3.6. Захист від радіоактивних випромінювань

Сьогодні важко знайти галузь народного господарства, де б не використовувалися радіонукліди чи інші джерела іонізуючих випро­мінювань (ІВ). Вступ у «ядерне століття» приніс людству незапереч­ні переваги: відкрив шлях до одержання практично невичерпної енергії; привів до створення численних нових промислових і сіль­ськогосподарських технологій; збагатив науку і практику медицини високоефективними засобами діагностики і лікування. У той же час виникла потенційна небезпека радіаційного ураження людей та ін­ших біологічних об'єктів.

3.6.1. Природа іонізуючих випромінювань та їхня біологічна дія Види іонізуючих випромінювань та їхні властивості

Іонізуючими називаються випромінювання, здатні утворювати в середовищі їхнього поширення позитивні і негативні іони. До іоні­зуючого випромінювання належать рентгенівське й електромагнітне випромінювання, а також потоки заряджених і нейтральних часток, що мають енергії, достатні для іонізації.

Найважливішими властивостями різних видів ІВ є їхня іонізую­ча здатність, тобто здатність створювати деяку кількість пар іонів у середовищі поширення, і проникна здатність, тобто здатність проникати в речовину на певну глибину. Ці властивості визначають ступінь впливу ІВ і способи захисту від них. Проникна й іонізуюча здатності залежать від виду випромінювання, їхніх енергетичних спектрів і матеріалу середовища.

Елементарні акти взаємодії іонізуючих часток із речовиною се­редовища відбуваються під дією кулонівських, електромагнітних і ядерних сил. Розгляньмо особливості взаємодії з речовиною деяких видів випромінювань. Заряджені частки (а-ядра гелію, Р-електро-ни і позитрони, а також протони та ін.) витрачають свою кінетичну енергію малими порціями, в основному при взаємодії з електронами речовини, викликаючи порушення й іонізацію його атомів і молекул. Найбільше високоенергетичні а-частки здатні створити до 300 тис. пар іонів, але проходять лише до 11 см у повітрі і до 150 мкм у воді біологічної тканини (поглинаються аркушем паперу). Проникна здат­ність Р-часток у сотні разів вища, а іонізуюча здатність у сотні разів нижча, ніж у а-часток, які мають еквівалентну енергію. Електромаг­нітне (рентгенівське) випромінювання і потік нейтронів мають дуже велику проникну здатність, оскільки фотони і нейтрони є електрич­но нейтральними й не гальмуються електричним і магнітним поля­ми електронних часток середовища.

Характеристики іонізуючих випромінювань. Одиниці вимірювання

Ядра деяких природних важких елементів (урану, торію, радію таін.) здатні до мимовільного перетворення (розпаду), що призводить до зміни їх атомного номера і масового числа та супроводжується іонізуючими випромінюваннями. Таке явище називається радіоак­тивністю, а ядра атомів, які мають властивості радіоактивності, називаються радіонуклідами.

Кількість розпадів в одиницю часу називається активністю радіо­нукліда (А):

А = йИ/сИ. (3.82)

У системі міжнародних одиниць (СІ) активність вимірюється в бекерелях (Бк): 1 Бк = 1 розп/с. Широко використовується позасис­темна одиниця активності - кюрі (Еи): 1 Еи = 3,7'10¹⁰ Бк. 1 Еи - це активність 1 г радію.

Кожен радіонуклід характеризується своїм періодом напіврозпа­ду Т(1/2), тобто часом, протягом якого кількість ядер радіонукліда внаслідок розпаду зменшується вдвічі.

Радіоактивний розпад не може бути зупинений чи прискорений яким-небудь способом. Крім природних радіонуклідів, на цей час відомо понад 1700 штучних.

Основною фізичною величиною, що визначає ступінь радіаційного впливу, є поглинена доза - Б. Це відношення середньої енергії сІУУ, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об'ємі, до маси сіт речовини в цьому об'ємі:

Т) = сШ/сІт. (3.83)

Одиниця поглиненої дози Б в СІ - грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.Але ви­користовується і позасистемна одиниця - рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Іонізуюча здатність поля фотонного випромінювання визнача­ється відносною густиною створених ним іонів і характеризується експозиційною дозою X, що є відношенням сумарного заряду сІО усіх іонів одного знака, створених в елементарному об'ємі повітря, до маси цього повітря сІт_п:

Х = сІЯ/сІт_п. (3.84)

Одиниця експозиційної дози X в СІ - це кулон на кілограм (Ел/кг). На практиці використовується позасистемна одиниця - рентген: 1Р = 2,58-10⁴ Ел/кг.

Значенню 1 Р експозиційної дози відповідає поглинена біоткани-ною доза 0,95 рад, тому з похибкою до 5% ці величини для біоткани-ни можна вважати збіжними.

Біологічний ефект ІВ при однаковій поглиненій дозі залежить від виду випромінювання та його енергетичного спектра. Для врахуван­ня ступеня радіаційної небезпеки різних видів ІВ уводиться коефіці­єнт якості випромінювання Е та еквівалентна доза - Н, яка визна­чається як множення поглиненої дози Б та середнього коефіцієнта якості випромінювання Е в цьому об'ємі біотканини:

Н = ЕГ>. (3.85)

Одиниця еквівалентної дози Н в СІ - зіверт (Зв). Зіверт - одини­ця еквівалентної дози будь-якого виду випромінювання, що створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в один рентген зразкового рентгенівського випромінювання. Використовується також позасистемна одиниця бер (біологічний еквівалентт рада): 1 бер = 0,01 Зв. При невідомому енергетичному спектрі рекомендуєть­ся брати такі значення К:1 для рентгенівського та Р-випромінювань, 10 - для нейтронів і протонів, 20 - для а-часток.

Інтенсивність ІВ вимірюється одиницями потужності дози Р. УСІ одиниця потужності поглиненої дози Р - грей за секунду (Гр/с); потужності еквівалентної дози Р_екв - зіверт за секунду (Зв/с); по­тужності експозиційної дози Р_ЄК0П - ампер на кілограм (А/кг). Часті­ше використовуються позасистемні одиниці Р: рад за секунду, рад за годину, бер за секунду, бер за годину, рентген за секунду, рентген за годину і дольні з приставками тілі-, тікро-.

Потужність дози ІВ характеризує рівень радіоактивного заражен­ня (забруднення) місцевості, різних поверхонь та об'ємів.

Ступінь радіоактивного забруднення місцевості та поверхні оці­нюється також значенням поверхневої активності А₈ (Бк/м², Ки/км² тощо). В оцінкових розрахунках 1 Ки/км² відповідає потужності екс­позиційної дози приблизно 10 мкР/год, вимірюваній на висоті 1 м від поверхні. Ступінь радіоактивного забруднення води, продовольства, повітря вимірюється питотою активністю А_т (Бк/кг, Ки/кг і т.д.) чи об'єтною активністю А_г (Бк/м³, Бк/л, Ки/м³,Ки/л). Ступінь радіо­активного забруднення характеризується також густиною потоку часток, випромінюваних забрудненою поверхнею,

^Ф°(/ї,7)'

' 1 1 ^л

_чс-м² ссм²

Біологічна дія іонізуючих випромінювань. Відносно невеликі дози енергії ІВ впливають на живі організми. Доза в 10 Гр (10 Дж/кг) смер­тельна для більшості ссавців. Якби така енергія передавалася у фор­мі тепла, температура тіла підвищилася б лише на 0,00ГС, тобто для людини менше ніж від склянки гарячого чаю. Таким чином, ефект біологічного впливу ІВ зумовлений не стільки кількістю поглиненої енергії, скільки специфічною формою її передачі.

Енергія ІВ викликає в біотканині, як і в будь-якій речовині, утво­рення іонів і збуджених молекул. Але це лише перший «акт драми», що розігрується в живій клітині. За ним з'являються етапи хімічного і біологічного ураження клітини. При певній кількості уражених клітин порушується життєдіяльність окремих органів або систем організму в цілому.

У живих клітинах найбільш уразливими є структури клітинного ядра і насамперед молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти), у яких закодована спадкоємна інформація (генетичний код). Ці моле­кули містяться в клітині в єдиному екземплярі. Ступінь ушкодження ДНК і відносна кількість уражених клітин залежать від дози ІВ. При невеликих дозах репаративні системи клітин усувають ушкодження. Зі збільшенням дози ці системи не справляються з ушкодженнями, уражені клітини гинуть або, зберігаючи життєздатність, передають «дочірнім» клітинам змінену спадкоємну інформацію, виникають мутації (від лат. тиїаИо - зміна).

Клітина з порушеною структурою ДНК змінює свої властивості, що сприяє появі нових життєвих форм - мутагенних організмів. Змінені ознаки організму можуть бути для нього корисними чи шкідливи­ми. Подальшу долю мутагенних організмів визначає комплекс умов життя. Природний відбір - найважливіший фактор еволюції кож­ного виду або життя в цілому - визначає напрямок розвитку, усуває маси менш пристосованих носіїв шкідливих мутацій і закріплює ко­рисні мутації, сприяє розмноженню більш пристосованих мутантів.

Є підстави припускати, що вражаюча уяву розмаїтість життєвих форм на Землі - це прямий результат мільярднорічної еволюції, однією з рушійних сил якої був і залишається природний радіацій­ний фон. Однак що вища і складніша організація живих істот, то більшою є ймовірність шкідливих мутацій і меншою корисних. Для людини більшість мутацій виявляється шкідливими і стає причиною спадкоємних хвороб і каліцтв, що можуть виявлятися в потомстві через багато поколінь.

Діапазон стійкості до ІВ у живій природі досить широкий. Най-стійкішими є мікроорганізми. Для них напівлетальна доза Д50 (доза, при якій гине половина організмів цього виду) становить сотні тисяч грей, для безхребетних - майже на порядок нижче, для хре­бетних - десятки грей. Найбільш чутливі до ІВ - ссавці, для яких напівлетальна доза складає 2,5...10 Гр, для людини - 4...4,5 Гр. Радіо­чутливість залежить також від віку, статі, навіть в одному організмі радіочутливість органів і тканин є різною.

При одноразовому рівномірному опроміненні тіла людини дозою 1...10 Зв розвивається гостра променева хвороба (ГПХ). Розрізняють 4 ступені ГПХ: легка - при дозі 1...2 Зв; середня - 2...4 Зв; важка -4...6 Зв; граничною вважається - 6...10 Зв. У протіканні ГПХ виділя­ють період формування і відновлення та період наслідків.

Перший період, у свою чергу, складається з чотирьох фаз: первин­на загальна реакція; прихований перебіг хвороби; виражені клінічні прояви; безпосереднє відновлення.

Хронічна променева хвороба може бути наслідком неповного виду­жання після ГПХ, тривалого загального опромінення дозою невели­кої потужності (0,1...0,5 бер на добу) чи тривалого опромінення окре­мих органів. При цьому характерні хвилеподібні зміни показників систем крові, послаблення імунітету, порушення серцево-судинної й ендокринної системи, що може призвести до виснаження резервних сил організму. При місцевому опроміненні окремих органів і тканин небезпека для організму зменшується зі зменшенням обсягу і зна­чущості уражених органів. Для оцінки ступеня ризику місцевого чи нерівномірного опромінення вводиться поняття ефективної еквіва­лентної дози. Відповідно до рекомендацій МКРЗ прийняті наступні її значення: гонади - 0,25; молочна залоза - 0,15; червоний кістковий мозок і легені - по 0,12; щитовидна залоза і кісткові поверхні -по 0,03; 0,3 припадає на інші органи і тканини.

Одна з характерних рис променевої хвороби полягає в тому, що через тривалий час після, здавалося б, повного видужання (у гризу­нів - через місяць, у людей через - 10-20 і більше років) в організмі можуть виникати хворобливі явища - віддалені наслідки опромінен­ня. До них належать лейкози, злоякісні пухлини, катаракти кришта­лика, неврози, зниження тривалості життя.

Будь-який вид ІВ викликає біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело поза організмом), так і при внутрішньому опроміненні (коли радіаційні речовини (РР) проникають усередину організму). Біологічний ефект залежить від сумарної дози тривалості впливу випромінювання та інших факторів.

При внутрішньому опроміненні найбільш небезпечними є а-ви-промінювання, що мають велику іонізуючу здатність, а при зовніш­ньому - фотонне і нейтронне, яким властива висока проникність.