Иванов В.И (1)

Будучи инкорпорированными в٦ течение некоторого времени в органах и тканях, радионуклиды создают внутреннее облуче٩ ние. Поглощенная доза при внутреннем облучении может быть еопостявлена с биологическими последствиями, и в этом смысле она выступает в качестве меры радиационной опасности тех радиоактивных; веществ, которые, находясь во внешней среде, могут попасть внутрь организма.

Источниками инкорпорированных радионуклидов служат лю­

бые радиоактивные вещества естественного или искусственного

происхождения, которые находятся во внешней среде в жидкой, газообразной или пылеобразной форме и с которыми возможен контакт человека. В каждом из перечисленных первичных (вход­ ных) депо механизм попадания радионуклидов в кровь имеет свои особенности; важными факторами при этом являются хи­

мическая форма радионуклида, его растворимость в жидкой сре­ де входного депо, время нахождения в депо, состояние организма, в частности избыток или недостаток жизненно важного элемен­ та, аналогом которого может служить рассматриваемое радио­ активное вещество, а также функциональное назначение данного

ный и опасный путь поступления радионуклидов внутрь орга­ низма, а наиболее сложной формой радиоактивных веществ, по­ падающих в организм через дыхательную систему, являются радиоактивные аэрозоли, со свойствами которых мы познако­

мимся в следующих параграфах.;

§ 97. ОБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ

Аэрозоли — это газовая среда вместе со взвешенными мель­ чайшими частицами. Аэрозоли могут образовываться в резуль­ тате обработки радиоактивных материалов: растирания, дроб­

ления, кипячения, выпаривания, процессов химической обработки, токарной обработки и т. п. Указанными способами могут обра­ зовываться как радиоактивные, так и нерадиоактивные аэро­ золи. Для радиоактивных аэрозолей характерны еще свои спо­ собы образования.

1. Некоторые радиоактивные элементы в процессе распада

гут осесть на взвешенных в воздухе частицах.

2. Многие радиоактивные элементы, распадаясь, образуют

ряд радиоактивных продуктов. В этом случае в процессе рас­

пада в воздух попадают радиоактивные атомы, которые могут захватиться взвешенными частицами. Хотя подобные атомы от­

летают от материнского вещества в воздухе на расстояние по-

301

случае, если продукты распада основного радиоактивного эле٠

мента нерадиоактивны. Причиной этого является то, что нера­ диоактивные атомы продуктов распада, улетая от материнского вещества, могут увлечь за собой частицы радиоактивного эле­

мента, которые оседают затем на взвешенных в воздухе пы­ линках.

Источниками радиоактивных аэрозолей служат ядерные ре­ акторы и ускорители. Аэрозоли могут образовываться как при аварийных ситуациях, так и в результате активации нейтронами неактивной пыли. Количественно аэрозоли можно характеризо­ вать их концентрацией, понимая под этим или число частиц,

или их массу в единице объема атмосферного воздуха. В со­ ответствии с этим различают счетную и массовую концентрацию. Радиоактивные аэрозоли характеризуются активной концентра­ цией. Под активной концентрацией понимают скорость распада атомов в единице объема или активность единицы объема атмо­ сферного воздуха, выраженную в принятых единицах. Переход от активной объемной концентрации аэрозоля к массовой кон­

центрации в предположении, что аэрозольные частицы состоят только из радиоактивного элемента с относительной атомной массой А и периодом полураспада Ti/2,٠ может быть осуществлен

по формуле

Л1=2,4٠1О-24АГ1/2Ао,

где Т\/2 — период полураспада, с; А٠ — активная концентрация„ Бк/л; М— в г/л.

Зная средний размер аэрозольных частиц и массовую кон­

центрацию М, легко найти число аэрозольных частиц в единице объема.

Устойчивость аэрозолей определяется многими факторами,

и прежде всего размерами аэрозольных частиц. Естественное

разрушение аэрозолей происходит в результате трех основных процессов: седиментации, диффузии и коагуляции. Для жидких

аэрозольных частиц существенно их испарение.

Седиментация — это оседание аэрозольных частиц под дейст­ вием силы тяжести. Законы седиментации различны в зависи­ мости от соотношения между линейными размерами аэрозольных

их движение под действием силы тяжести подчиняется закону Стокса

т١1 — коэффициент внутреннего трения среды; v — скорость движе­ ния частицы под действием силы тяжести. Формулу (97.1) мож-

302

плотность среды (воздуха). Обычно р'^р, поэтому из формул (97.1) и (97.2) получим

Уравнение (97.3) определяет скорость осаждения аэрозольных частиц под действием силы тяжести и справедливо для частиц радиусом от 10* - до 10-3 см.

где В близко к единице и зависит от свойств поверхности частицы. Эта формула пригодна для частиц размером порядка 10-7 см.

Переходная область, в которой г одного порядка с I, COOT-

1 + а آ + ه آ exp( — c.r/l)

где а, ь и с —эмпирические константы.

Таким образом, скорость оседания аэрозольных частиц под действием силы тяжести оказывается различной для частиц разных размеров, в табл. 10 приведены значения скорости седиментации сферических частиц с единичной плотностью в воздухе при обычных условиях; седиментация имеет определяющее влия-

t в результате диффузии определяется соотношением 2د == زكDt,

где D — коэффициент диффузии.

Таблица 10. Скорость седиментации сферических частиц единичной плотности

в воздухе при обычных условиях

303

При неравномерной концентрации аэрозольные частицы будут перемещаться из мест с большей концентрацией в места с мень­ шей концентрацией в соответствии с уравнением

twx—Ddti/dx,

сильно зависит от размеров частиц: он тем больше, чем меньше радиус частицы.

В результате диффузии аэрозольные частицы оседают на

окружающих предметах, а также сталкиваются друг с другом. Взаимные столкновения частиц приводят к их коагуляции. Про­ цесс коагуляции заключается в том, что при столкновении частиц малого диаметра они слипаются между собой, образуя более крупную частицу, которая будет увеличиваться затем в резуль­ тате прилипания к ней новых мелких частиц. Так будет про­ исходить до тех пор, пока частица не увеличится настолько, что

Осядет под действием силы тяжести.

Различают тепловую коагуляцию и коагуляцию под дейст-. Вием внешних сил. Тепловая коагуляция обусловлена столкно­

вением частиц только в результате беспорядочного теплового:

одного столкновения. Если считать, что каждая пара слипшихся частиц осядет под действием силы тяжести, то формулы (97.6)

и (97.7) количественно характеризуют разрушение аэрозолей в результате коагуляции.

Постоянная коагуляции зависит от размеров частиц и опре­ деляется выражением

ko—SnrD/ (1 -|-0,75/в/г),

где 1В — кажущаяся длина свободного пути частицы аэрозоля؛ Коэффициент диффузии D в свою очередь зависит от -разме­ ров частиц, и поэтому зависимость ko от г довольно сложная. Эта зависимость приведена на рис. 82. Характерными явля­ ются максимум постоянной коагуляции для частиц размером порядка 10_6 см и практическая независимость от радиуса для

частиц е г>10٠4 см.

304

Рис. 82. Зависимость коэффициента коагуляции от радиуса частицы г

Рис. 83. Зависимость концентрации аэрозольных частиц По от периода полуразрушения монодисперсного аэрозоля

Из формулы (97.6) следует, что скорость коагуляции быстро’

возрастает с увеличением концентрации частиц.- Кроме того,

золи неодинаково устойчивы при различной концентрации. Независимо^ от начальной концентрации аэрозоля в момент его؟ образованиячерезнесколько минут после образования счетная

концентрация не может быть больше 107 см-3-вследствие коагу٠ ляции: Массовая концентрация не превышает обычно нескольких десятых грамма на 1 см3. Обозначив 71/2 время уменьшения

концентрации в-2 раза, из формулы (97.7) получим

٢ا/2=ا/غ0اأ0٠

Отсюда

называющий влияние размера аэрозольных частиц на связь между их концентрацией и периодом полуразрушения монодисперс-

ного аэрозоля.

Коагуляция приводит к тому, что мак-симальная счетная концентрация, при которой аэрозоль может оставаться устойчивым,

тем ниже, -чем меньше размеры частиц. Следует помнить, однако,

.что это справедливо только для той области размеров частиц, в которой диффузия и коагуляция являются преобладающими процессами по сравн'ению с седиментацией.

Зависимость свойств аэрозолей 'ОТ размеров аэрозольных частиц позволяет следующим образом классифицировать аэрозоли

по их дисперсности.

1. Высокодисперсные аэрозоли؛ размер частиц Г<1О“5 см. Частицы не видны .в о.бычный микроскоп. Преобладает' броунов- ؛ское движение. Седиментация практически не имеет значения.

305

*Таблица 11. приблизительные размеры аэрозольных частиц, образующихся при различных производственных процессах

мощью обычного микроскопа можно определить форму и раз­ меры частиц. Седиментация преобладает над броуновским дви­ жением. Сопротивление движению пропорционально радиусу ча­

стиц г. Постоянная коагуляции не зависит от размера частиц.

Частицы таких размеров легко оседают под действием силы

образующихся от различных источников радиоактивных аэрозо­ лей, по данным Американского национального комитета защиты от излучений.

90 % радиоактивных аэрозолей состоят из частиц с диамет٠ ром меньше 5٠10-5 см. Большая часть из этих 90%؛ приходится на частицы размером меньше 4٠10~6 см при малой концентрации.

Таким образом, практически приходится иметь дело с измере­

нием активной концентрации устойчивых высокодисперсных аэро­ золей.

Аэрозольные частицы, как правило, электрически заряжены. Большей частью они несут положительный заряд. При р-распаде унос заряда электронами приводит к зарядке аэрозольных частиц

положительным электричеством. При а-распаде из аэрозольного вещества выбиваются электроны, суммарный заряд которых может превосходить заряд а-частицы; это также приводит к положитель­ ной зарядке аэрозольных частиц. Определенное значение имеет

зарядка аэрозольных частиц в результате захвата газовых ионов. В атмосфере вследствие космического излучения, излучения земной коры и радиоактивности самой атмосферы в приземном слое воздуха образуется около 10 пар ионов в 1 см3 в 1 с, что соответствует равновесной концентрации примерно 500 пар ионов в 1 см3; это значение может заметно колебаться. Вследствие раз­

ности потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой воз­ никает вертикальный ток порядка 10-16 А/см2, что приводит к не-

306

одинаковой концентрации положительных и ،отрицательных ионов; из-за этого эффекта в приземном слое атмосферы положительных ионов должно быть в 1,2 раза ،больше, чем отрицательных. Однако местные флюктуации газовых ионов в воздухе могут изменить это соотношение в любую сторону.

Теоретический анализ приводит к следующему распределению электрических зарядов аэрозольных частиц размером г^Ю-5 см в результате осаждения на них газовых ионов:

،97■9>

где п٦؛—концентрация аэрозольных частиц с зарядом ٤ элемен­

элементарный заряд. В формуле (97.9) принят одинаковый коэф­

фициент диффузии для положительных и отрицательных ионов. Указанное выше значение равновесной концентрации ионов в

атмосфере соответствует фоновому облучению. При образовании

радиоактивных аэрозолей будет происходить дополнительная иони­ зация воздуха тем большая, чем выше активная концентрация аэрозоля. Так, при а-активности аэрозоля 5٠102 Бк/л равновесная концентрация ионов будет порядка 105 см٩ Скорость зарядки

аэрозоля зависит от концентрации ионов, которая в свою очередь определяется скоростью образования ионов ،7 и концентрацией аэрозольных частиц п. Действительно, если скорость образования ионов велика, а концентрация аэрозольных частиц мала, то ионы будут исчезать преимущественно вследствие их рекомбинации. Равновесная концентрация ионов определится выражением

»٠ = ٢٠

где а — коэффициент рекомбинации.

При большой концентрации аэрозоля существенное значение имеет исчезновение ионов вследствие захвата их аэрозольными частицами. При большой концентрации взвешенных частиц и ма­ лой скорости образования ионов этот процесс может быть преоб­

ладающим. В этом случае

п^=д/ЗпгОп.

Время, необходимое для зарядки аэрозоля до равновесного со­ стояния, обратно пропорционально концентрации ионов. Оно мо­

жет изменяться в широких пределах. Наличие неактивной пыли в воздухе увеличивает время зарядки, так как уменьшается равно­

весная концентрация ионов из-за диффузии к пылинкам. При по­ вышении активной концентрации аэрозоля действуют два проти­ воположных фактора: возрастает число центров захвата ионов, что приводит к уменьшению их концентрации, и возрастает ско­ рость образования ионов (вследствие радиоактивности), что уве­ личивает их концентрацию. Количественные оценки приводят к следующим результатам. При скорости образования ионов ،7=

307

?=10' СМ-З-С время зарядки исчисляется десятками минут, если

пренебречь уменьшением,концентрации ионов 'в результате захвата. 'При.том же значении, ц и счетной концентрации, аэрозоля

„10؟ см-3 с размерами ча.стиц г=1О-5 см время' зарядки составляет более 8 ч. при ،7=105 см-3.с-؛ ,(интенсивная ионизация) вре-

мя зарядки исчисляется секундами.

Заряд аэрозолей может также возникать в результате трения при прокачке их через фильтр.

§ 98. ٥С٥БЕНН٥СТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО, ДЕЙСТВИЯ РАДИОАКТИВНЫХ -АЭРОЗОЛЕЙ

Радиоактивные аэрО'ЗОли представляю'т серьезную -биологичес- кую опасность, ,которая обусловлена попа-данием их внутрь орта- низ-ма. Внешнее облучение .по сравнению' с вну-тренним, иг'рает.

незначительную роль. 'Основной путь попадания аэрозолей внутрь

организма —через дыхательные органы, которые. О'бладают. хоро'- шей адсорбирующей С'пособностью 'ПО отношению к взвешенным частицам.'В процессе дыхания аэрозольные частицы вместе с воздухом,через трахею и бронхи могут попасть в альвеолярные ткани, а оттуда в лимфатическую систему ,или кровь. Осаждение аэрозолей в различных участках дыхательной систеиы зависит

прежде всего от размеров аэрозольных частиц. Механизм осаждеНИЯ определяется такими физическими явлениями, как движение по инерции, оседание под действием силы тяжести, броуновское

движение, пристеночный эффект.

Инерционное осаждение характерно для сравнительно крупных частиц пыли (свы'ше 5-10-٠ см) и способствует их .задержке в местах изменения направления движения вдыхаемого,воздуха. Под действием силы тяжести ,осаждение -пр-оисходит в глубоких отделах легких, где скорость воздуха мала: чем меньше размеры частиц, тем в более далеких областях они осаждаются. Эти два процес-са вызывают задержку -частиц крупнее 510 см уже в верхних отделах дыхательных путей. На эффективность инерционного осаждения и оседания влияют не только размеры, но и плотность аэрозольных частиц; эффект определяется произведением эффективной пл-отности на квадрат эффективн-ого ра-змера.

Броуновское движение приводит -к осаждению в альвеолах частиц размером менее 5-10-5 см; плотность частиц не имеет значения. Пристеночный эффект играет роль тог^а, когда размеры частиц сравнимы с ؛просветом дыхательных путей.

Хорошая поглощающая способность органов дыхания обуслов-

лена большой площадью их поверхности: площадь дыхательной

поверхности легких 50—55 м2, площадь поверхности верхней части дыхательных путей около 20 м2.

Вопрос о рас-пределении осажденных частиц по участках дыхательных органов нельзя считать полностью решенным, в силу защитных свойств организма часть аэрозольных 'Частиц, попавших

в дыхательную систему, возвращается обратно. Трахея, бронхи и

308

Рис٠ 84. Зависимость массовой доли от­ ложившихся ,в дыхательных путях аэро­

ным эпителием, реснички кото­ рого перемещают к полости рта твердые частицы. В бронхах та­ кое перемещение происходит со скоростью 3—4 см/мин. Наибо­ лее эффективно удаляются из легких частицы размером более

2٠10٠4 см; можно утверждать, что частицы размером более 5٠10-4 см не достигают альвеол.

Роль мерцательного эпителия становится незначительной для очень

мелких частиц (менее 10~4 см), которые отлагаются преимущест­ венно в альвеолярной ткани.

Полнота осаждения аэрозольных частиц зависит от многих факторов, точный учет которых пока невозможен. К этим факто­ рам относятся концентрация аэрозолей, их физико-химическое состояние, частота и глубина дыхания, размеры частиц, индиви­ дуальные особенности дыхательной системы.

Предполагается, что 75 % всех вдыхаемых частиц задержива­ ется в дыхательных путях. Из них 50 р/0 удаляются мерцательным

аппаратом и после попадания в полость рта заглатываются. Эти данные следует рассматривать как сугубо ориентировочные, ос­

нованные на усредненных данных конкретных исследований с

присущими им специфическими условиями. Влияние размеров частиц иллюстрируется рис. 84. Максимально откладываются час­ тицы размером (2٦-4)٠Ю-4 см, минимально—(0,2٢0,3) ٠ 10٠4 см. Положение минимума зависит от того, осуществляется дыхание через нос или через рот. При дыхании через рот минимум сдви­ гается в сторону больших размеров частиц. Частицы размером более 10_3 см полностью выводятся из дыхательной системы. Для нижних отделов дыхательных путей (кривая 2) практически не имеют значения частицы размером больше 5٠10-4 см. Мелкие

частицы, попавшие в альвеолярную область, могут возвратиться оттуда только с выдыхаемым воздухом. Поэтому степень осажде­

ния таких частиц существенно зависит от режима дыхания: чем больше объем вдыхаемого воздуха и чем дольше воздух остается

в легких, тем больше осаждается частиц в нижних отделах дыха­ тельных путей. В наиболее благоприятном (с точки зрения осаж­ дения) случае, когда все аэрозольные частицы адсорбируются, около 70 % мелких частиц осаждается в нижних отделах дыха­ тельных путей; это приблизительно соответствует доле вдыхаемого воздуха, достигающего глубоких отделов легких.

309

Переход к числу осажденных частиц можно осуществить деле-

нием ординаты кривых на массу одной частицы соответствующего

ра'змера. Что касается доли осажденной активности, то для ее оценки по подобным графикам необходимо знать распределение активности на частицах ؛различного размера.

Радиационная опасность радиоактивных аэрозолей в конечном итоге определяется поглощенной дозой в организме. Критическим органом в этом случае является дыхательная система, и прежде всего легкие, поэтому целью дозиметрии должно быть определение поглощенной дозы радиоактивных аэрозолей в дыхательных

органах человека. На дозу помимо тех факторов, которые оп'ределяют осаждение аэрозольных 'Частиц, влияют скорость биологи-

ческого выведения частиц из легочной ткани, вид и энергия иони-

зирующего излучения, распределение активности по частицам раз-

личного размера и характер распределения осевших аэрозольных частиц по участкам органов дыхания. Все это создает огромные трудности в непосредственном определении поглощенной дозы аэр03'0лей. По этой причине дозиметрия радиоактивных аэрозолей фактически сводится к их ,радиометрии, основная задача кото-

рой —определение активной концентрации аэрозолей в 'Воздухе. Человек в среднем вдыхает и выдыхает 20 000 л воздуха в сутки; в сочетании с высокой биологической ОПЭСН'ОСТЬЮ внутреннего облу'Чвния это 'Обусловливает чрезвычайно малую 'Предельно допустимую концентрацию радиоактивных аэрозолей. Например, предельно допустимая концентрация 239ри в воздухе рабочих ПО" мевдений соответствует массовой концентрации около 3٠ 10~14 г/л,

или -меньше одной частицы с радиусом 10-5 см в 1 л воздуха. Необходимость измерять столь малую активную концентрацию

привела к разработке спос'Обов осаждения аэрозольных частиц. Для этих -целей обычно применяют волокнистые фильтры, электрофильтры и инерционные осадители.

§ »9. ЕСТЕСТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ АЭРОЗОЛИ

Естествен'Ные радиоактивные аэро'золи образуются в результа-

химического элемента Ии с атомным номером 86. Период полураспада 0*2221 ра-вен 3,825 сут, 220'٢0 —54,5 с, 2!9Ап —3,92 с.

Эманация поступает в атмосферу из почвы, горных пород и природных вод; распространяется в атм-осфере вследствие воздушного течения, турбулентного перемешивания воздушных слоев

и диффузии. Концентрация эманации в атмосфер-ном воздухе убы-

вает с высотой в результате ее рас-пада. ؛продолжительность жизни атомов торона и актинона мала, поэтому они обнаруживаются

лишь в -при'земном сл'0е атмосферы. Активная концентрация радо-

310