам, изучающим основы защиты людей от ионизирующих излучений, а также широкому кругу читателей, интересующихся вопросами радиационной экологии.

ISBN 985-6722-76-4 УДК 614.876 (075.8) БКК 68. 9я © И.С. Асаенок, А.И. Навоша., © Оформление. Бестпринт,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….. 1. РАДИОАКТИВНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР……………………..……… 1.1. Характеристики атомных ядер и энергия их связи………………….….. 1.2. Явление радиоактивности. Основной закон радиоактивного распада… 1.3. Альфа-распады, бета-распады и гамма-излучения радиоактивных ядер……………………………………………………………………………. Контрольные вопросы ………………………………………………………..

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ ….

2.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом …………………………... 2.2. Взаимодействие бета-частиц с веществом …………………………….. 2.3. Взаимодействие гамма-излучения с веществом ………………………. 2.4. Взаимодействие нейтронов с веществом ……………………………… 2.5. Методы регистрации ионизирующих излучений ……………………... Контрольные вопросы………………………………………………………... 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ…………………. 3.1. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления……………………... 3.2. Понятие о ядерном реакторе и принципе его работы………………..... Контрольные вопросы………………………………………………………... 4. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ………….......... Контрольные вопросы…………………………………………………….......

5. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ…………………………………………. 5.1. Естественный радиационный фон……………………………………… 5.2. Искусственные источники радиации………………………………….... Контрольные вопросы………………………………………………………...

6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...

6.1. Механизмы повреждения клеток и тканей при воздействии ионизирующих излучений…………………………………………………… 6.2. Радиочувствительность клеток и тканей……………………………….. 6.3. Реакции целостного организма на воздействие ионизирующих излучений……………………………………………….…………………….. 6.4. Действие на организм малых доз излучения…………………………... Контрольные вопросы………………………………………………………... 7. АВАРИЯ НА ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС И ЕЕ ПОСЛЕДСТВИЯ……… 7.1. Краткая характеристика типовых ядерных энергетических установок…………………………………………………………………..….. 7.2. Причины аварии на ЧАЭС, начальные ее последствия и состояние остановленного реактора…………………………………………………….. 7.3. Радиоэкологическая обстановка в Республике Беларусь……………... 7.4. Экономические последствия катастрофы на ЧАЭС…………………... Контрольные вопросы………………………………………………………...

8. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ НАСЕЛЕНИЯ ОТ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...……………………………………….. 8.1. Общие принципы защиты населения от ионизирующих излучений… 8.2. Хранение, учет и перевозка радиоактивных веществ, ликвидация отходов ……………………………………………………………………….. 8.3. Государственная программа Республики Беларусь по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской атомной электростанции ……….. Контрольные вопросы………………………………………………………...

9. НОРМИРОВАНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ И ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ

ОБСТАНОВКИ ………………………………………………………………. 9.1. Обоснование допустимых доз облучения……………………………… 9.2. Методика оценки радиационной обстановки………………………….. Контрольные вопросы………………………………………………………... 10. БЕЗОПАСНОСТЬ НЕИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ…………..... 10.1. Виды и источники электромагнитных излучений (ЭМИ)…………… 10.2 Воздействие электромагнитных излучений на организм человека….. 10.3. Ультрафиолетовая радиация, воздействие на организм……………. 10.4. Гигиенические аспекты тепловой радиации……………………….... Контрольные вопросы………………………………………………………. ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Радиация (от латинского слова radio – излучаю) представляет собой различные излучения, распространяющиеся от какого-либо тела. Явления этих излучений появились задолго до того, как на Земле возникла живая материя. Ионизирующим называется излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Для характеристики можно использовать и термин «ионизирующая радиация». Она является частью общего понятия радиация, включающего в себя излучения электромагнитные, тепловые, ультрафиолетовые, инфракрасные.

Сегодня особое беспокойство представляют ионизирующие излучения, широко применяемые в промышленности, энергетике, медицине. При этом необходимо отметить, что ионизирующие излучения являются одновременно и другом и смертельным врагом человека. Это требует от каждого серьезных знаний об источниках опасности ионизирующей радиации, методах защиты от ее воздействия.

Авария на Чернобыльской АЭС заставила серьезно пересмотреть старые взгляды на проблему радиационной безопасности и в первую очередь безопасности ионизирующих излучений. Именно поэтому важно, чтобы специалисты с высшим образованием во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства республики имели четкое представление о степени радиационной опасности ионизирующих, электромагнитных, ультрафиолетовых излучений, которым могут подвергаться люди.

Одной из основных идей данного учебного пособия является осознание того, что радиации не надо бояться. Радиофобия, воздействуя серьезно на психику людей, утяжеляет течение заболеваний, вызванных воздействием ионизирующих излучений. Поэтому основным методом защиты от ее воздействия является знание характеристик различных видов излучений, бережное к ним отношение.

Авторы надеются, что пособие, предлагаемое читателям и в первую очередь студентам технических ВУЗов внесет свой вклад в цело обладания методами и технологиями, применяемыми не только для защиты от воздействия излучений, но и проведения более эффективных мероприятий по ликвидации последствий самой страшной радиационной аварии – аварии на ЧАЭС.

В книге отведено определенное место для рассмотрения вопросов защиты от других видов излучений – излучений видеотерминалов, влияющих на здоровье, излучений ультрафиолета, что позволит комплексно рассмотреть проблему радиационной безопасности.

1. РАДИОАКТИВНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР

1.1. Характеристики атомных ядер и энергия их связи Как известно, наименьшей частицей вещества, обладающей всеми химическими свойствами данного химического элемента, является атом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер имеют порядок 10 10...10 15 м, в то время как линейные размеры атомов порядка 10 10 м.

Массу частиц в ядерной физике принято выражать либо в атомных единицах массы (а.е.м.), либо в единицах энергии покоя частицымегаэлектронвольтах (МэВ). Энергия покоя находится в соответствии с формулой взаимосвязи массы (m) и энергии (E) где с – скорость света в вакууме.

Формула (1.1) записана в системе единиц СИ, а эквивалентное, соотношение, записанное во внесистемных единицах, в котором масса выражается в а.е.м., а энергия – в МэВ, имеет вид В формуле (1.2) для удобства вычисления с и коэффициент перевода единиц измерения объединены в одно число 931,5, которое находится из следующих соображений. По определению 1 а.е.м.=1,66110-27 кг, а из дисциплины электричества известно, что 1 эВ=1,60210-19 Дж. Учитывая это, получаем Соотношение различных единиц массы можно представить равенством Ядра состоят из двух элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протон представляет собой ядро простейшего атома-водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона e = 1,610 19 Кл, и массу покоя mр = 1,672610 кг = 1836mе, где mе – масса покоя электрона. Масса покоя – это масса частицы (тела), измеренная в той системе координат, где частица неподвижна. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается буквой Z. Оно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Очевидно, что заряд ядра равен Ze, поэтому число Z называют также зарядовым числом ядра. Нейтрон электрически нейтрален, а его масса покоя почти совпадает с массой покоя протона: mn = 1,679410 27 = =1839me. Протоны и нейтроны объединяют общим названием - нуклоны. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом Am:

где ne – количество нейтронов в ядре.

Чтобы охарактеризовать химический элемент, используют его символ Х и указывают атомный номер и массовое число ядра:

Например, плутоний-239 239 Pu означает ядро атома плутония, содержащее 94 протона и 145 нейтронов.

В ядрах атомов одного и того же химического элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов постоянное. Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называют изотопами.

Например, 11 C, 12 C,..., 16 C – изотопы углерода. Термин "изотопы" применяется только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента.

Если подразумеваются атомы разных химических элементов, то используется термин «изобары». Ядра, имеющие одно и то же массовое число Аm при разных Z, называются изобарами. Например, сера-36 и серебро-36 при Z = 16 и Z = 18 соответственно.

На сегодняшний день известно около 300 устойчивых и свыше 1000 неустойчивых (радиоактивных) изотопов. Это в то время, как в периодической таблице Д. И. Менделеева содержится 110 химических элементов.

Ядра не имеют резко выраженной границы. Поэтому радиус ядра имеет условный смысл. Эмпирическая формула для вычисления радиуса ядра:

где R = (1,3...1,7) 10 м, Формула (1.3) показывает, что размер чрезвычайно мал даже для ядра с большим числом нуклонов. Он примерно в 105 раз меньше размера атома. Зная, что объем шара V пропорционален кубу радиуса, с учетом формулы (1.3) имеем Следовательно, объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем. Плотность ядерного вещества ( ) постоянна для всех ядер, ее значение Плотностью вещества называют массу, приходящуюся на единицу объема.

Как известно, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому наличие в ядре нескольких положительно заряженных протонов свидетельствует о существовании специфических ядерных сил притяжения, которые преобладают над электрическим отталкиванием протонов. Эти силы обеспечивают стабильность ядер. Поэтому ядерными силами называются силы, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре. Ядерные силы не сводятся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных, электромагнитных). Они имеют ряд специфических свойств. Важнейшей особенностью ядерных сил является их короткодействие: ядерные силы велики, если расстояние между нуклонами порядка 10 15 м, и практически равны нулю, если расстояние между нуклонами превышает 10 13 м. Ядерные силы достигают величины, в 100-1000 раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов. Они отличаются зарядовой независимостью, т.е. притяжение между двумя нуклонами одинаково и не зависит от их зарядового состояния, протонного или нейтронного.

Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это свойство означает, что с увеличением числа нуклонов в ядре ядерные силы возрастают только для самых легких ядер (изотопов водорода и гелия). А после гелия, они примерно одинаковы для всех других ядер. Свойство насыщения вытекает из короткодействия ядерных сил. Благодаря этому каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщенностью ядерных сил объясняется пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов.

Таким образом, ядерные силы являются силами притяжения и проявляются между нуклонами на расстоянии, сравнимом с размерами самих нуклонов.

Измерения ядерных масс показали, что масса ядра М всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов:

Согласно формуле Эйнштейна, масса m и энергия E связаны соотношением где с – скорость света в вакууме.

Изменение массы системы на величину m соответствует изменению энергии системы на величину E :

Сопоставляя выражения (1.4) и (1.5), можно сделать вывод, что при образовании ядра должна выделяться некоторая энергия. Соответственно, такое же количество энергии необходимо затратить для разделения ядра на составные части. Энергия связи ядра – это энергия или работа, которую необходимо затратить для расщепления (объединения) ядра на соответствующие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Следует подчеркнуть, что энергия связи не содержится в самом ядре. Это энергия, которой не достает ядру по сравнению с суммарной энергией покоя составляющих его нуклонов. В соответствии с выражением (1.5) энергия связи ядра равна Удельной энергией связи ядра называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон, т.е.

Зависимость удельной энергии связи атомных ядер от массового числа Аm показана на рис. 1.1.

Из рис. 1.1 видно, что наиболее прочные ядра, т.е. ядра с наибольшей удельной энергией связи, расположены в средней части таблицы Менделеева (28 92, называемых трансурановыми. К трансурановым элементам относятся: нептуний ( 237 U ), плутоний ( 244 Pu ), америций ( 243 Am ), кюрий ( 248 Cm ), бериллий ( 248 Be ), калифорний ( 249 Ct ), эйнштейний ( 254 Es ), фермий ( 100 Fm ), менделевий ( 256 Md ) и нобелий ( 102 No ).

Элементы, расположенные в таблице Менделеева за ураном, имеющим Z = = 92, в природе не встречаются. Они были получены искусственным путем.

Всем трансурановым элементам присуща радиоактивность с периодом полураспада, быстро уменьшающимся при возрастании Z. Основными видами радиоактивного превращения трансурановых элементов являются альфа-распад и бета-распад. Цепочку радиоактивных превращений принято называть радиоактивным рядом. Совокупность химических элементов, образующих радиоактивный ряд, называется радиоактивным семейством.

Первичный элемент семейства урана 238 U, распадаясь, испускает альфачастицу и превращается в торий 234 Th. Торий тоже радиоактивен и, испуская бета-частицу, превращается в протактиний 234 Pa. Протактиний тоже радиоактивен, т.е. цепочка радиоактивных превращений продолжается. Процесс радиоактивного распада ядра урана-238 показан на схеме 1.1, на которой указаны виды распада ядер и периоды их полураспада T1 2.

Вся цепочка состоит из 14 радиоактивных превращений и заканчивается радиоактивный ряд урана устойчивым изотопом свинца 206 Pb. Из 14 радиоактивных превращений 7 являются альфа-превращениями и 7 бетапревращениями.

Все природные радиоактивные элементы, расположенные в последних рядах таблицы Менделеева, являются членами трех радиоактивных семейств.

Другим радиоактивным семейством (после семейства урана ) является семейство тория 232 Th, третьим – семейство актиния 227 Ac. Радиоактивное семейство искусственных радиоактивных изотопов начинается трансурановым элементомнептунием. Схема радиоактивного распада ядра урана-238 приведена ниже.

1.3. Альфа-распады, бета-распады и гамма-излучения радиоактивных Альфа-распадом называется самопроизвольное испускание радиоактивным ядром альфа-частиц, представляющих ядра атома гелия. Распад протекает по схеме В выражении (1.13) буквой Х обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Как видно из схемы (1.13), атомный номер дочернего ядра на две, а массового числа – на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра.

Заряд альфа-частицы положительный. Альфа-частицы характеризуют двумя основными параметрами: длиной пробега (в воздухе до 9 см, в биологической ткани до 10-3 см) и кинетической энергией в пределах 2…9 МэВ.

Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер с Аm>200 и зарядовым числом Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных частиц из двух протонов и двух нейтронов. Обособлению этой группы нуклонов способствует насыщение ядерных сил, так что сформировавшаяся альфачастица подвержена меньшему действию ядерных сил притяжения, чем отдельные нуклоны. Одновременно альфа-частица испытывает большее действие кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Этим объясняется вылет из ядра альфа-частиц, а не отдельных нуклонов.

В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп альфа-частиц близкой, но различной энергии, т.е. группы имеют спектр энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникнуть не только в основном, но и в возбужденных состояниях с различными энергетическими уровнями.

Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пределах от 10 до 10 15 с. За это время дочернее ядро переходит в основное или более низкое возбужденное состояние, испуская гамма-квант соответствующей энергии, равной разности энергии предыдущего и последующего состояний.

Возбужденное ядро может испустить также какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или альфа-частицу. Оно может и отдать избыток энергии одному из окружающих ядро электронов внутреннего слоя. Передача энергии от ядра к самому близкому электрону К-слоя происходит без испускания гаммакванта. Получивший энергию электрон вылетает из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Образовавшееся вакантное место заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней. Электронные переходы во внутренних слоях атома приводят к испусканию рентгеновских лучей, имеющих дискретный энергетический спектр (характеристических рентгеновских лучей). Всего известно около 25 естественных и около 100 искусственных альфа-радиоактивных изотопов.

Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный ( ) и позитронный ( + ) распады, а также электронный захват или К-захват. Первые два вида превращений состоят в том, что ядро испускает электрон и антинейтрино (при – распаде) или позитрон и нейтрино (при + – распаде). Электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) не существуют в атомных ядрах.

Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой – нейтрона в протон или протона в нейтрон. Результатом указанных превращений являются -распады, схемы которых имеют вид:

где 1 e 0 и +1 e – обозначение электрона и позитрона, 0 и 0 – обозначение нейтрино и антинейтрино.

При отрицательном бета-распаде зарядовое число радионуклида увеличивается на единицу, а при положительном бета-распаде – уменьшается на единицу.

Электронный распад ( – распад) могут испытывать как естественные, так и искусственные радионуклиды. Именно этот вид распада характерен для подавляющего числа экологически наиболее опасных радионуклидов, попавших в окружающую среду в результате Чернобыльской аварии. В их числе 55 Cs, 55 Cs, 38 Sr, 53 I и др.

Позитронный распад ( + – распад) свойственен преимущественно искусственным радионуклидам.

Поскольку при -распаде из ядра вылетают две частицы, а распределение между ними общей энергии происходит статистически, то спектр энергии электронов (позитронов) является непрерывным от нуля до максимальной величины Emax называемой верхней границей бета-спектра. Для бета-радиоактивных ядер величина Emax заключена в области энергии от 15 кэВ до 15 МэВ. Длина пробега бета-частицы в воздухе до 20 м, а в биологической ткани до 1,5 см.

Бета-распад обычно сопровождается испусканием гамма-лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае альфа-распада: дочернее ядро возникает не только в основном (стабильном), но и в возбужденном состоянии. Переходя затем в состояние меньшей энергии, ядро испускает гамма-фотон.

При электронном захвате происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон:

При таком превращении исчезает один из ближайших к ядру электронов (электрон К-слоя атома). Протон, превращаясь в нейтрон, как бы «захватывает»

электрон. Отсюда произошел термин «электронный захват». Особенностью этого вида -распада является вылет из ядра одной частицы – нейтрино. Схема электронного захвата имеет вид Электронный захват в отличие от -распадов всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Последнее возникает при переходе более удаленного от ядра электрона на появляющееся вакантное место в К-слое. Длина волн рентгеновских лучей в диапазоне от 10 до 10 м.

Таким образом, при бета-распаде сохраняется массовое число ядра, а его заряд изменяется на единицу. Периоды полураспада бета-радиоактивных ядер лежат в широком интервале времен от 10 с до 210 лет.

К настоящему времени известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.

Из них только около 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем. Подавляющее большинство этих изотопов испытывают -распад, т.е. с испусканием электронов.

Все виды радиоактивного распада сопровождаются гамма-излучением.

Гамма-лучи – коротковолновое электромагнитное излучение, которое не относится к самостоятельному виду радиоактивности. Экспериментально установлено, что гамма-лучи испускаются дочерним ядром при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденное.

Энергия гамма-лучей равна разности энергий начального и конечного энергетических уровней ядра. Длина волны гамма-лучей не превышает 0,2 нанометра.

Процесс гамма-излучения не является самостоятельным типом радиоактивности, так как он происходит без изменения Z и Am ядра.

Контрольные вопросы:

1. Что понимают под массовым и зарядовым числами в периодической системе Менделеева?

2. Понятие «изотопы» и «изобары». В чем различие этих терминов?

3. Ядерные силы ядра и важнейшие их особенности.

4. Почему масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклидов?

5. Какие вещества называются радиоактивными?

6. Что характеризует и показывает постоянная радиоактивного распада?

7. Дайте определение периода полураспада вещества.

8. Перечислите единицы измерения объемной, поверхностной и удельной активности.

9. Основные виды излучений радиоактивных ядер и их параметры.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ВЕЩЕСТВОМ

Все виды ядерного излучения могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом. Процессы, которые возникают при прохождении ядерного излучения через вещество, имеют важное практическое значение.

Знание таких процессов необходимо, во-первых, для понимания принципа работы дозиметрической и радиометрической аппаратуры, а во-вторых, для способов защиты населения от ионизирующих излучений.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами. Причем это взаимодействие можно разделить на два вида:

а) взаимодействие частиц с атомными электронами, в результате которого энергия частицы передается одному из электронов атома, что приводит к возбуждению или ионизации атома. Этот вид взаимодействия является неупругим столкновением (рассеянием). В неупругом столкновении имеет место выделение или поглощение энергии;

б) взаимодействие частиц с ядрами атомов приводит к изменению направления движения заряженных частиц, при этом траектория движения их искривляется. Такое взаимодействие не приводит к изменению внутренней энергии атома, и этот случай взаимодействия является упругим столкновением (рассеянием). При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращения, а изменяют состояние своего движения.

Все процессы рассеяния и распадов подчиняются законам сохранения энергии, электрического заряда, импульса и др.

2.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом Альфа-частицы, проходя через слой вещества, взаимодействуют с атомными ядрами и электронами.

Упругое рассеяние альфа-частиц на ядрах атомов вещества маловероятно, так как, во-первых, масса ядра значительно больше массы частицы, во-вторых, ядро и альфа-частицы имеют одинаковый (положительный) электрический заряд. В процессе упругого столкновения альфа-частицы с ядром она отклоняется на малый угол. Таким образом, путь альфа-частицы в веществе (среде) практически прямолинеен.

При неупругом рассеянии энергия альфа-частицы передается атомным электронам. Получив эту энергию, атомы вещества возбуждаются или ионизируются. И в том, и в другом случае потери энергии частицы называются ионизационными. Если концентрация электронов в веществе равна ne, то потери энергии частицы (ионизационные потери) в результате ее взаимодействия со всеми встречающимися на ее пути электронами будут определяться величиной -(dE/dx)ИОН – уменьшением энергии частицы на единице пути. Ионизационные потери характеризуются величиной средней потери энергии на единице пути.

Эти потери пропорциональны энергии частицы Е, концентрации электронов в веществе nе и обратно пропорциональны скорости движения частицы V, т.е.

Потери энергии сильно зависят от скорости частицы - они тем больше, чем меньше скорость частицы. При очень малых скоростях частицы формула (2.1) дает завышения значения для потерь энергии частицы и кривая потерь уходит в бесконечность. Однако при малых скоростях имеет место захват электронов движущейся частицей. Это приводит к меньшим потерям энергии по сравнению с тем, что дает формула (2.1). При этом кривая потерь не уходит в бесконечность, а достигает максимума, после чего начинает постепенно снижаться.

Таким образом, при каждом акте ионизации альфа-частица выбивает из атома один или несколько электронов. Наиболее быстрые из этих электронов способны создавать вторичную ионизацию, в результате которой вторичные электроны можно зарегистрировать с помощью приборов.

2.2. Взаимодействие бета-частиц с веществом По сравнению с альфа-частицами прохождение бета-частиц через вещество имеет свои особенности. Основная особенность обусловлена малой массой электрона и позитрона по сравнению с массой альфа-частицы. При взаимодействии бета-частицы с веществом имеют место как ионизационные, так и радиационные потери. Механизм ионизационных потерь для бета-частиц такой же, как и для альфа-частиц. Поэтому потери энергии на ионизацию и в этом случае рассчитываются по той же формуле (2.1). Однако ионизационные потери для бета-частиц во много раз меньше, чем для альфа-частиц, так как масса альфачастицы значительно больше массы электрона. Именно поэтому у альфа-частиц и бета-частиц различная проникающая способность. При одинаковых энергиях скорость тяжелой частицы (альфа-частицы) меньше скорости легкой частицы (бета-частицы). Альфа-частицы теряют свою первоначальную энергию на меньшем расстоянии при движении в веществе, чем пролетающие в веществе электроны (бета-частицы). В воздухе альфа-частица проходит несколько сантиметров, а бета-частица - десятки метров.

При движении через вещество бета-частиц в результате взаимодействия одной из них с электроном вещества происходит изменение направления движения бета-частицы. Поэтому траектория движения бета-частицы в веществе представляет собой ломаную линию. При взаимодействии бета-частиц с ядром имеет место перераспределение кинетической энергии между ядром и частицей. Поэтому такое взаимодействие является упругим столкновением. Потери энергии частицы при взаимодействии с ядрами вещества невелики, так как масса частицы меньше массы ядра и число ядер в веществе во много раз меньше числа электронов.

Кроме того, за счет заряда протонов ядра вокруг него создается кулоновское поле. Кулоновские силы пропорциональны заряду ядра. Под действием кулоновских сил заряженная бета-частица, имея малую массу, получает ускорение. Согласно классической электродинамике любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны, интенсивность которых пропорциональна квадрату ускорения частицы. Это излучение называется тормозным, а длина его волны соответствует длине волны рентгеновского излучения.

Потери на тормозное излучение существенны для легких частицэлектронов.

Эти причины приводят к тому, что потери энергии частицы на взаимодействия с ядрами, т.е. радиационные потери -(dE/dx)рад, значительно меньше потерь энергии частицы на ионизацию и оцениваются выражением где Е – энергия бета-частицы;

m – масса бета-частицы.

Потери на тормозное излучение пропорциональны заряду ядра. Поэтому для тяжелых элементов они более существенны, чем для легких. Отсюда следует, что вклад тормозного излучения в полную потерю энергии бета-частицы возрастает с увеличением ее кинетической энергии в тяжелых веществах.

2.3. Взаимодействие гамма-излучения с веществом Гамма- и рентгеновское излучения представляют собой электромагнитные волны. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных частиц с атомами вещества, а гамма-излучение испускается при переходе атомных ядер из возбужденных состояний в состояние с меньшей энергией. Длина волны гамма-излучения обычно менее 0,2 нанометров. Для этих видов излучения не существует понятий пробега, потерь энергии на единицу пути.

Гамма-лучи, проходя через вещество, взаимодействуют как с электронами, так и с ядрами атомов среды (вещества). В результате взаимодействия интенсивность лучей уменьшается. Для однородного вещества ослабление лучей происходит по экспоненциальному закону где I – интенсивность лучей (пучка) после прохождения слоя вещества толщиной х;

I0 – начальная интенсивность лучей;

– линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления энергии излучения – это относительное изменение интенсивности направленного излучения на единицу толщины вещества (среды). Если рассматривается не толщина среды (вещества), а ее масса, то пользуются термином массового коэффициента ослабления излучения m, который оценивается выражением где – плотность поглотителя.

Поглощение гамма-квантов веществом обусловлено в основном тремя процессами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и рождением в кулоновском поле ядра электрон-позитронных пар.

Фотоэффект имеет место в том случае, когда энергия гамма-кванта E кв.

примерно равна энергии связи электронов с ядром вещества (энергия связи атома Есв. ат. ), т.е. E кв. Е св. ат..

В этом случае гамма-квант взаимодействует с атомным электроном вещества, т.е. энергия гамма-кванта поглощается электроном. Электрон атома, получив энергию кванта, выбивается из атома и атом переходит в состояние иона.

Процесс поглощения гамма-кванта атомным электроном, при котором электрон покидает пределы атома, называют фотоэффектом. Наименьшую энергию связи имеют электроны К-оболочки атома. Поэтому К-оболочка дает максимальный фотоэффект.

При меньшей энергии гамма-кванта атомные электроны смещаются на другие орбиты и атом переходит в возбужденной состояние.

Однако ион или возбужденный атом будет стремиться занять нейтральное (исходное) состояние. При переходе в нейтральное состояние ион или возбужденный атом будет излучать электромагнитную энергию на длине волны рентгеновских лучей.

Энергия связи электрона в атоме увеличивается с ростом атомного номера Z, поэтому фотоэффект идет интенсивней в более тяжелых веществах.

С увеличением энергии гамма-кванта, когда она становится значительно больше энергии связи электрона в атоме, основным механизмом поглощения энергии излучения веществом является эффект Комптона или комптоновское рассеяние. Этот процесс состоит в том, что гамма-квант отдает часть своей энергии свободному электрону. Весь процесс можно представить как абсолютно упругий удар гамма-кванта и свободного электрона, который до удара можно считать покоящимся. В результате упругого удара гамма-квант изменяет направление своего движения – рассеивается. Уменьшение энергии гамма-кванта зависит при этом только от угла рассеяния. Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу свободных электронов в веществе.

При энергии гамма-кванта 1,02 и более МэВ наряду с фотоэффектом и комптоновским рассеянием происходит уничтожение гамма-квантов за счет образования электронно-позитронных пар ( e + + e ). Это возможно, если энергия гамма-кванта больше суммы энергий покоя электрона и позитрона, каждая из которых равна 0,511 МэВ. Но свободный гамма-квант, обладая достаточной энергией, не может превратиться в пару электрон-позитрон, так как это противоречило бы законам сохранения энергии и импульса. Превращение гаммакванта в пару электрон-позитрон при условии достаточной энергии гаммакванта может произойти только в присутствии третьего тела (частицы), которыми могут быть в веществе электрон или ядро.

Чаще образование пар происходит в присутствии ядра атома. Схема образования пары электрон-позитрон в кулоновском поле ядра Am X имеет вид При энергии гамма-квантов E кв., в несколько раз превышающей 1, МэВ, образование пар электрон-позитрон и комптоновское рассеяние являются преобладающими процессами, приводящими к ослаблению гамма-излучения веществом. При более высоких значениях E кв. образование электроннопозитронных пар являются основной причиной поглощения гамма-излучения, особенно для тяжелых металлов. Так в свинце поглощения гамма-квантов за счет образования пар ( e + + e ) уже при энергии E кв. =5 МэВ становится преобладающим.

Вклад фотоэффекта ф, комптоновского рассеяния электрон-позитронных пар пар в суммарное поглощение гамма-излучения свинцом показан на рис. 2.1.

Рис.2.1. Зависимость суммарного поглощения гамма-излучения от энергии В процессе образования пар энергия гамма-кванта распределяется между электроном и позитроном. Образовавшиеся электрон и позитрон теряют эту энергию на ионизацию атомов вещества. В случае столкновения электрона и позитрона образуются два новых гамма-кванта.

Проходя через вещество, нейтроны практически не взаимодействуют с атомными электронами, так как нейтроны не имеют электрического заряда. В основном нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами вещества. Так как ядра занимают малую часть объема атома, то проникающая способность нейтронов намного больше, чем заряженных частиц. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядром подразделяют на два класса:

а) упругое рассеяние под действием ядерных сил без попадания в ядро (упругое столкновение);

б) различные ядерные реакции, вызванные попаданием нейтрона в ядро.

Вид взаимодействия или реакции существенно зависит от кинетической энергии нейтрона. По величине энергии нейтроны делятся на три основных вида: тепловые с энергией в пределах 10 3......0,5 эВ, резонансные – 0,5.....10 4 эВ и быстрые – 10 4.....108 эВ.

Упругое рассеяние можно рассматривать как упругое столкновение двух шаров: нейтрона и ядра. При этом электрон передает часть кинетической энергии ядру. Расчеты показывают, что средняя энергия нейтронов после одного столкновения с ядром уменьшается вдвое.

При прохождении нейтрона через вещество, под действием его происходят различные ядерные реакции. Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, происходящие в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции осуществляются в основном при бомбардировке ядер быстрыми частицами. В результате столкновения появляются новые частицы, перераспределяется энергия между частицей и ядром (или между сталкивающимися ядрами).

Перестройка ядер в процессе реакции сопровождается изменением их внутренней энергии и, следовательно, энергии покоя ядер. Разность энергий покоя Е2 и после реакции Е1 называют энергией реакции Q, т.е.

При Q>0 в результате реакции выделяется кинетическая энергия за счет уменьшения энергии покоя ядра. Такая реакция может идти при любой кинетической энергии частицы, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания.

При Q 1 эквивалентная доза 1 Зв достигается при поглощенной дозе, меньшей 1 Гр. Так, например, при действии на биологическую ткань альфа-излучения эквивалентная доза 1 Зв реализуется при поглощенной дозе всего лишь 0,05 Гр. На практике используется внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада).

1 Зв = 100 бэр.

Эффективная эквивалентная доза (Не) вводится для того, чтобы оценить опасность для всего организма облучения отдельных органов и тканей, которые имеют неодинаковую восприимчивость к ионизирующим излучениям. Эффективная эквивалентная доза облучения определяется соотношением:

где H i – среднее значение эквивалентной дозы облучения i-го органа человека;

Wi – взвешивающий коэффициент, равный отношению риска облучения данного органа (ткани) к суммарному риску при облучении всего организма.

Взвешивающие коэффициенты или коэффициенты радиационного риска, позволяют выровнять риск облучения вне зависимости от того, облучается весь организм равномерно или неравномерно. Значения Wi приведены в табл. 4.2.

Сумма взвешивающих коэффициентов для всего организма W равна:

Расчет эффективной эквивалентной дозы облучения особенно важен при лучевой терапии отдельных органов. Например, если щитовидная железа накопила дозу 1 Зв, то это эквивалентно тому, что весь организм получил дозу 0, Зв, так как взвешивающий коэффициент для щитовидной железы W равен 0,03, т.е.

При возможном облучении группы людей также необходимо определять меру ожидаемого эффекта облучения. Для этой цели используется понятие коллективной эквивалентной дозы ( H s ) – это сумма индивидуальных эквивалентных доз H i у данной группы людей:

где N i – число лиц среди данного контингента, получивших эквивалентную дозу H i.

Единица измерения коллективной эквивалентной дозы в системе СИ – челЗв, внесистемная единица – челбэр.

Для того, чтобы оценить поглощенную дозу в биологической ткани следует знать, что в условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,96 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 4% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в биологической ткани в радах можно считать совпадающими.

Однако запись 1 Р 1 рад не совсем корректно, так как экспозиционная и поглощенная дозы – разные физические величины. Таким образом, соотношение между внесистемными единицами экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз имеет вид:

Важной характеристикой ионизирующих излучений является мощность дозы P, которая показывает, какую дозу облучения получает среда (вещество) за единицу времени, т.е. скорость изменения дозы, которая оценивается формулой Для поглощенной дозы единицей измерения мощности дозы облучения являются Гр/с и рад/с, для эквивалентной дозы – Зв/с и бэр/с, экспозиционной дозы – Кл/кгс (кулон на килограммс). Внесистемными единицами экспозиционной мощности дозы служат Р/с, Р/мин и Р/ч.

Для органического восприятия относительно большого числа единиц измерения доз облучения целесообразно показать их взаимосвязь (табл. 4.3).

Наименование доз Эквивалентная (Н) вивалентная ( H e ) Коллективная эк- Человеко- Человеко-бэр вивалентная ( H s ) зиверт (чел. Зв) (чел. бэр) Следует отметить, что с помощью приборов можно измерить экспозиционную дозу, а также, при определенных условиях, поглощенную дозу. Все остальные дозы приборами не измеряются, а могут быть оценены только расчетным путем.

Контрольные вопросы:

1. Что характеризует экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы облучения?

2. Понятие об экспозиционной дозе облучения и единицы ее измерения.

3. Понятие о поглощенной дозе облучения и единицы ее измерения.

4. Понятие об эквивалентной дозе облучения и единицы ее измерения.

5. Понятие об эффективной эквивалентной дозе облучения и единицы ее измерения.

6. Понятие о мощностях доз облучения и единицы их измерения.

7. Понятие о коллективной дозе облучения и единицы ее измерения.

5. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.

Естественное фоновое облучение человека обусловливается внешним и внутренним облучением. Внешнее облучение создается за счет воздействия на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к человеку источников излучения, а внутреннее - за счет воздействия на организм ионизирующих излучений радиоактивных нуклидов, находящихся внутри организма.

Космические излучения и изотопы земной коры создают естественный радиационный фон, который характерен для каждой местности. Различают первичное и вторичное космическое излучение.

Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства, солнечной системы. Оно состоит из протонов (примерно 90%) и альфа-частиц (около 10% ). В меньших количествах присутствуют нейтроны, электроны, ядра легких элементов. Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики. Энергия частиц первичного излучения достигает 1012– МэВ. Кроме того, при солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение, которое приводит к увеличению дозы облучения на поверхности Земли.

Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Оно содержит практически все известные в настоящее время элементарные частицы. У поверхности Земли оно состоит в основном из фотонов, электронов и позитронов с энергией до 100 МэВ.

Мощность космических лучей, достигающих земной поверхности, зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Изменение мощности космических лучей в зависимости от географической широты обусловлено тем, что Земля похожа на гигантский магнит. Поэтому космические лучи, будучи заряженными частицами, отклоняются от экватора и собираются вместе в виде своеобразных воронок в области полюсов Земли. Области вблизи экватора, находящиеся на уровне моря, получают наименьшую дозу космического излучения, примерно равную 0,35 мЗв/год. На широте 50о доза космического излучения составляет 0,5 мЗв/год. Это обусловлено тем, что толстый слой атмосферы, содержащий воздух и пары воды, разрушая, замедляя и останавливая движение многих быстрых заряженных частиц, двигающихся из космоса.

С ростом высоты над уровнем моря мощность эквивалентной дозы космического излучения увеличивается. Напримар, на высоте 4500 м доза облучения из космоса составляет 3 мЗв/год, а на вершине пика Эвереста (8848 м над уровнем моря), соответствующий показатель равен 8 мЗв/год.

В земной коре имеются радиоизотопы, не успевшие распасться за время существования Земли. Они имеют период полураспада в миллиарды лет. Важнейшими из них являются калий-40, уран-238, торий-232. Тяжелые ядра этих изотопов до полного распада успевают образовать несколько промежуточных радиоактивных изотопов.

Как правило, природные радионуклиды сконцентрированы в гранитных породах гор. Радиоактивность известняковых и песчаных пород ниже. Средний уровень мощности дозы излучения на высоте 1 м над поверхностью известняка равен примерно 0,2 мЗв/год. На нашей планете существует ряд регионов, где существенно увеличен уровень радиации, исходящий из почв и гор – это Бразилия, Египет, Индия, Франция, остров Ниуэ и др. Так в ряде мест Бразилии, главным образом в прибрежных полосах земли, мощность дозы излучения из почвы и скальных пород составляет 5 мЗв/год. Примерно 1/6 часть населения Франции (7 млн. человек) живет в районах, где скальные породы представлены в основном гранитом, из-за чего радиационный фон повышен и мощность дозы составляет до 3,5 мЗв/год.

В индийских штатах Керала и Мадрас, проживает около 100 тысяч человек, которые получают дозу, в среднем равную 13 мЗв/год. Удельная радиоактивность почвы выше при условии, что в ней содержится больше глинистых частиц и чернозема. Лесные и дерново-подзолистые почвы имеют меньшую радиоактивность. В Беларуси естественное облучение составляет около 2,4 мЗв/год.

В конце семидесятых годов прошлого столетия установлено, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является тяжелый газ радон-222 и его изотоп радон-220 (торон). Для удобства под радоном понимают оба указанных изотопа.

Радон-222 – это продукт радиоактивного превращения урана-238, а радонтория-232. Инертный тяжелый газ радон без цвета и запаха, в 7,5 раза тяжелее воздуха, растворяется в воде, точка кипения –65 0С. «Дочерние» продукты распада радона также радиоактивные изотопы: полония, свинца и висмута.

Сейчас известно, что радиационная доза в легких от дочерних продуктов во много раз больше, чем от самого радона.

Атомы любого газа, в том числе и радона, стремятся при малейшей возможности покинуть ту полость, которая их заключает в себя. Попадая в атмосферу, радон переносится воздушными массами, продолжая распадаться. Радон вносит вклад во внешнее и внутреннее облучение, так как может попадать в организм с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. Следует помнить, что концентрация радона в жилых помещениях выше, чем снаружи. Это обусловлено содержанием радона в строительных материалах, поступлением в дома вместе с почвенным воздухом. В окружающую среду он затягивается из грунта вследствие разности давлений внутри и вне здания. Если дом стоит на богатом радиоактивными элементами грунте, то ситуация особенно неблагоприятна. Так как для строительства зданий используются природные материалы, то и в домах человек не избавлен от влияния ионизирующих излучений. Меньше всего радиоактивность в деревянных домах (до 0,5 мЗв/год), в кирпичных (до 1,5 мЗв/год), в железобетонных может достигать до 1,7 мЗв/год.

Особенно сильное воздействие радон оказывает на людей, находящихся в подвальных помещениях, и на первых этажей жилых зданий. Поэтому для того, чтобы уменьшить риск радонового облучения, необходимо проводить защитные мероприятия: использовать для полов специальные покрытия, тщательно проветривать помещения и др. К примеру, активная вентиляция помещения в течение 2-3 часов снижает концентрацию радона в 3-4 раза.

Часть радона в здании накапливается также из природного газа и воды. На кухню радон поступает с природным газом. В ванной концентрация радона может в три раза превысить таковую на кухне. Это объясняется значительным содержанием радона в воде, которое колеблется от долей единиц до 100 млн.

Бк/м3. Много радона может содержать вода из глубоких подземных скважин или артезианских колодцев. В подземных водах его концентрация может составлять от 5 Бк/л до 1 МБк/л, т.е. изменяться в миллион раз. В водах озер и рек концентрация радона редко превышает 0,5 Бк/л, а в водах морей и океанов – не более 0,05 Бк/л.

При кипячении воды большая часть радона улетучивается. Поступающий с некипяченой водой радон быстро выводится из организма. Сырая вода с радоном, попавшая в желудочно-кишечный тракт, не столь вредна и опасна, как радон, попадающий в легкие. Поэтому распыляя воду в ванной с помощью душа, мы переводим радон из воды в воздух, а затем в легкие.

В связи с изложенным проблема радона приобрела существенное значение.

До 1990 г. ни в одной стране не устанавливались нормативы содержания радона и продуктов его распада в жилых помещениях. В настоящее время в ряде стран приняты допустимые концентрации радона внутри помещений. Соответствующие нормативы предусмотрены для существующих и проектируемых зданий, которые приведены в табл. 5.1.

Нормативы концентрации радона в воздухе жилых помещений (Бк/м3) Международная комиссия радиологической защиты За счет радона и дочерних продуктов его распада средний житель планеты получает в среднем за год около 100 мбэр = 1 мЗв облучения.

В среднем порядка 60-70% эффективной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает в организм с пищей, водой и воздухом. В частности, человек получает около 180 мкЗв в год за счет радиоактивного калия-40, который играет существенную роль в процессе его жизнедеятельности. Причем, калий-40 содержится почти во всех пищевых продуктах (табл. 5.2).

Содержание радиоактивного калия-40 в пищевых продуктах Кроме калия-40 в организме взрослого человека массой 70 кг содержится в среднем: урана-238 – 7 10 г ; урана-235 – 5 10 г ; тория-232 – 7 101 г ; радия-226 – 2,5 10 г. В незначительных количествах содержится также радиоактивные изотопы углерода-14, полония-210, свинца-210 и другие. Они непрерывно поступают в организм и частично выводятся из него, поэтому изменение содержания долгоживущих естественных радионуклидов в продуктах питания, воде и воздухе нарушает уровень установившегося равновесия радионуклидов в организме человека.

Из всевозможных способов внутреннего облучения наиболее опасно вдыхание загрязненного воздуха, потому что взрослый человек, занятый работой средней тяжести, потребляет воздуха 20 м3 (воды же всего 2 литра); радиоактивное вещество, поступающее таким путем в организм человека, быстро усваивается.

Примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, обусловлены внутренним облучением. При этом одни и те же концентрации радионуклидов при внутреннем облучении более опаснее, нежели внешнего облучения. Это обусловлено тем, что при внутреннем облучении резко увеличивается время облучения тканей организма, которое определяется сроком пребывания источника радиации в организме.

Научный комитет ООН по действию атомной радиации рекомендует считать суммарную эффективную дозу от естественных источников радиации равной 2 мЗв/год, в том числе от внутреннего облучения 1,65 мЗв/год, от внешнего – 0,35 мЗв/год.

Рассмотренные выше уровни фонового облучения человека относятся к извечному распределению естественных источников радиации, сложившемуся на нашей планете. В процессе использования различных технологий человек может локально изменять распределение этих источников.

Добыча и переработка ископаемых перераспределяют природные радиоактивные элементы. Сжигание каменного угля приводит к выбросу в атмосферу аэрозолей, содержащих большое количество радиоактивных элементов. Зола угля идет на производство бетона, в результате чего бетонные здания имеют повышенный радиационный фон. Для производства кирпича также используются некоторые природные материалы, которые дают вклад в радиационный фон (до 1 мЗв/год ).

Другим источником антропогенного повышения радиационного фона является использование фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, что приводит к проникновению радионуклидов из почвы в пищевые культуры. Применение удобрений в жидком виде ведет к загрязнению радиоактивными веществами пищевые продукты. Сами предприятия, производящие фосфатные удобрения, способствуют повышению концентрации урана, радия, радона, тория в приземном воздухе в 2-14 раз по сравнению с их естественными концентрациями. Дополнительное загрязнение окружающей среды этими радионуклидами обусловлено сбросами жидких отходов фосфатных производств, а также использованием их побочных продуктов в строительной промышленности.

За последние несколько десятилетий человек научился использовать энергию атомного ядра разных целях. Она используется для создания атомного оружия, производства электроэнергии, в медицине и др. Испытания ядерного оружия и аварии на радиационно опасных объектах привели к дополнительному радиоактивному загрязнению всей планеты. Заброшенные на большую высоту радиоактивные вещества независимо от того, в какой географической точке произошел взрыв, концентрируются, в основном, между тридцатым и пятидесятым градусом широты в северном и южном полушариях. При этом в северном полушарии концентрация в 3-4 раза больше, чем в южном. Радиоактивные вещества постепенно выпадают на земную поверхность большей частью с ливневыми дождями.

Существенную добавку в получаемую человеком дозу вносят медицинские процедуры: лучевая терапия, рентгеновские обследования, изотопная диагностика. Доза местного одноразового облучения при рентгенографии зубов составляет 30 мЗв, при рентгеноскопии желудка - 300 мЗв, при флюорографии мЗв. Радиоактивные изотопы широко используются в технике для неразрушающего контроля качества изделий.

Незначительные дозы прибавляются к естественному радиационному фону при просмотре телевизора, работе с дисплеем ЭВМ, при перелетах самолетом и т.д. Ежедневный в течение года трехчасовой просмотр телевизионных программ увеличивает дозу облучения на 0,005 мЗв/год. Перелет самолетом на расстояние 2400 км добавит к дозе облучения 0,01 мЗв.

Дозы облучения человека от источников, дающих наибольший вклад в индивидуальную дозу, приведены в табл. 5.3.

Источники облучения Индивидуальная доза, МЗв/год Авария на Чернобыльской АЭС В среднем по Беларуси 2, Из табл. 5.3 видно, что из искусственных источников облучения основную «добавку» к естественному радиационному фону дают медицинские процедуры. Авария на Чернобыльской АЭС в среднем по Беларуси дала в первый год индивидуальную дозу, приблизительно равную естественному радиационному фону.

Контрольные вопросы:

1. Источники фонового облучения организма человека.

2. Виды космических излучений, их состав и характеристика.

3. Факторы, влияющие на мощность космических излучений, достигающих земной поверхности.

4. Изотопы земного происхождения и их характеристика.

5. Источники радона и их характеристика.

6. Вклад радона во внутреннее и внешнее облучение организма человека.

7. Характеристика искусственных источников радиации.

8. Значения индивидуальных доз облучения человека искусственными источниками радиации.

6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ

ИЗЛУЧЕНИЙ

6.1. Механизмы повреждения клеток и тканей при воздействии В 1898 году Анри Беккерель в течение шести часов носил в карманном жилете пробирку с радием, которую подарила ему Мария Склодовская-Кюри и через некоторое время на его теле там, где хранилась пробирка с радием образовался ожог. Так впервые было обнаружено особое свойство радия воздействовать на живую ткань. Это положило начало новой отрасли науки – радиационной биологии.

Поступая в тело живого организма, энергия излучения изменяет протекающие в нем биологические и физиологические процессы, нарушает обмен веществ. Воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты подразделяют на пять видов:

1. Физико-химические (вызывающие перераспределение энергии за счет ионизации). Продолжительность – 2. Химические повреждения клеток и тканей (образование свободных радикалов, возбужденных молекул и т.д.). Продолжительность – от 10 с до нескольких часов.

3. Биомолекулярные повреждения (повреждение белков, нуклеиновых кислот и т.д.). Продолжительность – от микросекунд до нескольких часов.

4. Ранние биологические эффекты (гибель клеток, органов, всего организма). Длится стадия от нескольких часов до нескольких недель.

5. Отдаленные биологические эффекты (возникновение опухолей, генетические нарушения, сокращение продолжительности жизни и т.д.). Длится годами, десятилетиями и даже столетия.

Выделяют два пути поражения клеток ионизирующим излучением: прямой и косвенный (непрямой). Прямой путь поражения клетки характеризуется поглощением энергии излучения молекулами (мишенями) клеток, и в первую очередь молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), входящими в структуру ядерных хромосом. При прямом воздействии ионизирующих излучений происходят возбуждение молекул, их ионизация, разрыв химических связей. Разрушаются ферменты и гормоны и соответственно в организме осуществляются физико-химические сдвиги. Происходит аберрация хромосом.

Последние надрываются, разрываются на осколки или структурно перестраиваются. Тесная зависимость между степенью разрушения (аберраций) хромосом и летальным эффектом облучения свидетельствует о решающей роли поражения ядерного материала в исходе лучевого поражения клеток.

Для более полного уяснения данного пути поражения следует рассмотреть строение клетки. Она состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных органелл (рис. 6.1). Ядро отделено от цитоплазмы мембраной. Оно содержит ядрышко и хроматин. Последний представляет собой определенный набор нитевидных частиц – хромосом. Вещество хромосом состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации и специальных белков.

Индивидуальная особенность каждого типа белка зависит от того, сколько аминокислот и какие именно составляют его цепь.

При воздействии больших доз излучения клетка выглядит под микроскопом почти так же, как и при воздействии высокой температуры нарушается: целостность ее оболочки и составных частей цитоплазмы, ядро уплотняется, разрывается, но может и разжижаться. Клетки погибают. При небольших дозах излучения наиболее опасным является повреждение ядерных ДНК, у которых закодирована структура белков. Повреждение ДНК дает толчок для повреждения генетического кода.

Косвенное воздействие ионизирующих излучений проявляется в химических реакциях, происходящих в результате разложения или диссоциации воды.

Поскольку организм человека состоит на 85-90 % из воды, этот путь поражения является важным в формировании последствий радиационных поражений.

Под воздействием ионизирующих излучений в воде идут процессы ее ионизации с образованием быстрых свободных электронов и положительно заряженных ионов воды. Образовавшийся электрон постепенно теряет свою энергию за счет соударения с другими молекулами, пока его не захватит другая молекула:

Ни (H 2 O )+, ни (H 2 O ) не являются стабильными и распадаются, образуя ион и свободный радикал:

Радикалы OH • и H • вступают в химические реакции с образованием перекиси водорода H 2O 2, гидропероксида HO• Радикалы гидропероксида, соединяясь, дают высшую перекись:

Пероксидные вещества обладают сильными окислительными и токсичными свойствами. Вступая в соединения с органическими веществами и, прежде всего, с молекулами, получившими высокую химическую активность в результате ионизации или возбуждения, они вызывают значительные химические изменения в клетках и тканях, что приводит к деполимеризации нуклеиновых кислот, нарушению проницаемости клеточных мембран, повышению проницаемости стенок кровеносных сосудов, сопровождающемуся кровотечениями и кровоизлияниями.

Свободные радикалы OH • и H •, также вступают в реакции с органическими молекулами. Если обозначить органическую молекулу RH, где R – вся молекула (за исключением одного атома водорода), то можно записать реакции таких молекул со свободными радикалами OH • и H •, приводящие к образованию новых радикалов, следующим образом:

Клетки при воздействии несмертельной для них дозы способны к репарации, т.е. восстановлению. Не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям, радиационного воздействия. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК происходит достаточно эффективно. В клетках млекопитающих скорость репарации такова, что при нормальной температуре половина радиационных одиночных разрывов восстанавливается примерно в течение 15 мин, так что, вероятно, одиночные разрывы нитей ДНК не являются причиной гибели клеток в отличие от двойных разрывов нитей и повреждений оснований.

Репарация ДНК – основа нормального функционирования клетки. Установлено, что уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов. Различают три вида репараций:

1. Безошибочные репарации, основанные на удалении поврежденного участка ДНК и замене его новым, что приводит к восстановлению нормальной функции ДНК;

2. Ошибочные репарации, приводящие к потере или изменению части генетического кода;

3. Неполные репарации, при которых непрерывность нитей ДНК не восстанавливается.

Два последних вида репараций приводят к возникновению мутаций т.е.

видоизменение в клетках. Появление мутации означает, что клетка содержит генетический материал, отличный от генетического материала, содержащегося в исходных (нормальных) клетках. Мутации могут усиливать, уменьшать или качественно изменять признак, определяемый геном. Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, обычно представляющая собой часть молекулы ДНК.

Последствия возникновения мутаций не так велики в соматических (неполовых) клетках организма в отличие от мутаций в половых клетках. Мутация в соматической клетке может привести к нарушению функции или даже гибели этой клетки или ее потомков. Но поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, влияние одной или нескольких мутаций на жизнедеятельность всего организма не будет значительным. Однако соматические мутации впоследствии могут явиться причиной раковых заболеваний или преждевременного старения организма.

Мутации, происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие на потомство: ведут к гибели потомства или вызывают появление потомства с серьезными аномалиями.

Если большие дозы облучения приводят к прекращению всех обменных процессов в клетке и даже к разрушению клетки, т.е. ее фактической гибели, то при облучении небольшими дозами часто происходит подавление способности клеток делиться, что называется репродуктивной гибелью. Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может еще долго жить и после облучения. В настоящее время считается, что большинство острых и отдаленных последствий облучений организма – результат репродуктивной гибели клеток, которая проявляется при «попытке» таких клеток разделиться.

В соответствии с убыванием степени радиочувствительности клетки организма можно расположить в такой последовательности:

1. Высокая чувствительность к радиоактивному излучению: лимфоциты (белые кровяные тельца), кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников и яичников, клетки эпителия тонкого кишечника;

2. Средняя чувствительность: клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, клетки сальных желез, клетки волосяных фолликулов, клетки потовых желез, клетки эпителия хрусталика, хрящевые летки, клетки сосудов;

3. Достаточно высокая устойчивость к излучениям: клетки печени, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соединительной ткани, костные клетки.

Клетки имеют разное строение и выполняют различные функции (например, нервные, мышечные, костные и т.д.). Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и системы (пищеварительная, нервная, кровеносная системы, железы внутренней секреции и т.д.). Ткань – это не просто сумма клеток, это уже система, имеющая свои функции. Она имеет свою систему саморегуляции и, установлено, что клетки ткани, которые активно делятся, более подвержены действию радиации. Поэтому мышцы, мозг, соединительные ткани у взрослых организмов достаточно устойчивы к воздействию радиации. Клетки же костного мозга, зародышевые клетки, клетки слизистой оболочки кишечника являются наиболее уязвимыми. Так как наибольшее деление клеток происходит в растущем организме, воздействие радиации на детский организм особенно опасно. Влияние облучения на плод может привести к рождению неполноценного потомства, причем самый опасный период – 8-15-я недели беременности, когда происходит закладка органов будущего человека.

У взрослого организма наиболее уязвимым является красный костный мозг, вырабатывающий клетки крови, которые сами не делятся и быстро «изнашиваются». Поэтому организм нуждается в постоянном их обновлении. Вырабатываемые красным костным мозгом лейкоциты (белые кровяные тельца) выполняют функцию защиты организма от попавших в него возбудителей инфекционных заболеваний (иммунная защита). В результате нарушения созревания клеток костного мозга резко снижается содержание лейкоцитов в крови, что приводит к снижению сопротивляемости организма к различным инфекциям. Весьма чувствительными являются клетки половых желез напомним, что если для всего организма в целом при однократном равномерном облучении коэффициент риска принять за единицу, то для половых желез (яичников, семенников) он равен 0,25, а для красного костного мозга – 0,12.

Яичники взрослых женщин содержат большое число незаменяемых яйцеклеток, находящихся на разных стадиях развития. Поэтому облучение, приводящее к фактической или репродуктивной гибели яйцеклеток, может вызвать стойкое бесплодие.

Облучение мужчин дозой 2,5 Гр вызывает стерильность в течение двухтрех лет, а после облучения дозой 4-6 Гр наступает постоянная стерильность.

У женщин высокой радиационной чувствительностью обладают также молочные железы (коэффициент риска при однократном равномерном облучении равен 0,15).

В системе органов пищеварения при одноразовом равномерном облучении наиболее радиочувствительной является печень, затем идут в порядке убывания радиочувствительности поджелудочная железа, кишечник, желудок, пищевод, слюнные железы, язык, полость рта.

Относительно высокой радиочувствительностью обладают также клетки волосяных фолликулов. После облучения дозой 3-4 Гр волосы начинают редеть и выпадать в течение 1-3 недель. Затем рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой порядка 7 Гр происходит полная потеря волос.

Следует отметить, что значительная часть радионуклидов попадает внутрь организма с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. При этом наибольшие дозы внутреннего облучения получают органы систем дыхания и пищеварения, а также те органы, в которых накапливаются попавшие внутрь организма радионуклиды.

Так, например, клетки щитовидной железы высокоспециализированы и медленно делятся. Коэффициент радиационного риска для щитовидной железы при одноразовом равномерном внешнем облучении невелик – 0,03. Однако при попадании внутрь организма радиоизотопов йода они накапливаются в щитовидной железе в неограниченном количестве, что резко повышает эффективную эквивалентную дозу облучения этого органа. Щитовидная железа является одним из органов эндокринной системы – важнейшей регуляторной системы организма.

При вдыхании частиц, содержащих радионуклиды, область их осаждения в дыхательных путях и легких, время удержания на участках осаждения и продолжительность пребывания на путях удаления определяют эффективную тканевую дозу. Растворимые радионуклиды попадают в кровь и разносятся по всему организму. Большинство типов клеток, составляющих структуру легких, относительно устойчивы к непродолжительному облучению, тем не менее, легкие как орган, обладающий тонкой структурой, характеризуется значительной радиочуствительностью на тканевом уровне.

Всасывание радионуклидов в желудочно-кишечном тракте в большой степени зависит от вхождения их в состав различных соединений. Например, всасывание из желудочно-кишечного тракта органически связанного плутония в 25 раз больше, чем всасывания нитрата плутония. При этом 90% поступившего плутония накапливается в скелете, что приводит к значительному внутреннему облучению красного костного мозга.

6.3. Реакции целостного организма на воздействие При воздействии разных доз облучения могут наблюдаться следующие радиационные эффекты:

1. Соматические (нестохастические). Это непосредственные телесные повреждения организма, возникающие вскоре после воздействия облучения;

2. Соматико-стохастические эффекты. Это последствия, которые выявляются на больших группах людей в более отдаленные периоды после облучения;

3. Генетические эффекты. Они проявляются в виде возникновения хромосомных аберраций, доминантных генных мутаций.

Большая часть лучевых поражений возникает спустя длительный срок после острого однократного или хронического облучения. Они являются так называемыми отдаленными эффектами облучения в отличие от непосредственных эффектов, к которым относят острую лучевую болезнь и сопутствующий ей симптомокомплекс. Указанные отдаленные эффекты зависят от дозы; с возрастанием дозы растет тяжесть поражения. Помимо названных эффектов, в отдаленном периоде могут возникать еще два вида, которые называют стохастическими (т.е. вероятностными, случайностями): соматические (телесные) эффекты – злокачественные опухоли и генетические эффекты – врожденные уродства и нарушения, передающиеся по наследству. В основе обоих указанных видов стохастических эффектов лежат генерирующиеся излучением мутации и другие нарушения в клеточных структурах, ведающих наследственностью: в первом случае (соматические заболевания) – рак – в неполовых соматических клетках разных органов и тканей, во втором (в половых клетках яичников и семенников) – генетические изменения.

Системы органов, играющие решающую роль в гибели организма при радиационном облучении, называются критическими. Сочетание признаков, характерных для течения болезни, называют синдром. При общем облучении организма в зависимости от эквивалентной поглощенной дозы может преобладать один из синдромов, связанных с критическими системами: 1) костномозговой (кроветворный), 2) желудочно-кишечный, 3) церебральный. Они развиваются вследствие необратимого поражения соответствующих критических систем организма – системы кроветворения, желудочно-кишечного тракта или центральной нервной системы.

Костномозговой (кроветворный) синдром связан с повреждением стволовых клеток красного костного мозга. Это является смертельным для организма.

Зрелые клетки крови не делятся, характеризуются специализированными функциями, быстро изнашиваются, а поэтому должны постоянно заменяться новыми. Поражение костного мозга приводит к падению количества разных типов клеток в крови. Сокращение числа клеток периферической крови обусловливает симптомы, предшествующие гибели организма: уменьшение количества крови, кровотечения, инфекции.

Сокращение числа эритроцитов (красных кровяных телец), а соответственно, и понижение гемоглобина в крови приводит к анемии (малокровию).

Уменьшение числа тромбоцитов, участвующих в процессе свертывания крови, приводит к возникновению кровотечений, что усиливает анемию. Уменьшение числа лейкоцитов (белых кровяных телец) приводит к снижению сопротивляемости организма различным болезням.

Желудочно-кишечный синдром связан с повреждением слоя клеток, выстилающих внутреннюю стенку тонкой кишки, которое приводит к проникновению в организм инфекции из кишечника за счет кишечной флоры и возникновению инфекционных заболеваний.

Внутренняя, всасывающая поверхность кишечника имеет ворсинки, направленные в просвет кишечника. У основания этих ворсинок находятся быстроделящиеся клетки. Нарушение процесса обновления этих клеток и приводит к желудочно-кишечному синдрому, признаками которого являются боли в желудочно-кишечном тракте, потеря аппетита, тошнота, рвота, понос, изъязвление слизистой оболочки рта и зева, вялость, инертность. Все это происходит на фоне костномозгового синдрома.

Церебральный синдром связан с нарушениями центральной нервной системы. В центральной нервной системе в отличие от костного мозга и кишечника клетки достаточно устойчивы к воздействию радиации, так как зрелая нервная ткань состоит из высокоспециализированных клеток, которые в течение жизни не замещаются. Воздействие радиационных излучений приводит к функциональным нарушениям на тканевом уровне.

Признаки церебрального синдрома – головные боли, полное безразличие ко всему окружающему, нарушение сознания (возможна временная потеря его), судороги. Эти симптомы связаны с повреждением головного мозга.

Облучение всего организма человека дозой от 1 до 10 Зв приводит к протеканию у него типичной формы острой лучевой болезни. Различают четыре степени тяжести болезни: легкая (I) степень – при облучении дозой 1-2 Зв:

средняя (II) степень – доза облучения 2-4 Зв; тяжелая (III) степень – доза 4-6 Зв;

крайне тяжелая (IV) степень – доза 6-10 Зв и более. Доза, вызывающая гибель 50% облученных людей в течение 30 дней после облучения, если не приняты соответствующие медицинские меры, составляет 3-5 Зв.

В типичной форме лучевой болезни различают четыре периода:

1. Период первичной реакции – длится от несколько часов до несколько суток, в зависимости от тяжести поражения.

2. Период мнимого благополучия (скрытый период). Он длится 2-5 недель.

Причем чем больше была поглощенная доза, тем короче скрытый период и при достаточно больших дозах он вообще может отсутствовать. В это время нарушения в организме нарастают: опустошается костный мозг, развиваются изменения в кишечнике, коже, выпадают волосы, но общее состояние остается удовлетворительным.

3. Период разгара болезни – расстройство функций кишечника, нарушение проницаемости сосудов, сопровождающееся кровотечениями и кровоизлияниями в кожные покровы и слизистые оболочки; глубокое поражение кроветворной и иммунной систем; развитие инфекционных осложнений, которые могут привести к гибели организма.

4. Период восстановления – при благоприятном исходе начинается на втором – пятом месяце после облучения с нормализации кроветворения, постепенного уменьшения и прекращения кровоточивости, роста волос, улучшения общего состояния и восстановления двигательной активности и аппетита.

При лучевой болезни I (легкой) степени первичная реакция, если она развивается, стихает в день воздействия. Скрытый период длится 30-40 суток. В период разгара (на пятой-седьмой неделе) изменения периферической крови ограничиваются снижением числа лейкоцитов, человек ощущает общее недомогание. Выздоровление, как правило, наступает без лечения.

При II (средней) степени лучевой болезни первичная реакция длится до ч. наблюдаются двух-, трехкратная рвота, общее недомогание, иногда незначительное повышение температуры. Скрытый период продолжается 16-28 суток.

В период разгара значительно снижается содержание лейкоцитов в крови, выражены общие клинические проявления: инфекционные осложнения, кровоточивость, общее недомогание. Больные нуждаются в специализированной медицинской помощи.

При III (тяжелой) степени лучевой болезни первичная реакция длится до двух суток и сопровождается многократными рвотами, недомоганием, значительным повышением температуры, возможно покраснение кожи и слизистых оболочек. Скрытый период продолжается 8-17 сут. Однако уже к концу первой недели возможно возникновение отечности, покраснения и изъязвления слизистой оболочки рта и зева, значительное изменение состава крови, лихорадка, тяжелые инфекционные осложнения. Смертельные исходы возможны начиная с третьей недели. Больные нуждаются в своевременном специализированном лечении.

IV (крайне тяжелая) степень лучевой болезни в зависимости от дозы облучения проявляется в различных клинических формах.

В диапазоне доз 6-10 Зв развивается лучевая болезнь с ярко выраженным костномозговым (кроветворным) синдромом, но в клинической картине существенное место занимает также поражение желудочно-кишечного тракта. Первичная реакция продолжается в течение трех-четырех суток. Возможны общее покраснение кожи, жидкий стул. На 8-12-е сутки могут выявляться кишечные нарушения. В дальнейшем – типичная клиника лучевой болезни тяжелой степени. Смертельные исходы наступают с конца второй недели. Выздоровление небольшой части пораженных возможно лишь при лечении в условиях специализированного стационара. Кратко указанные симптомы приведены в табл. 6.2.

Характеристика острой лучевой болезни по степени тяжести и последствиям Степень тяже- Время прояв- Характер Косвенные Латентный Смертсти, (доза об- ления первич- первичной признаки пер- (скрытый) ность (без лучения, рад) ной реакции реакции вичной реакции период лечения) (100-200) часа после об- однократ- ловная боль, средней тяже- через 1,0-2,0 тошнота, слабость, по- 3-4 недель 40% (400-600) часа после об- ная рвота недомогание, суток крайне тяжелая через 2-30 ми- неукроти- сознание по- 3-4 суток, 100% (свыше 600) нут после об- мая рвота, мутнено, силь- или вовсе Длительное воздействие малых доз радиации может привести к возникновению хронической лучевой болезни, проявляющейся через полтора – три года после начала облучения, протекающей вяло, без ярко выраженных проявлений периода разгара болезни. Высокая уязвимость красного костного мозга, вырабатывающего лейкоциты, приводит к ослаблению иммунной системы организма, а, следовательно, к повышенной восприимчивости к любым инфекциям, быстрой утомляемости, малокровию.

Следует также учесть радиобиологические эффекты на тканевом уровне, которые подразделяются на стохастические и нестохастические.

Стохастическими называются такие эффекты, вероятность которых при малых дозах пропорциональна дозе. Подобные эффекты признаются беспороговыми, при которых даже самая малая доза облучения не является безвредной.

Стохастические эффекты возникают в результате повреждения нескольких или даже одной клетки (например, яйцеклетки).

Из отдаленных стохастических эффектов на первом месте стоят раковые заболевания, а среди них – лейкозы (рак крови), пик которых в зависимости от возраста облученных приходится на 5 – 25-й год после облучения. У детей до 15 лет наибольшая вероятность заболевания лейкозом приходится на пятый год после облучения; у людей, подвергшихся облучению в возрасте 15 – 29 лет, – через десять лет облучения, у людей в возрасте 30-34 лет – через пятнадцать лет и у людей старше 45 лет – через 25 лет после облучения.

Эффекты, которые имеют пороговую дозу, и тяжесть которых зависит от дозы, называются нестохастическими. Они возникают в результате изменений в большом количестве клеток и характерны для отдельных тканей. К ним относятся: катаракта, незлокачественные повреждения кожи, снижение костномозгового кроветворения, бесплодие. Для нестохастических эффектов существует четкий порог дозы, ниже которого вредных эффектов не наблюдается. Это связано с тем, что при малых дозах радиации поврежденные и погибшие клетки распределены в тканях случайным образом и небольшое количество функционально неполноценных клеток в большинстве тканей не играет существенной роли, хотя в будущем эти клетки могут послужить основой для новообразований.

К другим отдаленным последствиям облучения относятся, как уже упоминалось, уменьшение продолжительности жизни, катаракта, бесплодие, а также уплотнение и омертвление облученных участков кожи, потеря ее эластичности, нарушение функций половых желез и волосяных фолликулов, замедленное заживление кожи после травм даже спустя длительное время после облучения.

Таким образом, оценивая возможные последствия хронического облучения, следует иметь в виду, что последствия могут суммироваться и накапливаться в организме в течение длительного времени, так как риск стохастических поражений связан с возможностью мутаций, способных возникнуть под влиянием дополнительных взаимодействий клеток с излучением (табл. 6.2).

Условия (время) Доза (накопленная) Однократное острое, Любая доза, отлич- Увеличение риска отдаленных пролонгированное, ная от 0 стохастических последствий – рака и Хроническое в тече- 0,1 Зв (10 бэр) в год и Снижение неспецифической резиние ряда лет более стентности организма, которое не Хроническое в тече- 0,5 Зв (50 бэр) в год и Специфические проявления лучевоние ряда лет более го воздействия, снижение иммунореактивности, катаракта (при дозах Острое однократное 1,0 Зв (100 бэр) и бо- Острая лучевая болезнь разной стелее пени тяжести Пролонгированное, 10,0 Зв (1000 бэр) и Гипофункция щитовидной железы;

1-2 мес на щитовид- более возрастание риска развития опухолей (аденом и рака) с вероятностью ную железу от 131 I Ко всему изложенному выше следует добавить, что большое значение имеет время, в течение которого определенная ткань организма подвергалась воздействию облучения. Если длительность облучения такова, что новые клетки успевают заменить пораженные, то эффект радиационного воздействия понижается. Это наблюдается, если облучение малыми дозами является хроническим, т.е. если человек живет при постоянном повышенном радиационном фоне. При этом быстро обновляющиеся клетки не будут значительно повреждены за счет этого фона, а для медленно делящихся или совсем неделящихся клеток доза, которую они набирают в течение длительного времени, будет соответствовать той же дозе при сильном одноразовом облучении.

Контрольные вопросы 1. Прямое воздействие излучений на клетки, характер их повреждения.

2. Непрямое (косвенное) воздействие излучений на ткани и органы, образование токсических радикалов.

3. Факторы, определяющие определяющие радиочувствительность тканей и клеток.

4. Последствия (эффекты), развивающиеся в организме после воздействия ионизирующих излучений.

5. Характеристика острой лучевой болезни.

6. Действие на организм малых доз излучения, их последствия.

7. АВАРИЯ НА ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС И ЕЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

7.1. Краткая характеристика типовых ядерных энергетических установок Ядерные энергетические установки (ЯЭУ) различаются типом реактора, видом теплоносителя, целевым назначением, тепловой схемой и другими показателями.

В зависимости от структуры расположения ядерного топлива и замедлителя реакторы могут быть гомогенными и гетерогенными. Широкое распространение получили две разновидности гетерогенных реакторов на тепловых нейтронах: с твердым замедлителем (графит) и с жидким замедлителем (тяжелая вода).

По конструктивному исполнению реакторы подразделяются на корпусные и канальные. В корпусных реакторах активная зона находится в корпусе, который рассчитан на полное давление теплоносителя. Корпусные реакторы компактны, но их единичная мощность ограничена. В канальных реакторах отсутствует прочный корпус. Активная зона состоит из одинаковых технологических каналов с индивидуальным охлаждением, в которых размещаются тепловыделяющие сборки (ТВС). Увеличивая число каналов, можно получить более высокую единичную мощность.

Тепловая схема ЯЭУ может быть одно-, двух- и трехконтурной. Одно- и двухконтурные схемы применяются с реакторами на тепловых нейтронах с водным теплоносителем, трехконтурные - с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.

В СНГ наибольшее распространение получили водоохлаждаемые установки типа ВВЭР и РБМК.

Водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) - это гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, в котором вода используется одновременно в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов. В СНГ на промышленных АЭС с электрической мощностью блока 440 и 1000 МВт используются два типа таких реакторов: ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Строятся в настоящее время только энергетические блоки ВВЭР-1000.

Реакторы типа ВВЭР представляют собой вертикальный толстостенный цилиндрический сосуд с самоуплотняющейся сферической крышкой, рассчитанной на давление до 18 МПа. Активная зона реактора находится внутри корпуса. Ядерным топливом служит диоксид урана, обогащенный до 3...4%, спеченный в таблетки диаметром чуть больше сантиметра и высотой 1,5 см. Таблетки помещаются в тонкостенные ТВЭЛы из циркония, представляющие собой пустотелые цилиндры. Для обеспечения необходимой жесткости, удобства монтажа ТВЭЛы соединяют в кассеты. Длительность нахождения топлива в активной зоне 3 года. Но для более равномерной работы реактора его каждый год останавливают и заменяют 1/3 кассет.

Реактор располагается в бетонной шахте, вокруг которой расположены парогенераторы и циркуляционные насосы, прокачивающие воду через активную зону. Все это оборудование окружено защитой из воды и железобетона для снижения уровня нейтронного и -излучения. Тепловая схема ВВЭР является двухконтурной (рис. 7.1).

Это означает, что теплоноситель и рабочее тело движутся по самостоятельным контурам, общим оборудованием для которых является парогенератор (2).

Контур теплоносителя называется первым, контур рабочего тела – вторым.

Нагретая в реакторе (1) вода поступает в парогенератор (2), отдает своё тепло рабочему телу и главным циркуляционным насосом (3) возвращается в реактор.

В системе первого контура находится компенсатор давления (4). Полученный в парогенераторе пар подается на турбину (5), вращает её, затем конденсируется в конденсаторе (6). Конденсат питательным насосом (7) подается в парогенератор. Электроэнергия вырабатывается электрогенератором (8). В двухконтурной схеме радиационное загрязнение второго контура невелико, поэтому реакторные установки ВВЭР используются в атомной ТЭЦ (АТЭЦ).

ЯЭУ ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 установлены на Нововоронежской, Кольской, Ровенской, Южно-Украинской и других АЭС. Масса топлива в активной зоне реактора 80 т.

Наряду с реакторами типа ВВЭР в СНГ нашли применение уранографитовые канальные реакторы типа РБМК (реактор большой мощности, канальный) устройство и принцип работы которого был рассмотрен в 3 разделе.

В результате дальнейшего развития ядерной энергетики возрастет потребность в ядерном топливе, запасы которого ограничены. В настоящее время перспективы развития ядерной энергетики связывают со строительством реактивов на быстрых нейтронах. Такие реакторы, кроме выработки электроэнергии, позволяют осуществлять расширенное воспроизводство ядерного топлива.

В реакторах на быстрых нейтронах отсутствует замедлитель, в результате чего объем активной зоны в несколько раз меньше, чем в ВВЭР или РБМК, и составляет примерно 2 м3. В качестве ядерного топлива в таких реакторах используется искусственно полученный плутоний-239 или высокообогощенный уран (более 20%). Требования высокой концентрации плутония-239 или уранав активной зоне вытекает из того, что вероятность деления их ядер под воздействием быстрых нейтронов в несколько сотен раз меньше, чем под действием тепловых нейтронов. Последнее объясняется скоростью нейтронов (чем больше скорость нейтрона, тем меньше он находится в области действия ядерных сил и вероятность его поглощения ядром уменьшается). В активной зоне реактора размещаются 370 топливных сборок, в каждой из которых содержится по 127 ТВЭЛов. В этой же зоне расположены 27 стержней системы управления и защиты.

Активная зона реактора со всех сторон окружена так называемой зоной воспроизводства, состоящей из ТВЭЛов. ТВЭЛы заполнены ураном-238, обедненого изотопом урана-235, или торием-232. Зона воспроизводства одновременно играет и роль отражателя нейтронов. Выделившиеся в активной зоне в результате деления ядер урана-235 (или плутония-239) быстрые вторичные нейтроны попадают в зону воспроизводства, где происходит радиоактивный захват ядрами урана-238 (или тория-232). В зоне воспроизводства реактора накапливаются изотопы плутония-239 или урана-233, которые могут использоваться в дальнейшем в качестве ядерного топлива.

Для отвода тепловой энергии образующейся в активной зоне и в зоне воспроизводства, в реакторах на быстрых нейтронах используется трехконтурная технологическая схема (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Технологичнеская схема АЭС с реактором на быстрых нейтронах: 1 – ТВЭЛы активной зоны; 2 – ТВЭЛы зоны воспроизводства; 3 – корпус реактора; 4 – бетонный корпус реакторного зала; 5 – теплоноситель первого контура; 6 – циркуляционный насос; 7 – промужуточный теплообменник; 8 – теплоноситель второго контура; 9 – парогенератор; теплоноситель третьего контура; 11 – паровая турбина; 12 – технологический конденсатор; 13 – генератор.

В качестве теплоносителей первого и второго контуров используется жидкий натрий, третьего – вода. Жидкий натрий обладает малой вероятностью поглощения нейтронов и малой замедляющей способностью. Проходя по активной зоне и зоне воспроизводства, жидкий натрий первого контура нагревается до 5500С и поступает в промежуточный теплообменник. Там он отдает теплоту теплоносителю второго контура. Тепоноситель второго контура поступает в парогенератор, где происходит превращение в пар воды, являющейся теплоносителем третьего контура. Вырабатываемый в парогенераторе пар поступает в турбину электрогенератора. Таким образом, схему теплоотвода реактора составляют один радиоактивный и два нерадиоактивных контура.

Материал ТВЭЛов, выгруженных из активной зоны и зоны воспроизводства, подвергается регенерации с целью извлечения из облученного нейтронами топлива уран-233 и плутоний-239. Время работы реактора составляет 150 суток, что значительно меньше, чем для ВВЭР и РБМК.

Регенерация отработавших ТВЭЛов производится на радиохимических заводах.

Дальнейшее развитие ядерной энергетики в 21 в. специалисты всего мира связывают со строительством реакторов на быстрых нейтронах.

7.2. Причины аварии на ЧАЭС, начальные ее последствия и состояние В ночь с 25 на 26 апреля 1986 г. на Чернобыльской АЭС произошла крупнейшая в современной истории человечества катастрофа, последствия которой еще долго будут сказываться на жизни населения нашей республики.

Непосредственными причинами аварии явились грубейшие ошибки персонала, обслуживающего реактор, а также конструктивные недостатки ЯЭУ РБМК-1000.

25 апреля 1986 г. планировалась остановка четвертого блока ЧАЭС для планового ремонта. В процессе остановки намечено было провести эксперимент. Он заключался в том, что один из двух турбогенераторов ЯЭУ после прекращения подачи пара на турбину должен был, продолжать вращаться по инерции, производить энергию для запитывания циркуляционных насосов, прокачивающих воду, необходимую для аварийного охлаждения реактора. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы проверить возможность поддержания жизнеспособности ЯЭУ за счет запаса энергии вращения ротора турбины в случае, если прекращается подача пара на турбины и отключаются внешние источники электропитания системы аварийного охлаждения реактора (CAOP).

Анализ программы специалистами показал грубейшие ошибки ее авторов.

Во-первых, отключение CAOP было необязательно. Во-вторых, электрическая цепь насосов CAOP могла быть сымитирована чем угодно, только не главными циркуляционными насосами, прокачивающими воду через активную зону реактора. Изменение режима их работы не может не оказывать воздействия на работу реактора в целом. Недостатки программы опыта усугубились отступлениями от программы и ошибками персонала при ее реализации. Эти недостатки и ошибки, подкрепленные пренебрежением нормами ядерной безопасности, стали главными причинами трагедии.

26 апреля в 1 ч 23 мин 44 сек мощность цепной реакции в 100 раз превысила номинальную. За доли секунды ТВЭЛы разрушаются, давление пара в каналах многократно возрастает. Происходит первый взрыв. В результате химических реакций продуктов взрыва и образования смесей водорода и окиси углерода с кислородом в 1 ч 23 мин 46 сек раздался новый взрыв. Разрушилось перекрытие реакторного зала, около четверти графита и часть топлива были выброшены наружу. Цепная реакция в зоне прекратилась. Но мощная струя газообразных и аэрозольных радиоактивных продуктов наблюдалась в течение 2- суток после аварии. Благодаря принятым экстренным мерам выброс радиоактивных продуктов 6 мая резко снизился. Но практически выбросы завершились к концу этого месяца.

Суммарная активность аварийных выбросов оценивается в 510 Кu, что составляет примерно 4% общей активности продуктов ядерного деления в реакторе. В результате сложилась радиационная обстановка, своеобразие которой обусловлено: продолжительностью, дисперсным составом и высотой радиоактивного выброса, а также сложной метеорологической обстановкой.