Радиосенсибилизаторы - соединения, снижающие радиоустойчивость живых организмов

Возможность повышения поражающего действия ионизирующих излучений привлекает внимание ученых и врачей-практиков. Поэтому велись и проводятся интенсивные поиски соединений, усиливающих поражающее действие радиационного излучения. Такие соединения могут принести большую пользу при лучевой терапии онкологических больных.

По своей химической природе сенсибилизаторы могут относиться к различным классам соединений. Так, радисенсибилизирующим эффектом обладают иодацетамид, йодуксусная кислота, хлормеркурийбензоат, кетоальдегиды, фторурацил, актиномицин Д. По механизму действия на живые системы их можно подразделить на 2 группы: а) усиливающие первичные радиационные повреждения макромолекул б) ингибирующие процессы пострадиационного восстановления.

По первому механизму действуют соединения с ярко выраженными окислительными свойствами, которые спосбны отбирать электроны у атомов и молекул и способствовать, таким образом, образованию ионов и свободных радикалов. К таким соединениям можно отнести искусственно синтезированные свободные радикалы, такие как тиацетомин –N- оксин, n-нитроацетофенон, нитраимдазолы, нитрофураны.

По второму механизму действуют различные аналоги азотистых оснований и антибиотики. В частности, аналоги азотиситых оснований, повышают количество поврежденых молекул ДНК при облучении за счет ингибирования процессов репарации макромолекул. Например, 5-фторурацил ингибирует активность тимидилат-синтазы, фермента, участвующего в синтезе тимина Антибиотик актиномицин Д связывается с гуаниновым нуклеотидом ДНК и ингибирует синтез и-РНК, и соответственно, белков-ферментов, участвующих в пострадиационной репарации, например, РНК-полимеразы. Таким образом, все ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и синтеза белка, являются эффективными радиосенсибилизаторами.

 

Радиомимметики– соединения имитирующие действие ионизирующих излучений.

В 40–ых годах 20 века было обнаружено, что отравляющий газ нервно-паралитического действия иприт вызывает реакции, сходные с реакциями возникающими в организме при облучении. В частности, было показано, что иприт подавляет рост опухолевых клеток, вызывает хромосомные аберрации, задерживает деление клеток. В последующем такие же эффекты были обнаружены и при действии на живые системы структурных аналогов иприта.

CH₂ - CH₂Cl

S иприт

CH₂ - CH₂Cl

Предполагается, что радиомимметики, как и ионизирующие лучи, повреждают макромолекулы и снижают эффективность работы репарационных систем. Естественно, радиомимметики, полностью не могут воспроизводить эффекты, проявляющиеся на тканевом и организменном уровне при облучении. Это связано с тем, что химическое вещество не может проникать одновременно во все клетки, ткани и органы, как в случае ионизирующего излучения.

Радиомимметическая способность обнаружена у различных соединений, содержащих следующие функциональные группировки: ипритную (SCH₂ - CH₂Cl), эпоксидную (-CH –CH-), этиламинную (CH₂ - CH₂), перекисную (-CH –CH-), гидроксиперекисную (-CH –CH-).

 

добавить

 

Контрольные вопросы и задания.

1. Какие вещества являются радиомодификаторами?

2. Предложите схему эксперимента для определения модифицирующей активности химического соединения.

3. Какие химические соединения можно отнести к радипротекторам? Приведите примеры.

4. Объясните физиологические и биохимические механизмы повышения устойчивости живых организмов при действии радипротекторов.

5. Как Вы понимаете термин «кислородный эффект»? Что означает коэффициент кислородного усиления?

6. Проявится ли кислородный эффект у анаэробных бактерий при облучении их на воздухе? Ответ обоснуйте.

7. Увеличится ли (если увеличится - насколько) поражаемость клеток радиацией при повышении концентрации кислорода в воздухе:

а) на 5 % б) на 10 % в) на 20 %

 

8. LD₅₀ для дрожевых клеток равняется 10 Зв. После обработки их актиномицином Д эта доза уменьшается до 5 Гр. К какому классу радиомодификаторов относится этот антибиотик.

9. При облучении бактерий в анаэробных условиях в дозе 50 Гр погибло 50 % клеток. Какая доза радиации необходима для достижения такого же эффекта при облучении этих бактерий на воздухе, если ККУ = 3?

10. После введения мышам лекарственного препарата, ЛД₅₀ для них увеличилась с 12 Гр до 15 Гр. Явлется ли этот препарат радиопротектором?

11. Каккие способы Вы можете предложить для повышения эффективности лечения при радиотерапии злокачественных опухолей?

12. Введение этилового спирта в организм человека и млекопитающих повышает их устойчивость к облучению. Однако, это соединение не относится к радипротекторам. Почему?

13. Бригада ремонтников на атомной электростанции работала в течение 2 часов при экспозиционной мощности дозы гамма-излучения Р_экс = 0,05 мГр/с. До облучения в организм рабочих был введен радипротектор с ФИД = 3. Какую эквивалентную дозу облучения получил каждый работник, и каковы прогнозируемые последствия для его здоровья?

14. Человек облучался тотально g - лучами с Р_экс = 1 мГр/с в течение часа. Какой диагноз относительно здоровья этого человека? Какие способы лечения этого облученного Вы можете предложить?

15. Как можно уменьшить вредное действие ионизирующего излучения на нормальные ткани при лечении опухолей?

 

 

Лекция 12. Природный радиационный фон и источники формирования радиационного фона

 

Все организмы, живущие на Земле, подвергаются непрерывному об­лучению за счет излучения естественных и искусственных источников ионизирую­щих излучений, т.е. радиационного фона. Радиационный фон биосферы форми­руется за счет излучения естественных радионуклидов, искусственных источников излучения, находящихся в окружающей среде и космического излучения.

Распространение естественных радионуклидов в при­роде. В настоящее время известно более 60 естественных радионуклидов, участвующих в формировании радиоактивности биосферы. По происхождению они делятся на две группы.

Космогенные радионуклиды— нуклиды, образующие­ся в результате взаимодействия космического излуче­ния с атомами азота, водорода и др. Наибольший вклад в формирование радиационного фона Земли вносят ³H, ⁷Be, ²²Na, ¹⁴C.

Естественные радионуклиды - нуклиды (продукты деления) радиоактив­ных семейств (рядов) ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th, а также ⁴⁰К и ⁸⁷Rb. Эти нуклиды входят в состав земной коры с момента образования нашей планеты.

Содержание естественных радионуклидов в окружающей среде варьирует в широких пределах. В земной коре, на­пример, из всех радиоактивных веществ больше всего содержится ⁴⁰К (@ 2,5 %), тогда как содержание урана и тория в десятки и сотни, а радия - в миллионы раз меньше по сравнению с содержанием радиоактив­ного калия. Весьма существенные различия в концентрации радионуклидов отмечаются в почвах раз­ных типов (таблица 1.).

Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах природных вод. Особенно высока их концентрация в подземных водах. Например, в сильно минерализованных водах, концентрация урана в среднем составляет 5× 10^-5 г/л (0,5 мкг/л), тогда как мягких водах эта величина составляет лишь 2,8 ×10^-8 г/л.

Таблица 1

Концентрация ⁴⁰К, ²³⁵U и ²³²Th в почвах различных типов и соответствующие мощности поглощенной дозы (Р_погл, мкрад/ч) в воздухе на высоте 1 м от поверхности земли

 

Типы почв	Концентрация элементов, пКи/г	Рпогл мкрад/ч
	^40К	^235U	^233Th
Серозем		0,85	1,3	7,4
Серо-коричневая		0,75	1,1	6,9
Каштановая		0,72	1,0	6,0
Чернозем		0,58	0,97	5,1
Серая лесная		0,48	0,72	4,1
Дерново-подзолистая		0,41	0.60	3,4
Подзолистая		0,24	0,33	1.8
Торфянистая	2,5	0,17	0,17	1,1
Среднее для планеты		0,7	0,7	4,6
Пределы колебаний	3-20	0,3 – 1,4	0,2-1,3	1,4- 9

 

 

Таблица 2.

Активность естественных радионуклидов, поступающих в организм человека с пищей и водой (пКи/сут)

 

Радионуклид	Среднее значение активности	Пределы колебания активности	Радионуклид	Среднее значение активности	Пределы колебания активности
^40К		100-3550	^226Ra		0,5-285
^87Rb		100-150	^228Ra		1,25- 162
^210Pb		2-44	^238U	0,3	0,15-2
^210Po		2-344

 

Из естественных долгоживущих радионуклидов в природных водах больше всего ⁴⁰К- до 330 пКи/л (в морской воде). Содержание радионуклидов в дождевой воде невелико, исключение составляют нуклиды ³Н и ⁷Be, концентрация которых может достигать до 40 пКи/л. В составе живых организмов содержание радионуклидов, как правило, ниже, чем в окружающей среде. Это объясняется тем, что большинство естественных радионуклидов плохо усваиваются растениями и животными. Интенсивно усваиваются живыми организмами и включаются в метаболизм ⁴⁰К, ¹⁴С и ^ЗН. Расчетные данные о возможных уровнях поступления основных радионуклидов в организм человека приведены в таблице 2.

В атмосферу радионуклиды поступают различными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенную роль в радиоактивности воздушной среды играет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы газов радона (²²⁶Rn) и торона (²²⁰Th ), являющихся продуктами радиоактивного распада, соответственно ²²⁶Ra и ²²⁴Ra.

Радиоактивность атмосферного воздуха варьирует в широких пределах и зависит от местоположения (в атмосферном воздухе над сушей концентрация радионуклидов выше, чем над океаном), концентрации радионуклидов в земных материнских породах, времени года, состояния атмосферы и т. д. Средние значения активности радиоактивных аэрозолей в нижних слоях атмосферного воздуха составляют: a-активных аэрозолей - 4×10^-13 Ки/л, b -активных аэрозолей - 3,1 ×10^-13 Ки/л. Среднее значенияе концентрации радона и торона в приземных слоях воздуха составлет около 7×10^-14 Ки/л. Величина радиоактивнсти воздуха в жилых домах и рабочих помещениях определяется, в первую очередь, концентрацией газа радона. Его концентрация внутри помещений зависит, главным образом, от типа строительных материалов, использованнхы для постройки зданий. Так, в домах, построенных из дерева, кирпича и бетона, активность радона в воздухе составляет соответственно 0,41; 1,08 и 3,13 пКи/л. Причина таких различий - неодинаковое содержание ²²⁶Ra, предшественника радона в строительных материалах. На концентрацию радона в воздухе помещений влияет интенсивность воздухообмена. При плохой вентиляции концентрация радона внутри помещений может повышатся в десятки раз.

Космическое излучение. Космическое излучение имеет 3 источника происхождения: галактическая радиация из дальних районов космоса; радиация в виде заряженных частиц, образующих циркулирующие слои вокруг Земли; радиоактивное излучение, сопровождающее вспышки на Солнце.

Галактическое излучение является одним из самых загадочных явлений природы. Оно состоит главным образом из протонов и a-частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Однако в состав этого излучения входят и более тяжелые ионизирующие частицы, например, ядра атомов железа. Некоторые частицы обладают очень высокой энергией, которая значительно превышает энергию частиц, ускоряемых в современных синхротронах. Эти высокоэнергетические частицы (HZE - частицы) не представляют какой-либо опасности для живых организмов на Земле, так как большая их часть отклоняется магнитным полем Земли, а остальная часть задерживается в атмосфере. Однако, для людей находящихся в Космосе, они представляют реальную опасность. Эти частицы легко проходят через обшивку космических аппаратов и могут ионизировать клетки космонавтов. Так, в течение 2-х недель во время экспедиции землян на Луну, через голову каждого астронавта прошло не менее 100 HZE – частиц, которые разрушили значительное количество нейронов. Американские ученые предполагают, что долгое пребывание человека в космосе (более 1 месяца) может привести к нарушению работы нервной системы вследствие облучения HZE -частицами.

Радиационные пояса Земли. Вокруг нашей планеты существуют области, в которых магнитное поле задержало огромное число заряженных частиц, которые по силовым линиям магнитного поля циркулируют вокруг Земли по замкнутым траекториям. Эти области с повышенной радиацией получили название радиационных поясов. Радиационные пояса в основном состоят из электронов и протонов, обладающих невысокими энергиями. При подъеме на летательных аппаратах, мощность дозы излучения радиационного пояса возрастает по мере увеличения высоты, начиная с 5 –6 км и до 100 км. Хотя значительная часть излучения радиационных поясов задерживается обшивкой космического корабля или самолета, мощность дозы внутри корабля при прохождении этих поясов может достигать 0,1 Гр/ч. К счастью, космические корабли преодолевают радиационный пояс в течение нескольких минут. Длительные космические полеты проходят на высоте 200 –300 км. При многократном прохождении таких поясов при оборотах вокруг Земли, суммарная поглощенная доза радиации может быть значительной. В силу этих причин, некоторые исследователи полагают, что длительность пребывания человека в космосе не должна превышать 4-х месяцев.

Солнечное корпускулярное излучение. Большую радиационную опасность для космонавтов представляют вспышки, периодически возникающие на Солнце. Как известно, средняя температура солнечной поверхности составляет около 6000 °С. Периодически часть поверхности Солнца нагревается до нескольких миллионов градусов. Нагревание поверхности обуславливает появление так называемых солнечных пятен, которые превращаются во вспышки. Вспышки на Солнце могут продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. Время появления, продолжительность солнечных пятен и вспышек пока астрономы не могут точно предсказать. Примерная тенденция их появления имеет 10 –11 летний период. Предполагается, что в 11 летнем цикле солнечной активности, продолжительность повышенной радиационной опасности может составлять 10 – 20 часов. По некоторым подсчетам, мощность дозы при солнечной вспышке на высоте 20 км от поверхности Земли может доходить 3,5 мЗв/ч. Поэтому, полеты в сверхзвуковых авиалайнерах и космические полеты в период высокой солнечной активности связаны вероятностью поражения космонавтов в результате получения дополнительной дозы от солнечных вспышек.

Дозы ионизирующих излучений от естественных источников. Микроорганизмы, растительные и животные организмы подвергаются непрерывному облучению в результате воздействия внешнего ионизирующего излучения и излучения от естественных радионуклидов, находящихся непосредственно в клетках, органах и тканях организмов (внутреннее облучение).

Доза от внешнего ионизирующего излучения формируется за счет космического излучения и излучения от естественных радионуклидов, находящихся в среде обитания растений и животных.

Подсчитано, что средняя поглощенная мощность дозы космического излучения на высоте уровня моря составляет 3,2 мкрад/ч, а поглощенная доза этого вида излучения в течение года - 28 мрад (табл. 4). Как отмечалось, интенсивность космического излучения по мере увеличения высоты над уровнем моря возрастает, и соответственно увеличивается мощность поглощенной дозы. Например, на высоте 2 км над уровнем моря мощность экспозиционной дозы 3- 4 раза, а на высоте 3 км - повышается в 5-6 раз выше, чем на уровне моря.

Доза внешнего излучения от естественных радионуклидов колеблется в широких пределах. В качестве средней мощности поглощенной дозы в воздухе на высоте 1 м над поверхностью Земли принимают значение 4,5 мкрад/ч (32 мрад/год), а внутри помещений - 5,3 мкрад/ч.

 

Таблица 3.

Поглощенные дозы радиации от природных источников в расчете за год на одного человека (мрад/год)

 

Источники облучения

Половые железы

Легкие

Надкостница

Красный костный мозг

Внешнее облучение

Космическое излучение
Земное излучение

 

Внутреннее облучение
Космогенные радионуклиды:
^3H (b)	0,001	0,001	0,001	0,00
^7Be (g)	—	0,002	—	—
^14C (b)	0,5	0,6	2,0	2,2
^22Na (b+g)	0,02	0,02	0,02	0,02
Земные радионуклиды   ды:
^40К (b+g)
^87Rb (b)	0,8	0,4	0,9	0,4
^238U – ^234U (a)	0,04	0,04	0,3	0,07
^230Th (a)	0,004	0,04	0,8	0,05
^226Ra - ^210Po(a)	0,03	0,03	0,7	0,1
^210Pb - ^214Po (a + b)	0,6	0,3	3,4	0,9
^222Rn - ^214Po (a)	0,2		0,3	0,3
^232Th (a)	0,004	0,04	0,7	0,04
^228Ra - ^208Tl (a)	0,06	0,06	1,1	0,2
^220Rn - ^208Tl (a)	0,008		0,1	0,1
Всего

 

 

В районах с повышенным радиационным фоном дозы облучения значительно выше. Например, в г. Гуарапари (Бразилия), мощность поглощенной дозы варьирует в пределах 100-200 мкрад/ч. В штате Керала (Индия) средняя мощность поглощенной дозы составляет 130 мкрад/ч. Соответственно, в этих районах годовая поглощенная доза значительно выше средней, и может достигать нескольких сотен миллирад.

Дозы облучения от естественных радионуклидов, находящихся в организме, сравнительно невелики. Внутреннее облучение большинства органов обусловлено наличием в них ⁴⁰К. Годовая поглощенная доза от ⁴⁰К в отдельных органах варьирует от 15 до 27 мрад, тогда как от других находящихся в организме естественных радионуклидов поглощенная доза обычно составляет десятые и сотые доли мрад/год. Исключение составляет семейство радионуклидов ²²²Rn – ²¹⁴Po, поступающих в легкие ингаляционным путем и обуславливающих поглощенную дозу в среднем 40 мрад/год.

Таким образом, природный радиационный фон является одним из экологических факторов для всех живых организмов Земли. Действие его, непрерывно, отличается широкой вариабельностью. Вопрос о полезности или вредности естественного радиационного фона для живых организмов некорректен. В радиобиологической литературе имеются экспериментальные данные положительном действии низких доз радиации на жизнедеятельность ряда живых организмов (увелечение продолжительности жизни, повышение устойчивости к неблагоприятным факторам, повышение урожайности растений и т.д.). На основе таких данных выдвигаются гипотезы о том, что у живых организмов в процессе эволюции выработались механизмы адаптации к сравнительно невысоким дозам облучения. Тем не менее, можно однозначно утверждать, что природный радиационный фон является ответственным за «спонтанное» появление мутаций, в том числе и летальных мутаций, и мутаций, приводящих к появлению злокачественных новообразований.

 

Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Образование радиоактивных продуктов ядерных взрывов. Ядерные взрывы осуществляются в результате двух типов ядерных превращений. Первоначально были созданы атомные бомбы, в которых выделение огромного количества энергии осуществлялось в результате деления природного урана (²³⁵U) или плутония- (²³⁹Pu), полученного в реакторе из урана (²³⁸U). В дальнейшем были созданы так называемые водородные бомбы, в которых в процессе синтеза гелия из водорода и трития, выделяется большое количество энергии. Эта реакция протекает лишь при очень высоких температурах (несколько миллионов градусов). Такие значения температуры достигаются при взрыве урановой и плутонивой атомных бомб. При взрыве водородной бомбы выделяются нейтроны высокой энергии, которые обладают способностью вызывать реакцию деления ядер ²³⁸U. В составе природного урана более 99 % приходится на долю этого изотопа. Поэтому для увеличения мощности взрыва термоядерный заряд помещают в урановую оболочку. В бомбах такого типа, осуществляются три типа ядерных реакций: вначале реакция деления ²³⁵U или ²³⁹Pu, затем реакция синтеза гелия и, наконец, вновь реакция деления урана (²³⁸U). Все эти реакции и ядерных превращений быстротечны, взрыв происходит в течение миллионной доли секунды.

В результате деления ядер урана или плутония образуется большое количество (около 80 типов) так называемых осколков деления. Большинство осколков деления представляют собой радиоактивные изотопы более легких элементов, от ⁷²Zn до ¹⁶¹Тb. Они подвергаются радиоактивному распаду, образуя, в свою очередь, радиоактивные осколки деления ядер. Каждый осколок претерпевает обычно несколько радиоактивных распадов до того, как превратится в стабильный нуклид. Ниже приведен один из подобных примеров радиоактивного распада осколка (в скобках даны периоды полураспада):

⁹⁰Br (16 с) ® ⁹⁰Kr (33 с)-® ⁹⁰Rb (4 мин)- ® ⁹⁰Sr (28 лет) ® ⁹⁰It (64,2 ч)-® ⁹⁰Ce (стабильный изотоп).

Каждый из осколков деления тя­желых ядер характеризуется различной активностью, период полураспада каждого нуклида может колебаться от нескольких секунд до десятков лет. Смесь продуктов деления на каждый момент вре­мени имеет сложный состав. Однако, как показали ис­следования, суммарная радиоактивность осколков де­ления снижается с течением времени с определенной закономерностью, которая описывается соотношением:

А₂ = А₁ t^-1,2

где А₂ , А₁— активность смеси осколков деления соответственнов моменты времени t₂ и t₁. t— время деления (t₂ - t₁).

Из закона радиоактивного распада (в случае распада смеси множества радионуклидов – активных осколков деления) выведено следующее правило: каждое десяти­кратное снижение активности осколков деления и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увели­чения их возраста в 7 раз.

Данные о динамике суммарной активности осколков де­ления после ядерного взрыва приведены в таблице 4. Как видно, через сутки после взрыва остаточная активность радионуклидов составляет около 0,02 %, через 10 суток – около 0,001 % от исходной радиоактивности.

Мощность ядерного взрыва обычно сравнивается с энергией, выделяемой при взрыве тротила: 1 килотонна = 10³ т тротила, 1 мегатонна = 10⁶ т тротила. На каждую килотонну мощности взрыва образуется примерно 37 г высокоактивных осколков, через 1 мин после ядерного взрыва их активность по g-излучению эквивалентна активности 30 000 т радия. Однако, про­дукты деления при ядерном взрыве, главным образом, представлены быст­ро распадающимися радионуклидами. Поэтому активность ос­колков в течение суток после взрыва снижается более чем в 3000 раз. Долговременное радиоактивное заражение местности после ядерного взрыва обуславливается активностью следующих долгоживущих продуктов деления (в скобках указаны периоды полураспада): ⁸⁹Sr (50,5 сут), ¹⁰³Ru (39,8 сут), ¹³¹I (8,05 сут), ¹⁴¹Ce (31,1 сут), ⁹⁵Zr (65 сут), ¹⁰⁶Ru (365 сут), ¹⁴⁰Ba (12,8 сут), ¹⁴⁴Ce (285 сут), ⁸⁵Kr (10,7 лет), ¹³⁷Cs (30 лет), ⁹⁰Sr (28 лет).

 

 

Таблица 4

Суммарная относительная активностьосколков деления в зависмости от времени после ядерного взрыва (в условных единицах)

 

Время после взрыва, ч	Относитель­ная актив­ность	Время после взрыва, ч	Относитель­ная актив­ность
1,5
			7,3
			4,3
			1,7
			0,75
			0,46
			0,33
			0,25

 

 

В состав продуктов ядерных взрывов, помимо ос­колков деления тяжелых элементов, входит и часть ядерного горюче­го (²³⁹Рu или ²³⁵U) атомной бомбы, не успевшего про­реагировать во время взрыва. Считается, что во время взрыва, в реакции деления участвуют только 20-30 % ядер тяжелых элементов. После взрыва атомной бомбы мощностью 20 килотонн в окружающую среду выбрасывается около 2,7×10³ Ки ²³⁹Рu. Кроме того, в составе продуктов ядерного взрыва в заметных количествах (особенно в первые дни после взрыва) находятся продукты нейтронной активации. При ядерном взрыве в расчете на 1 килотонну мощно­сти взрыва образуется 2,25×10²³ нейтронов, которые, взаимодействуя с конструктивными материалами бом­бы и ядрами элементов почвы, воды и воздуха, пре­вращают стабильные элементы в радионуклиды. При наземном взрыве бомбы мощностью 1 мегатонна через сутки радиоактивность осколков деления составляет 4×10⁹ Ки, продуктов нейтронной активации - 1×10⁸ Ки. С радиологической точки зрения, из всех радионукли­дов, являющихся продуктами нейтронной активации, наиболее важными являются ³Н, ¹⁴С, ⁵⁴Мn и ⁵⁶Fe.

Определенный вклад в загрязнение окружающей сре­ды радионуклидами внесли так называемые мирные ядерные взрывы, т. е. взрывы, которые производились для использования результатов в различных отраслях промышленности (сооружение каналов, соз­дание подземных полостей для хранения нефти, газа, различного рода отходов и т. д.). Ядерные устройства, использовавшиеся для этого, основывались на приме­нении такого же ядерного топлива, что и в военной технологии. В результате мир­ных ядерных взрывов образовывались те же радионук­лиды, что и при взрывах атомных и термоядерных бомб, но они поступали в окружающую среду в зна­чительно меньших количествах. К счастью, мирные ядерные взрывы на нашей планете прово­дились в ограниченных масштабах, и поэтому их вклад в загрязнение биосферы радионук­лидами значительно меньше, чем от взрывов военного назначения.

Далее рассмотрим более подробно процессы, происходящие при ядерном взрыве и их последствия.

Локальные и глобальные выпадения продуктов ядер­ных взрывов. Наиболее опасными для загрязнения биосферы продуктами ядерных взрывов являются наземные взрывы ядерных бомб. При наземном взрыве образуется гигантский огненный шар, и огромные массы грунта с поверхности Земли вовлекаются в этот шар. Так, при наземном ядерном взрыве мощностью 20 килотонн, образуется воронка диаметром 80 м и глубиной около 20 м. В радиоактивное облако вовлекается много пыли с окружающей терри­тории вследствие сильных потоков воздуха от перифе­рии к эпицентру взрыва. Выброс грунта при наземном взрыве составляет примерно 5000 т на 1 килотонну мощности. Высота подъема огненного шара и размеры образу­ющегося грибовидного облака определяются в основ­ном мощностью взрыва и метеорологическими условия­ми. При мощности взрыва 100 килотонн вы­сота подъема облака составляет примерно 10—12 км, при более мощных взрывах (1 мегатонна) облако поднимается до 15—17 км. По мере подъема происходит охлаждение огненного шара, он принимает форму гриба, ножка которого состоит из крупных ча­стиц земли, а шляпка представляет собой расширенное облако из пылевидных частиц и аэрозолей. При охлаждении шара происходит конденса­ция и выпадение радиоактивных частиц и аэрозолей.

Выпадение радиоактивных продуктов ядерного взры­ва начинается уже вскоре после взрыва. В непосредст­венной близости от эпицентра выпадают довольно круп­ные частицы диаметром около 1 см. Более мелкие ча­стицы оседают на поверхность земли в более отдален­ных местах на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра. Это так называемые локальные, или, как их еще называют, местные, выпадения, которые формируют след радиоактивного облака в те­чение ближайших 10—20 ч после взрыва. Часть продуктов ядерного взрыва находится в мел­ких частицах (5 мк и менее), которые оказываются в верхних слоях тропосферы. Тропосферные воздушные мас­сы переносят их на многие тысячи километров от ме­ста взрыва, обширная территория загрязняется пре­имущественно в зоне той широты, на которой произ­водился ядерный взрыв. Выпадение так называемых тропосферных осадков происходит медленно, скорость убывания радиоактивных частиц из тропосферы харак­теризуется периодом полуочищения, составляющим при­близительно 20 суток. Выпадение радио­активных осадков из тропосферы происходит, в основном, в течение двух месяцев после взрыва. Боль­шая часть короткоживущих радионуклидов распадает­ся во время пребывания их в тропосфере, в связи с чем, вклад тропосферных осадков в общий уровень радиации на поверхности Земли, относительно невелик.

При ядерных взрывах большой мощности (1 мега­тонна и более) и взрывах ядерных боеприпасов на больших высотах определенное количество радиоактив­ных частиц попадает в стратосферу (слой атмосферы, расположенный над тропосферой). Аэрозольные частицы, инжектированные в стратосфе­ру, в последующем переносятся в тропосферу, из нее они удаляются вместе с осадками или в сухом виде. Выпадения носят глобальный характер, и ос­новная часть радионуклидов выпадает в том полуша­рии, где произведен ядерный взрыв. Загрязнение тер­ритории радионуклидами из стратосферного резервуара определяют как загрязнение за счет глобальных выпа­дений. Выпадение радионуклидов из стратосферы про­исходит медленно: время пребывания их на высоте 15—25 км варьирует в пределах от 0,3 до 2 лет и за­висит от высоты и широты. В связи с большой дли­тельностью пребывания радионуклидов в стратосфере короткоживущие и среднеживущие нуклиды полностью распа­даются и основное радиологическое значение приобре­тают долгоживущие радионуклиды - ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, кото­рые в литературе именуются как «глобальные».

Дозы ионизирующих излучений от радиоактивных продуктов ядерных взрывов. В зоне следа радиоактив­ного облака растения и животные подвергаются воз­действию, прежде всего внешнего ионизирующего излу­чения. Оно исходит от радионуклидов, выпавших на землю, а также осевших на растения или кожу живот­ных. Основной вклад в поглощенную дозу вносят γ- лучение и β-излучение. Величина поглощенной дозы (Р) определяется, прежде всего, мощностью дозы излучения. В свою очередь, мощ­ность дозы γ -излучения зависит от плотности загряз­нения (А) местности продуктами ядерного взрыва. Расчет мощности экспрозиционной дозы проводят по этой формуле

Р = 0,1 А

При известной плотности загрязнения местности γ -излучающими продуктами ядерного взрыва погло­щенную дозу можно рассчитать с помощью коэффици­ентов (табл. 5). Для перехода от поглощенных доз в воздухе, к дозам, поглощенным организмом, необходи­мо приведенные в таблице 5 данные умножить на 0,32. Этот коэффициент учитывает различия в поглощении ионизирующих излучений воздухом и тканями, рассеивание излучений и защиту от них другими тканями организма (поправ­ка—0,8). а также снижение мощности поглощенной дозы за счет экранирующего, защитного влияния зда­ния (поправка—0,4; общий коэффициент поправки 0,8). Следовательно, если известно, что плот­ность загрязнения территории ¹³⁷Cs составляет 1 Kи/км², то годовая поглощенная доза внешнего γ -излучения от ¹³⁷Cs будет равна 1000 · 0,033 · 0,32=10,6 мрад.

Величина экспозиционной дозы ионизирующих излучений на следе радиоак­тивного облака формируется за счет ло­кальных выпадений продуктов ядерного взрыва. Как правило, эта величина постепенно понижается от эпицентра ядерного взрыва к периферии следа радио­активного облака. Для характеристики зоны радиоак­тивного следа обычно используется такое понятие, как суммарная доза γ -излучения за время от момента вы­падения продуктов ядерного взрыва до полного их рас­пада (D_∞). Ее рассчитывают по следующей формуле:

D_{∞ =}= 5Р₀ =5Р_в t_в^1,2 (P ) выправить

где Р₀ и Рв — мощности доз излучения соответственно через 1 ч после ядерного взрыва и в момент выпадения в конкретной зоне следа, Р/ч; tв — возраст осколков после взрыва, ч.

Подсчитано, что основную часть суммарной поглощенной дозы, растения и животные в зоне следа радиоактивного облака получают в первые 4 сутки после взрыва. Дозы облучения различных органов и тканей в организме человека, от инкорпорированных, т. е. задержанных в них продук­тов ядерного взрыва (внутреннее облучение), могут варьировать в широких пределах. Одни радионук­лиды (¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, ¹⁴¹Се, ¹⁴⁴Се, ²³⁹Рu) поступают в организм ингаляционным путем, для других радиологически значимых падионуклидов (³Н, ¹⁴C, ⁵⁵Fe, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I) основным путем поступления является алиментарпый (пищевой) путь. Основная часть поглощенной дозы от внешнего облучения фор­мируется в первые несколько дней после образования радиоактивного следа и затем снижается. Напротив, погло­щенная доза внутреннего облучения постоянно повышается, за счет радиоактивного распада инкорпорированных и постоянно поступающих средне-и долгоживущих нуклидов. Особое значение в инкорпорированном облучении имеют нуклиды, способные накапливаться в органах и тканях. Навпример, основная доля поглощенной дозы в щитовидной железе формирует радиоактивный йод (¹³¹I), который накапливается в этом органе.

Наибольший вклад в повышение радиационного фона Земли внесли радиоактивные осадки при испытаниях ядерного оружия в 1945—1962 гг. После заключения Московского договора о запрещении испытаний атом­ного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963 г), существенного добавления продуктов ядер­ного взрыва в биосферу не происходило. В настоящее время проводят только подземные ядерные взрывы небольшой мощности (Франция, Китай), и поэтому образование продуктов ядерного взрыва и их попадание в атмосферу относи­тельно невелико.