Глава 10. Биологическое действие излучений

10.1. Возможные последствия облучения

Последствия воздействия облучения на самого облученного называются соматическими (телесными) эффектами. Соматические эффекты облучения подразделяются на стохастические (вероятностные) и нестохастические.

К нестохастическим соматическим эффектам относят поражения, тяжесть которых зависит от дозы облучения и для возникновения которых, существует дозовый порог. К таким эффектам относят, например, локальное - незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракта глаз (потемнение хруста­лика), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стери­лизация) и др. Эти эффекты проявляются, если превышается высокая порого­вая доза.

Биологическое действие ионизирующего излучения условно можно подразделить.

1. На первичные физико-химические процессы, возникающие в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата;

2. На нарушения функций це­лого организма как следствие первичных процессов.

В результате облучения в живой ткани, как и в любой среде, поглощается энергия и возникают возбуждение и ионизация атомов облучаемого вещества. Поскольку у человека (и млекопитающих) основную часть массы тела состав­ляет вода (около 75%), первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении свободных радикалов типа ОН или Н. В присутствии кислорода образуются также свободные радикалы гидропереокиси (НО₂) и гидропереокись водорода (Н₂О₂).

Образовавшиеся свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме, нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем и организма в целом. Это есть косвенное дей­ствие излучения через продукты радиолиза воды.

В дальнейшем под действием первичных процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся уже биологическим законам жизни клеток.

Весовой состав мягкой биологической ткани (мышц) условного человека принимается равным по составу: водород - 10,1 %, углерод - 11,1 %, азот - 2,6 %, кислород - 76,2 %.

Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся тканей и органов (костный мозг, половые железы, селезенка и т, в.). Изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям функций отдельных органов и межорганных взаимосвязанных процессов в организме, которые вызывают различные последствия для организма.

Воздействие ионизирующего излучения на различные материалы определяется количеством поглощенной им энергии – поглощенная доза. За единицу поглощенной дозы принят 1 Грей (Гр), при которой облучаемое вещество массой 1 кг поглотит энергию 1 Дж. Внесистемная единица – 1 рад, равная 0,01 Гр.

Необходимо заметить, что ионизация и непосредственная передача энергии тканям тела не объясняют повреждающего действия излучения. Так, при абсолютно смертельной дозе, равной для человека 6 Гр на все тело, в 1 см³ ткани образуется 10¹⁵ ионов, что составляет одну ионизационную мо­лекулу воды из 10 млн. молекул.

Поражение живой ткани зависит не только от поглощенной дозы, но и от вида излучения. Так, поражающая способность альфа-излучения, нейтронов и протонов в несколько раз больше, чем гамма- и бета излучения. Для оценки этого воздействия введен взвешивающий коэффициент. Значения взвешивающих коэффициентов для излучений, падающих на тело, приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Вид излучения	Взвешивающий коэффициент
Фотоны любых энергий	1
Электроны и мюоны любых энергий	1
Нейтроны: с энергией менее 10 КэВ	5
от 10 кэВ до 100 КэВ	10
от 10о кэВ до 2 МэВ	20
от 2 МэВ до 20 МэВ	10
более 20 МэВ	5
Протоны, кроме протонов отдачи, с энергией более 2 МэВ	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	20

Произведение величины поглощенной дозы на соответствующий взвешивающий коэффициент показывает величину эквивалентной дозы. Она измеряется в Зивертах (Зв) или в бэрах (биологических эквивалентах рада) – внесистемная единица. 1 Зв равен 100 бэр.

Для нормальных условий эксплуатации источников излучения устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

- персонал – лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) устанавливаются три класса нормативов:

- основные пределы доз (ПД), приведены в таблице 10.2;

- допустимые уровни воздействия для одного радионуклида или одного вида внешнего облучения, являющиеся производными от основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА), среднегодовые удельные активности (ДУА) и другие;

- контрольные уровни - дозы, активности, плотности потоков различных видов излучений и др.

Таблица 10.2

Основные пределы доз

Нормируемые величины	Пределы доз
	Персонал (группа А)*	Население
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год
Эквивалентная доза за год в хрусталике глаза**	150 мЗв	15 мЗв
Коже***	500 мЗв	50 мЗв
Кистях и стопах	500 мЗв	50м3в

Примечания: * Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала группы А.

** Относится к дозе на глубине 300 мг/см².

*** Указанным пределом допускается облучение всей кожи человека при условии, что в пределах усредненного облучения любого 1 см² площади кожи этот предел не будет превышен. Предел дозы при облучении кожи лица обеспечивает непревышение предела дозы на хрусталик от бета-частиц.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) - 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) - 70 мЗв.

В стандартных условиях монофакторного поступления радионуклидов годовое поступление радионуклидов через органы дыхания и среднегодовая объемная активность их во вдыхаемом воздухе не должны превышать числовых значений ПГП и ДОА, приведенных в приложениях П-1 и П-2 НРБ-99, где пределы доз взяты равными 20 мЗв в год для персонала и 1 мЗв в год для населения.

Для персонала группы А значения ПГП и ДОА дочерних продуктов изотопов радона (²²²Rn и ²²⁰Rn) - ²¹⁸Ро (RaA); ²¹⁴Pb (RaB); ²¹⁴Bi (RaC); ²¹²Рb (ThB); ²¹²Bi (ThC) в единицах эквивалентной равновесной активности составляют:

ПГП: 0,10 П_RaA + 0.52 П_RaB + 0,38 П_RaC = 3,0 МБк

0,91 П_ThB + 0,09 П_ThC = 0,68 МБк

ДОА: 0,10 А_RaA + 0.52 А_RaB + 0,38 A_RaC = 1200 Бк/м³

0.91 А_ThB + 0.09 А_ThC = 270 Бк/м³,

где П_i, и A_i - годовые поступления и среднегодовые объемные активности в зоне дыхания соответствующих дочерних продуктов изотопов радона.

Естественное облучение зависит от ряда причин: высоты местности, состава почвы и равно 0,001-0,002 Зв/год. В горах облучение увеличивается до 0,004 Зв/год. Из-за повышенного содержания радиоактивных веществ в породах в некоторых районах Бразилии, Индии, Шри-Ланки доза годового облучения достигает величин 0,005 – 0,12 Зв/год.

По многочисленным данным возможны следующие степени поражения людей после воз­действия на них однократных доз излучения.

Радиоактивные эффекты полностью исключаются, если эквивалентная доза не превышает 0,5 Зв в год для всех органов, за исключением хрусталика глаза, для которого предел годовой дозы равен 0,30 Зв. Изменения в составе крови начинаются с 0, 025 Зв. Такое состояние определяется лишь по анализу крови, а продолжительность изменений в крови около одного месяца. При дозе в 0,05 Зв становится заметным ослабление лимфатических желез и снижение иммунитета, а при дозе 0,08 Зв возможна 50% вероятность временного бесплодия у мужчин.

0,80 - 1,20 Зв - 10% пораженных чувствует недомогание и усталость без серьезной потери трудоспособности.

1,30 – 1,70 Зв - 25% пораженных заболевают лучевой болезнью. Через 10 – 14 дней при дозе 1,5 Зв у 50% происходит потеря аппетита.

1,80 – 2,20 Зв - 50% пораженных заболевают лучевой болезнью. При дозе 2 Зв у остальных 50% кроме этого в течение месяца наблюдается недомогание и утомляемость.

2,70 – 3,30 Зв - почти все пораженные заболевают лучевой болезнью; смертность 20%.

4,00 – 5,50 Зв - все пораженные заболевают лучевой болезнью. Смертность, без оказания серьезной медицинской помощи (пересадка костного мозга) выше 50%;

5,50 – 7,50 Зв - смертность почти 100%; небольшое количество людей, оставшихся живых, выздоравливает в течение примерно 6 месяцев. Костный мозг отмирает почти полностью. Без его пересадки выжить практически невозможно.

11 – 50 Зв - 100% смертность в течение одной недели. Такие дозы вызывают немедленное нарушение обмена веществ, понос, кровотечения, потеря жидкости организмом и нарушение электролизного баланса. Пострадавший впадает в кому и лечение его невозможно.

Клинические эффекты возможных последствий облучения людей и значения доз и эффектов показаны в таблице 10.3.

Таблица 10.3.