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” принесло людству незаперечні переваги: відкрило шлях до одержання практично невичерпної енергії; привело до створення численних нових промислових і сільськогосподарських технологій; збагатило 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 їх біологічна дія

Види іонізуючих випромінювань та їх властивості. Іонізуючими називаються випромінювання, здатні приводити до утворення в середовищі їх поширення позитивних і негативних іонів. До іонізуючого випромінювання відносять рентгенівське й електромагнітне випромінювання, а також потоки заряджених і нейтральних часток, що мають енергії, достатні для іонізації.

Найважливішими властивостями різних видів ІВ є їх 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, її енергетичного спектра і матеріалу середовища.

Елементарні акти взаємодії іонізуючих часток з речовиною середовища відбуваються під дією кулонівських, електромагнітних і ядерних сил. Розглянемо особливості взаємодії з речовиною деяких видів випромінювань. Заряджені частки (α–ядра гелію, β–електрони 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 α–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 листом паперу). Проникна здатність β–часток у сотні разів вища, а іонізуюча здатність у сотні разів нижча, ніж у α–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 та ін.) здатні до мимовільного перетворення (розпаду), що приводить 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 = d N / d t . (3.82)

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

Кожен радіонуклід характеризується своїм періодом напіврозпаду Т(1/2), тобто часом, протягом якого число ядер радіонукліда в результаті 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 – D. Це відношення середньої енергії dW, переданої іонізуючим випроміню- ванням речовині в елементарному об’ємі, до маси d m речовини в цьому об’ємі:

D = dW / d m. (3.83)

Одиниця поглиненої дози D в системі 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 Х, що являє собою відношення сумарного заряду dQ усіх іонів одного знака, створених в елементарному об’ємі повітря, до маси цього повітря dm_п:

Х = dQ / d m_п . (3.84)

Одиниця експозиційної дози Х в СІ – це кулон на кілограм (Кл/кг). На практиці використовується позасистемна одиниця – рентген: 1 Р = 2,58∙10^-4 Кл/кг.

Значенню 1 Р експозиційної дози відповідає поглинена біотканиною доза 0,95 рад, тому з похибкою до 5 % ці величини для біотканини 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 вводиться коефіцієнт якості випромінювання К та еквівалентна доза – Н, яка визначається як множення поглиненої дози D та середнього коефіцієнта якості випромінювання К в даному об’ємі біотканини:

Н = К D. (3.85)

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

Інтенсивність ІВ вимірюється одиницями потужності дози Р. У системі СІ одиниця потужності поглиненої дози Р – грей у секунду (Гр/с); потужності еквівалентної дози Р_екв – зіверт у секунду (Зв/с); потужності експозиційної дози Р_експ – ампер на кілограм (А/кг). Частіше використовуються позасистемні одиниці Р: рад у секунду, рад у годину, бер у секунду, бер у годину, рентген у секунду, рентген у годину і дольні з приставками мілі-, мікро -.

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 А_S (Бк/м², Ки/км² та інші). 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 питомою активністю А_m (Бк/кг, Ки/кг і т.д.) чи об'ємною активністю А_V (Бк/м³, Бк/л, Ки/м³_,Ки/л). Ступінь радіоактивного забруднення характеризується також густиною потоку часток, випромінюваних забрудненою поверхнею, Ф_{α(β,γ) ,} ( ).

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 0,001 ^оС, тобто для людини менше ніж від склянки гарячого чаю. Таким чином, ефект біологічного впливу ІВ обумовлений 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 відносне число 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. мutatio – зміна).

Клітина з порушеною структурою ДНК змінює свої властивості, що сприяє появі нових життєвих форм – мутагенних особней. 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 міліарднорічної еволюції, однією з рушійних сил якої був і залишається природний радіаційний фон. Однак чим вища і складніша організація живих істот, тим більшою є імовірність шкідливих мутацій і меншою імовірність 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. Найстійкішими є мікроорганізми. Для них напівлетальна доза Д 50 (доза, при якій гине половина організмів даного виду) становить сотні–тисячі грей, для безхребетних – майже на порядок нижче, для хребетних – десятки грей. Найбільш чуттєві до ІВ – ссавці, для яких напівлетальна доза становить 2,5...10 Гр, для людини – десь 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 у добу) чи тривалого опромінення окремих органів. При цьому характерні хвилеподібні зміни показників систем крові, послаблення імунітету, порушення серцево-судинної й ендокринної системи, що може привести 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 відносяться лейкози, злоякісні пухлини, катаракти хрусталика, 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 α–випромінювання, що мають велику іонізуючу здатність, а при зовнішньому – фотонне і нейтронне, яким властива висока проникаюча здатність.