4. Принцип расчета доз при внутреннем (инкорпированном) облучении

При работе с открытыми источниками ионизирующих излучений радиоактивные вещества могут вследствие нарушения техники безопасности или при аварии попасть в организм через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, поры кожи и открытые повреждения. Иногда радиоактивные вещества вводят в организм с диагностической, терапевтической или экспериментальной целью. Во всех случаях попадания радиоактивных веществ в организм создается опасность лучевого поражения. Определить дозу, полученную в результате внутреннего облучения, трудно и особенно тогда, когда неизвестно количество радиоактивного вещества, поступившего в организм.

Следует отметить, что при одних и тех же количествах радиоактивного вещества внутреннее облучение во много раз опаснее внешнего. Это связано с рядом особенностей:

-резко возрастает время облучения, так как попавшие внутрь организма радиоактивные вещества вступают в химическую связь с различными элементами живой ткани и медленно выводятся из нее;

-расстояние от источника облучения до облучаемой ткани сокращается практически до нуля, а телесный угол, при котором излучение воздействует на организм, достигает 4 л-;

-внешнее облучение воздействует на все ткани практически в равной степени, тогда как радиоактивные вещества отлагаются внутри организма неравномерно и могут концентрироваться вблизи особо чувствительных к излучению и важных в жизнедеятельности органов или непосредственно в них (критические органы);

-наибольшая опасность внутреннего облучения связана еще и с тем, что в числе поражающих факторов при внутреннем облучении необходимо учитывать линейную плотность ионизации, характеризуемую коэффициентом относительной биологической эффективностью (ОБЭ). Особенно это относится к альфа-излучению.

Содержание радиоактивных веществ в организме со временем уменьшается в результате двух одновременно протекающих процессов: физического распада и биологического выведения их из организма. Следовательно, эффективная постоянная выведения Л ^ будет складываться из постоянной

физического распада Л. и постоянной биологического выведения Х_Гта,:

А-эфф ⁼ Лфи, + •

Скорость биологического выведения больше у тех радиоактивных веществ, которые имеют меньшее «сродство» с элементами живой ткани. Радиоактивные вещества, вступающие в обмен веществ и прочные биологические соединения, удерживаются в организме длительное время.

Дозу при внутреннем облучении можно подсчитать, если известны радиоактивный изотоп, закон распределения его в организме и

продолжительность облучения. Со временем концентрация радиоактивного изотопа в тканях организма будет уменьшаться по экспоненциальной зависимости:

С, = С₀е^,

где С₀ — исходная концентрация радиоактивного изотопа, мКи/г; С, — концентрация радиоактивного изотопа, оставшаяся по прошествии времени t, мКи/г; е — основание натуральных логарифмов; — эффективная постоянная выведения; I — время, прошедшее от начального момента (/=0) до данного.

Мощность дозы при однократном поступлении радиоактивного вещества пропорциональна концентрации и, следовательно, также будет убывать по экспоненте.

Полная поглощенная доза D (рад), накапливающаяся от начального момента времени t = 0 до полного распада изотопа, в каком-либо органе с распределенным в нем гамма-излучателем может быть рассчитана по формуле

D„=0,032X:,C_oW7^, где 0,032 — постоянный расчетный коэффициент поглощенных доз; К_г — постоянная гамма-изотопа; С„ — начальная концентрация изотопа в ткани, мКи/г; р — плотность ткани, г/см³; q — геометрический фактор, зависящий от формы и размера объекта; Т₃фф — эффективный период полувыведения изотопа из организма (или из органа при расчете поглощенной дозы в органе).

Оценка геометрического фактора сложна. В справочниках даются ориентировочные значения q для различных точек тела разной формы (шар, цилиндр и т. д.).

Поглощенную дозу D_?()) (рад) в любой момент времени после поступления радиоизотопа в организм вычисляют по формуле

0.693/

D_nn = 0№K_rC_QpqT^(\-_e ^Т~ ), где С/, — начальная концентрация радиоизотопа, мКи/г; I —время в днях. Поглощенную дозу D_/((„ (рад) для короткоживущего бета-излучающего изотопа, распадающегося практически полностью в течение первых суток (или одной недели) после поступления его в биологическую ткань, рассчитывают по формуле

^/1(0 ⁼ 73,8С₀ ,

где 73,8 — постоянный расчетный коэффициент поглощенных доз, если концентрация изотопа С выражена в мКи/г, а Т^ф в сутках; £_/( средняя энергия бета-частиц, МэВ.

Поглощенную дозу D_/Illt (рад) в любой момент времени вычисляют по формуле

0.693/

D/и» ⁼ 73,8С₀£^7'_|^(1-е ^г~ ), где t—время облучения, сут.

Альфа-излучающие вещества при попадании внутрь организма оказывают более выраженное биологическое действие, чем гамма- и бета-излучающие вещества при равной концентрации на 1 г ткани. Это обусловлено высокой плотностью ионизации среды вдоль пути альфа-частицы. Отношение ОБЭ альфа- излучения к ОБЭ гамма- и бета-излучений равно 10.

Поглощенную дозу от альфа-излучения за время /, когда заметно снижается концентрация радиоизотопа вследствие физических и биологических процессов, рассчитывают по формуле, аналогичной расчету поглощенной дозы от бета-излучения, но с введением в нее коэффициента ОБЭ:

0.693/

D_alD = 73,ВС₀Е_а(ОБЭ)Т_нМ>(\-е ⁷«* ), где Е_а —средняя энергия альфа-частиц.

Если в объекте облучения одновременно находятся альфа-, бета-и гамма- излучающие изотопы, то отдельно рассчитывают дозы от каждого вида излучения, а полученные величины складывают.

2. ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ

   1. Некорневое поступление радионуклидов в сельскохозяйственные культуры и передача их по трофическим цепям

Радиоактивные вещества, попадая из атмосферы на земную поверхность, могут непосредственно поступать в растения, оседая на их надземных частях. Одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития.

Задержка растениями радиоактивных веществ, выпадающих из атмосферы, зависит от физических свойств выпадений (частицы, пары, роса, дождь или туман), дисперсности выпавшего материала и скорости роста растений.

Загрязнение рек, озер и других водоемов происходит в результате оседания радионуклидов на их поверхности и путем смыва их дождевыми осадками, паводковыми и другими водами.

Естественный травостой удерживает 30 - 40 % выпавшего количества гамма-излучающих нуклидов и около 30 % ^l37Cs. Сеяные многолетние травы удерживают соответственно 20 - 40 и 7 - 15 %. На пашне сразу после выпадения более 97 % радиоактивных веществ сосредоточивается в верхнем

двухсантиметровом слое. В дальнейшем происходит постепенная миграция радионуклидов в глубь почвы.

У травянистых видов идет значительное накопление изотопов цезия и стронция. Как показали наблюдения, растения естественных кормовых угодий всегда характеризуются более высокой удельной радиоактивностью, чем сеяные травы и различные сельскохозяйственные культуры. Объясняется это тем, что радионуклиды в почвах естественных кормовых угодий сосредоточены в основном в слое 0-5 см, создавая там высокую концентрацию радиоактивных изотопов в единице объема почвы. При перепашке почвы концентрация радионуклидов снижается, и создаются условия для их меньшей усвояемости растениями. Это подсказывает путь улучшения естественных кормовых угодий в условиях радиационного загрязнения.

Высокой подвижностью в растениях обладают радионуклиды Cs, 1 и Th, низкой — радионуклиды Sr, Се и Ва. Через листья в растения проникает от 20 до 60 % поверхностно нанесенного раствора ¹ Cs, a Sr — всего лишь сотые доли процента (Р. М. Алексахин и др.).

Большое значение в накоплении растениями радионуклидов имеет фаза вегетации. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в значительно больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие. В среднем период времени, в течение которого содержание ⁹⁰Sr пастбищной растительности снижается вдвое, составляет 14 сут. Сведения о скорости полуочищения поверхностно загрязненных кормовых растений от радионуклидов имеют важное прикладное значение для составления прогноза вероятного уровня радиоактивного загрязнения растений и принятия обоснованных мер снижения поступления радионуклидов в кормовые культуры.

Сведения о количестве и длительности пребывания радионуклидов на стеблях имеют важное значение для определения рациональных сроков _и технологии уборки урожая.

Радиоактивные вещества, выпавшие на поверхность почвы из атмосферы и осевшие с поверхности растений, могут служить существенным источником повторного механического их загрязнения уже после прекращения выпадения радиоактивных осадков. Загрязнение растений радиоактивной пылью происходит при поднятии ее с поверхности земли ветром, пасущимися животными, при разбрызгивании каплями дождя и обработке или уборке урожая сельскохозяйственными машинами.

При некорневом радионуклидном загрязнении растительности переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как правило, выше, чем при корневом поступлении.

Накопление радионуклидов сильно зависит от типа почв: хуже они всасываются из сероземов и черноземов, а лучше всего из торфоболотных и легких почв (песчаные и подзолистые), красноземы и лугово-карбонатные почвы занимают промежуточное положение. При некорневом пути поступления более подвижным является ^{1 7}Cs. Поступление °Sr и других радионуклидов происходит при этом в десятки ^эаз медленнее. При корневом поступлении наиболее подвижным является Sr. ^l37Cs сильнее сорбируется почвой и поэтому в относительно меньших количествах переходит из почвы в растения.

По корневому пути из почвы во все последующие годы после выпадения радионуклидов происходит загрязнение грибов, ягод, дикорастущих плодов, лекарственных и кормовых растении.

По способности к накоплению растениями радионуклиды образуют ряд^-

⁶⁵Zn> ^Sr, ^l37Cs, ⁵⁹Fe > ^l44Ce, ^,06Ru, ⁹⁵Zr > ²³⁹Pu, ^l47Pm, ⁹¹Y, ²³⁵U.

Большинство искусственных радионуклидов прочно сорбируются почвенным поглощающим комплексом и включаются в биологический круговорот в сравнительно небольших количествах. Исключение составляют ⁶⁵Zn, ⁸⁹Sr и Sr, отличающиеся наибольшей подвижностью в системе «почва - растение». Например, коэффициент накопления ⁶⁵Zn при переходе из воды в почву, а затем в траву пастбищ равен 440 (мкКи/г сырого вещества)/ (мкКи/мл воды), а цезия, кобальта и церия - лишь 0,19; 0,07 и 0,03 соответственно. На легких по механическому составу песчаных почвах накопление ^l37Cs растениями в 40 -50 раз больше, чем °Sr. Из растворов поглощение корнями растений радионуклидов происходит в больших количествах, чем из почв.

Переход радионуклидов из почвы в растения во многом определяется их видовыми и сортовыми особенностями (строение корневой системы, характер метаболизма).

Поглощение радионуклидов растениями из почвы зависит также от ее состава. Почвы тяжелого гранулометрического состава отличаются большей поглотительной способностью, чем легкие. Существенное влияние на переход из почвы в растения ^l37Cs оказывает содержание в ней органического вещества. Поступление этого радионуклида в растения из торфянистых почв больше, чем из минеральных, в несколько раз.

Перенос питательных веществ между трофическими уровнями называют пищевой цепью, пищевой сетью. Механизмы, с помощью которых растения и животные получают необходимые для их роста неорганические вещества из почвы, аналогичны тем механизмам, посредством которых радионуклиды поступают в биологические системы. Таким образом, естественные и искусственные радионуклиды стабильных химических элементов также циркулируют в биосфере по характерным биологическим цепям, проникая из внешней среды в организмы, а затем снова возвращаясь во внешнюю среду.

При непрерывных глобальных выпадениях наиболее высокие концентрации радионуклидов обнаруживаются в продукции растениеводства, меньшие - в продукции животноводства. Концентрация ⁴⁰Sr и ¹³ Cs в кормах превосходит концентрацию в молоке соответственно в 100 и 30 раз, в мясе - в 50 и 10 раз. Наибольшей подвижностью в цепи «воздух - растение - животные — продукция животноводства» обладают ^Sr, ¹³¹1 и ^l37Cs, менее подвижны ^l06Ru, Се и изотопы U.

Наиболее короткий путь поступления радиоактивных продуктов деления в организм человека кроме непосредственного попадания из атмосферы - через сельскохозяйственные растения и животных. При этом продукты деления могут попадать в организм человека как непосредственно через растительную пищу, так и через животных, питающихся растениями, содержащими радиоактивные вещества.

Из радиоактивных продуктов деления в первый период наибольшую опасность представляют изотопы йода вследствие наиболее высокого относительного содержания их и значительной биологической токсичности. В последующем основную роль играют ⁹⁰Sr и ^l37Cs из-за их относительно высокой энергии излучения, большого периода полураспада и способности активно включаться в биологический круговорот веществ (почва - растения - животные - человек). Эти изотопы способны надолго задерживаться в организме человека и животных. При поступлении с кормом в организм °Sr его постоянным неизотопным носителем служит кальций, а для ^l37Cs — калий.

В организме животных калий и кальций представлены как макроэлементы.

„ - 90о 137/~. -

При исследовании закономерностей передвижения Ьг и Cs от одного объекта биосферы к другому было замечено, что первый ведет себя сходно с кальцием, второй — с калием. Например, установлено, что при равных условиях в объектах биосферы, загрязненных радионуклидами, максимальная концентрация ⁹⁰Sr всегда обнаруживается в органах (продуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлупа), а максимальная концентрация ¹³ Cs - в объектах, богатых калием (например, мышцы).

Отметим, что многие вопросы закономерностей перехода радионуклидов в звеньях биологических цепей остаются еще слабо изученными.