Ионизирующее излучение (ИИ). Радиоактивность.

Среди техногенных источников ЧС наибольшую опасность по масштабам, тяжести поражения и длительности воздействия поражающих факторов представляют радиационные аварии. Основные проблемы радиационной безопасности связаны с развитием и эксплуатацией объектов атомной энергетики, а также некоторыми другими формами мирного и военного использования ядерной энергии. Значительную опасность представляют отходы ядерных технологий. Накопленные объемы отработавшего ядерного топлива и высокоактивных отходов ядерного производства также создают серьезную угрозу возникновения крупномасштабных радиационных аварий.

Радиационная авария – потеря управления источником ионизирующего излучения, вызванная неисправностью оборудования, неправильными действиями работников (персонала), стихийными бедствиями или иными причинами, которые могли привести или привели к облучению людей выше установленных норм или к радиоактивному загрязнению окружающей среды.

Тревожно звучащее слово «радиация» родилось и вошло в нашу жизнь в связи с первым страшным применением ядерного оружия – бомбардировками японских городов Хиросима и Нагасаки. Однако ядерная энергия применяется не только в военных целях, но и во многих других отраслях человеческой деятельности: это и облучение по медицинским показателям, стерилизация продуктов питания, предпосевная обработка семян для стимуляции их развития и многие другое вплоть до криминалистики и искусствоведения. И все-таки у многих при слове «радиация» тревожно сжимается сердце. Страх перед облучением зачастую вызывает неадекватные реакции со стороны людей, которые при других обстоятельствах выглядят спокойными и уравновешенными.

Новый толчок к усилению этого «заболевания» дала авария на Чернобыльской АЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г. По экспертным оценкам, территории 17 стран Европы общей площадью 207,5 тыс км ² оказались зараженными цезием с плотностью 1 Ки/км ² . Ветром радиоактивную пыль занесло в Африку и Америку. Радиоактивному загрязнению свыше 1 Ки км ² подверглись более 59,3 тыс км ² территории 14 субъектов РФ, на которых проживали более 6 млн человек. Более 2 млн га сельхозугодий и около 1 млн га лесного фонда РФ подверглись радиоактивному загрязнению. Коллективная дозовая нагрузка, которую получило население, превысила 100 тыс. человеко-зивертов, а численность населения, подвергшегося воздействию радиации, составила более 7103600 человек. Но лишь весной 1991 г. впервые с трибуны заседания президиума Академии медицинских наук в Киеве открыто было сказано, что «локальные очаги загрязнения разбросаны по большей части европейской территории бывшего СССР и Закавказья. Незначительно загрязненные радиоактивными веществами продукты питания и корма могут распространяться практически по всей территории страны, и такое положение будет сохраняться длительное время».

Необходимо учитывать негативное воздействие радиационной аварии на окружающую среду. Произошло ее радиоактивное заражение, в т.ч. долгоживущими радионуклидами. Необходимы огромные капиталовложения на ее оздоровление. Высока стоимость реабилитационных работ. Долгосрочное ограничение природопользования и в более широком плане – ограничение жизнедеятельности на радиоактивно зараженных территориях. Ущерб от сноса и потерь объектов социально-хозяйственной структуры и оттока населения из пострадавших районов.

Острота проблемы обусловлена, в первую очередь, крайне низким уровнем знаний в области радиационной безопасности не только у широких слоев населения, но и у значительной части интеллигенции (врачи, педагоги…), которая оказывает существенное влияние на формирование общественного мнения.

Чернобыльская трагедия, кроме всего прочего, вызвала взрыв обостренного интереса к проблеме радиационного облучения, его воздействия на живые организмы, в первую очередь на человека. Уроки Чернобыля свидетельствуют о том, что знание сущности радиации и радиологии являются необходимым элементом современной культуры и цивилизации. Понимание основных закономерностей в этой области жизнедеятельности человека и умение грамотно действовать в чрезвычайных ситуациях поможет трезво и объективно оценить реальные последствия произошедшей радиационной аварии независимо от ее масштабов, позволит исключить или, по крайней мере, снизить число ошибок в действиях в послеаварийной ситуации.

Что такое радиация? Это все виды излучений: свет, радиоволны, энергия солнца и множество иных излучений, окружающих нас. В данный момент нас интересует ионизирующее излучение, т.е. радиация, вызывающая ионизацию, передающая электрону энергию, большую энергии связи его с ядром атома. Таким образом, ионизирующее излучение – излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. К ионизирующему излучению также относится излучение, образующееся за счет аннигиляции. Впервые это явление было открыто в 1895 г. В.К.Рентгеном в Германии (Х-лучи). К данному виду излучений прежде всего относятся рентгеновское и γ-излучение, испускаемые при распаде радиоактивных изотопов. γ-излучение по своей природе является коротковолновым электромагнитным излучением, т.е. потоком высокоэнергетических квантов электромагнитной энергии, длина волны которых значительно меньше межатомных расстояний, т.е. λ < 10^-8 см. Не имея массы, γ-кванты двигаются со скоростью света, не теряя ее в окружающей среде. Они могут лишь поглощаться средой или отклоняться в сторону, порождая пары ионов: частица – античастица, причем последнее наиболее значительно при поглощении γ-квантов в среде. Таким образом, γ-кванты при прохождении через вещество передают энергию электронам, выбивают их из электронной оболочки и, следовательно, вызывают ионизацию среды. Благодаря отсутствию массы, γ-кванты обладают большой проникающей способностью (до 4-5 км в воздушной среде).

Остальные виды ионизирующего излучения (ИИ) представлены корпускулярными быстродействующими частицами вещества. Это легкие частицы – электроны и тяжелые – α-частицы (ядра Н¹), дейтроны (ядра Н²) и нейтроны. Последние – единственные незаряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония, для которых не существует кулоновский потенциальный барьер (энергетический максимум деления). Благодаря этому свойству нейтроны глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани. Ионизация среды в поле нейтронного излучения осуществляется заряженными частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов с веществом. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в радиоактивные изотопы, т.е. создавать наведенную радиацию, что значительно повышает опасность нейтронного излучения. Так, при облучении нейтронами атома урана возникает новый радиоактивный изотоп ²³⁵U +n→ ²³⁹Рt. При этом некоторые радиоактивные изотопы образуются при облучении не сразу, а позже спустя некоторое время. Эти новые элементы (частицы) обладают большими массами, зарядами и громадной энергией. При одном акте деления ²³⁵U в двух осколках освобождается 210 МэВ, в то время как для образования радиоактивных изотопов (возникновения наведенной радиации) необходима энергия ≥ 10 МэВ. Данным количеством энергии из-за наличия кулоновского потенциального барьера не обладают электроны и γ-кванты. Поэтому ядерных превращений при их столкновении с ядрами атомов не происходит. Проникающая способность нейтронов сравнима с γ-излучением.

При наличии среди компонентов облучения нейтронов необходимо проводить определение наведенной активности биоэлементов (Р, S и др.) и наличия в крови ²⁴ Nа.

В зависимости от уровня носимой энергии условно различают нейтроны быстрые (обладающие энергией от 0,2 до 20 МэВ) и тепловые (от 0,25 до 0,5 МэВ0. Это различие учитывается при проведении защитных мероприятий. Так, быстрые нейтроны замедляются, теряя энергию ионизации, веществами с малым атомным весом, так называемыми водородосодержащими (парафин, вода, пластмассы и др.). Тепловые поглощаются материалами, содержащими бор и кадмий (борная сталь, бораль, борный графит,, сплав кадмия со свинцом).

β-частицы – электроны, испускаемые во время радиоактивного распада ядерных элементов с промежуточной ионизирующей и проникающей способностью (пробег в воздухе до 10-20 м). Двухслойная одежда снижает дозу β-облучения на 50%.

α -частицы – положительно заряженные атомы гелия, а в космическом пространстве и атомов других элементов, испускаемые при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов – урана или радия. Они обладают малой проникающей способностью (пробег в воздухе не более 10 см). Даже человеческая кожа является для них непреодолимым препятствием. Опасны они лишь при попадании внутрь организма, так как способны выбивать электроны из оболочки нейтрального атома любого вещества, в том числе и тела человека, и превращать его в положительно заряженный ион со всеми вытекающими последствиями, о которых будет сказано ниже.

Количественное содержание радиоактивного материала в организме человека или веществе определяется термином «активность радиоактивного источника» Радиоактивность – явление, открытое в 1886 г. французским ученым А.Беккерелем. За единицу радиоактивности в системе СИ принят беккерель (Бк), соответствующий 1 распаду в 1 с. Иногда в практике применяется старая единица активности – кюри (Ки). Это активность такого количества вещества, в котором за 1 с происходит распад 37 млрд атомов. Для перевода пользуются зависимостью 1 Бк = 2,7 х 10^-11 Ки. или 1 Ки = 3,7 х10¹⁰ Бк.

Каждый радионуклид имеет неизменный, присущий только ему период полураспада (время, необходимое для потери веществом половины активности). Например, у ²³⁵U он составляет 700 тыс. лет, тогда как у ¹³¹ I – всего лишь 8 суток.

Чтобы правильно понимать механизм радиационных поражений, необходимо иметь четкое представление о существовании двух путей, по которым излучение проникает в ткани организма и воздействует на них. Первый путь – внешнее облучение от источника, расположенного вне организма (в окружающем пространстве). Этот вид облучения может быть связан с рентгеновскими и γ-лучами, а также некоторыми высокоэнергетическими β-частицами, способными проникать в поверхностные слои кожи. Второй путь – внутреннее облучение, вызываемое попаданием радиоактивных веществ внутрь организма. Особенно опасно, как уже говорилось, попадание в организм α-частиц ввиду их высокой ионизирующей способности. Поэтому меры защиты от воздействия внешнего облучения отличаются от мер, принимаемых при наличии внутреннего облучения.

Мерой ионизирующего воздействия внешнего излучения является экспозиционная доза (Дэ), определяемая по ионизации воздуха. За единицу экспозиционной дозы, используемой в РСЧС, принята внесистемная единица – рентген (Р), количество излучения, при котором в 1 см³ воздуха при температуре 0 ⁰ С и давлении 1 атм образуются 2,08х10 ⁹ пар ионов. Согласно руководящим документам Международной компании по радиологическим единицам (МКРЕ) РД-50-454-84 после 1 января 1990 г. использовать такие величины, как экспозиционная доза и ее мощность не рекомендуется (Принято, что экспозиционная доза есть поглощенная доза в воздухе). Большая же часть дозиметрической аппаратуры в РФ имеет градуировку в рентгенах, рентген-часах, и от этих единиц пока не отказываются.

Внутреннее облучение является более опасным по следующим причинам:

практически мало расстояние до ионизируемой ткани (так называемое контактное облучение);

резко увеличивается доза облучения, определяемая временем радионуклида в организме ( ²²⁶ Rа или ²³⁹ Рu - в течение всей жизни);

в облучении участвуют α-частицы, самые активные и поэтому самые опасные;

радиоактивные вещества распространяются не равномерно по всему организму, а избирательно, концентрируются в отдельных (критических) органах, усиливая локальное облучение;

невозможно использовать какие-либо меры защиты, применяемые при внешнем облучении (эвакуация, применение СИЗ и др.).

В виду вышеизложенного последствия, вызываемые внутренним облучением, более тяжелые. Существуют четыре пути возможного проникновения радиоактивных веществ в организм. 1 – через легкие при вдыхании; 2 – с пищей; 3 – через повреждения и порезы в коже; 4 – абсорбция через здоровую кожу при длительном воздействии РВ.

Наиболее опасный первый путь, поскольку за рабочую смену человек, как это рекомендуют принимать в расчетах НРБ, вдыхает за 6 рабочих часов 9 м³ воздуха (в целом за сутки 20 м³), а с пищей потребляет только 2,2 литра воды. Кроме того, усвоение и отложение в организме радионуклидов, попадающих через органы дыхания, как правило, выше, чем при заглатывании. Усвоение через неповрежденную кожу в 200-300 раз меньше, чем через ЖКТ, и не имеет существенного значения по сравнению с первыми двумя путями.

В присутствии органических растворителей (эфир, бензол, толуол, спирт) проницаемость кожи для РВ увеличивается. Причем некоторые РВ, поступившие в организм через кожу, попадают в кровеносное русло и далее, в зависимости от химических свойств, поглощаются и накапливаются в критических органах, что приводит к получению высоких локальных доз. Например, растущие конечности костей хорошо усваивают радиоактивный кальций, стронций, радий, плутоний; почки – уран. β-частицы радиоактивного йода накапливаются главным образом в щитовидной железе, масса которой у взрослого мужчины составляет всего 15 - 20 г. Концентрация радионуклида в этом органе в 200 раз выше, чем в других частях человеческого организма.

Другие химические элементы, такие как натрий и калий, будут распространяться по всему организму более или менее равномерно, так как они содержатся во всех его клетках. При этом наличие в крови ²⁴ Nа означает, что организм дополнительно подвергся нейтронному облучению (т.е. цепная реакция в реакторе в момент облучения не была прервана).

Попадание твердых радиоактивных веществ в легкие зависит также от степени дисперсности этих частиц. ИЗ проводившихся над животными испытаний установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 микрона ведут себя также как и молекулы газов. При вдохе они попадают с воздухом в легкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В легких может оставаться лишь самая незначительная часть твердых частиц, крупные частицы размером более 5 микрон задерживаются носовой полостью.

Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав тканей. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма. Также не задерживаются в организме длительное время радионуклиды, однотипные с элементами, входящими в состав тканей, и употребляемые человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.). Они со временем полностью удаляются из организма. Некоторые радионуклиды, например, отлагающиеся в костных тканях радий, уран, плутоний, стронций, иттрий, цирконий вступают в химическую связь с элементами костной ткани и с трудом выводятся из организма. Так, при проведении медицинского обследования жителей районов, пострадавших от аварии на ЧЭС, во Всесоюзном гематологическом центре АМН было обнаружено, что при общем облучении организма дозой 50рад отдельные его клетки оказались облученными дозой 1000 и более рад. В настоящее время для различных критических органов разработаны нормативы, определяющие предельно допустимое содержание в них каждого радионуклида.(12).

Мерой ионизирующего воздействия внутреннего облучения является поглощенная доза. За единицу поглощенной дозы принят грей(Гр) – количество энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 рад = 10^-2 Гр. 1 Гр = 100 рад.

Для перевода количества поглощенной энергии в пространстве (экспозиционная доза) в поглощенную мягкими тканями организма применяют коэффициент пропорциональности К=0,877, т.е. 1 рентген = 0,877 рад.

В связи с тем, что различные виды излучений обладают разной эффективностью (при равных затратах энергии на ионизацию производит различное воздействие), введено понятие «эквивалентная доза».Единица ее измерения – бэр. Бэр – это доза излучения любого вида, воздействие которой на организм эквивалентно действию 1 рада γ-излучения. Поэтому при оценке общего эффекта воздействия ионизирующего излучения (ИИ) на живые организмы при суммарном облучении ИИ всех видов учитывается т.н. коэффициент качества (Q), равный 10 для нейтронного излучения (нейтроны примерно в 10 раз эффективнее в плане радиационного поражения) и 20 – для α-излучения. В системе СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), равный 1 Гр х Q.

Наряду с величиной энергии, видом облучения, материалом и массой облучаемого органа важным фактором при определении воздействия ИИ является период полураспада радиоактивного изотопа – продолжительность времени, необходимого для выведения (с потом, мочей, калом и др.) из организма половины радиоактивного вещества. Уже через 1-2 часа после попадания РВ в организм они обнаруживаются в его выделениях. Однако полный выход РВ занимает довольно большой промежуток времени. Так.²³⁵ U полностью выводится из легких через 150 суток, а из скелета – через 450.Сочетание физического периода полураспада с биологическим дает понятие «эффективный период полураспада» - наиболее важный при определении результатирующей величины облучения, которому подвергается организм, особенно критические органы. Т.е., степень выведения радионуклида из организма зависит как от скорости его биологического (метаболического) выведения, так и от скорости его физического (радиоактивного) распада, которые суммарно определяются как эффективный период полураспада (полувыведения). Чем моложе организм, тем быстрее при прочих равных условиях он очищается от радионуклидов. Так период полувыведения ¹³⁷ Сs у взрослых составляет 70-140 суток, а у детей в зависимости от возраста от 20 до 50 суток.

Необходимо также знать, что наряду с понятием «активность» существует понятие «наведенная активность» (искусственная радиоактивность). Она возникает при поглощении медленных нейтронов (продуктов ядерного взрыва или ядерной реакции) ядрами атомов нерадиоактивных элементов и превращении их в радиоактивные ²⁸ К и ²⁴ Nа, образующиеся в основном в грунте.

Поглощенная веществом доза на четвертые сутки после получения под воздействием физического и биологического распада начинает обращаться (выходить) из вещества (организма). Это обратимая доза. 50% ее выходит за первый месяц, а остальная в течение трех месяцев со скоростью 2,5% в сутки. Всего выходит 90% поглощенной дозы. 10% остается в веществе (организме) в виде остаточной дозы. В основном это Са, не выводимый из костей.

Таким образом, формы, степень и глубина радиационных поражений, развивающихся в биологических объектах (в том числе в человеке) при воздействии ИИ зависят от величины поглощенной энергии ИИ (дозы)

Количество дозы за единицу времени – мощность дозы (уровень радиации), измеряемый в Р/час (мин, с).