§ 96. Пути поступления радионуклидов внутрь организма

٦ Инкорпорированными будем называть такие радионуклиды, которые попали внутрь живого организма. Можно указать три главных пути попадания радионуклидов из внешней среды внутрь человеческого организма: через органы пищеварения (перораль­ный путь), через органы дыхания (ингаляционный путь) и че­рез кожу. Органы пищеварения, дыхания и кожа в данном слу­чае выступают не просто в качестве «ворот» и «путепровода» для радионуклидов. В течение некоторого времени они содержат В себе поступившие радионуклиды, и в этом смысле их можно назвать входными депо. Из входных депо часть радионуклидов попадает в кровь и с кровотоком разносится по внутренним органам и тканям, непосредственно не связанным с внешней средой. В результате часть радионуклидов осаждается из крови на внутренние органы и ткани. Их дальнейшая судьба опре­деляется как свойствами самих радионуклидов, так и процес­сами, происходящими в организме. В конечном итоге инкорпо­рированные радионуклиды частично распадаются, частично вы­водятся из организма в результате биологических обменных процессов.

300

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 лю­бые 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 (вход­ных) депо механизм попадания радионуклидов в кровь имеет свои особенности; важными факторами при этом являются хи­мическая форма радионуклида, его растворимость в жидкой сре­де входного депо, время нахождения в депо, состояние организма, в частности избыток или недостаток жизненно важного элемен­та, аналогом которого может служить рассматриваемое радио­активное вещество, а также функциональное назначение данного депо. ٠ ٦ ٦ ٠ . ٠ ٦

Из трех упомянутых путей ингаляционный،—наиболее важ­ный и опасный путь поступления радионуклидов внутрь орга­низма, а наиболее сложной формой радиоактивных веществ, по­падающих в организм через дыхательную систему, являются радиоактивные аэрозоли, со свойствами которых мы познако­мимся в следующих параграфах.;

§ 97. Образование и свойства радиоактивных аэрозолей

Аэрозоли — это газовая среда вместе со взвешенными мель­чайшими частицами. Аэрозоли могут образовываться в резуль­тате обработки радиоактивных материалов: растирания, дроб­ления, кипячения, выпаривания, процессов химической обработки, токарной обработки и т. п. Указанными способами могут обра­зовываться как радиоактивные, так и нерадиоактивные аэро­золи. Для радиоактивных аэрозолей характерны еще свои спо­собы образования.

1. Некоторые радиоактивные элементы в процессе распада образуют радиоактивные газы (радон, торон, актинон), которые поступают в окружающий воздух. Продукты распада этих га٣ зов в результате объемной конденсации могут образовывать твердые частички различной величины. Кроме того, продукты распада радиоактивных газов, образовавшись в атмосфере, мо­гут осесть на взвешенных в воздухе частицах.

2. Многие радиоактивные элементы, распадаясь, образуют ряд радиоактивных продуктов. В этом случае в процессе рас­пада в воздух попадают радиоактивные атомы, которые могут захватиться взвешенными частицами. Хотя подобные атомы от­летают от материнского вещества в воздухе на расстояние по-

301

рядка всего лишь 0,1 мм, в результате диффузии и конвекции они могут быть унесены далеко от места своего образования،

3٠ Радиоактивные аэрозоли могут образовываться также в случае, если продукты распада основного радиоактивного эле٠ мента нерадиоактивны. Причиной этого является то, что нера­диоактивные атомы продуктов распада, улетая от материнского вещества, могут увлечь за собой частицы радиоактивного эле­мента, которые оседают затем на взвешенных в воздухе пы­линках.

Источниками радиоактивных аэрозолей служат ядерные ре­акторы и ускорители. Аэрозоли могут образовываться как при аварийных ситуациях, так и в результате активации нейтронами неактивной пыли. Количественно аэрозоли можно характеризо­вать их концентрацией, понимая под этим или число частиц, или их массу в единице объема атмосферного воздуха. В со­ответствии с этим различают счетную и массовую концентрацию. Радиоактивные аэрозоли характеризуются активной концентра­цией. Под активной концентрацией понимают скорость распада атомов в единице объема или активность единицы объема атмо­сферного воздуха, выраженную в принятых единицах. Переход от активной объемной концентрации аэрозоля к массовой кон­центрации 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 кон­центрацию 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 дейст­вием силы тяжести. Законы седиментации различны в зависи­мости от соотношения между линейными размерами аэрозольных частиц г и средней длиной свободного пути I молекул газа, в котором частицы находятся.

Для сравнительно больших аэрозольных частиц, когда г^>/, их движение под действием силы тяжести подчиняется закону Стокса

F=—6лт١1٨٦ (97.1)

где F — сила сопротивления среды (в нашем случае воздуха); т١1 — коэффициент внутреннего трения среды; v — скорость движе­ния частицы под действием силы тяжести. Формулу (97.1) мож- 302

н٥ использовать применительно к частицам с размерами т> > 10-* см. Для равномерного движения ؛-™ ل=م(р — р'). (97.2) где ج —ускорение силы тяжести; р —плотность частицы; р' — плотность среды (воздуха). Обычно р'^р, поэтому из формул (97.1) и (97.2) получим = (97.3) Уравнение (97.3) определяет скорость осаждения аэрозольных частиц под действием силы тяжести и справедливо для частиц радиусом от 10-* до 10-3 см. Если rd, то вместо формулы (97.1) следует пользоваться выражением 7?==—6nr\ir2v/Bl, (97.4) где В близко к единице и зависит от свойств поверхности части- цы. Эта формула пригодна для частиц размером порядка 10-7 см. Переходная область, в которой г одного порядка с I, COOT- ветствует размерам частиц в пределах 10-7—10-* см. Для этих частиц Ь——-6٠р , (97.5) 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 раз- ных размеров, в табл. 10 приведены значения скорости седи- ментации сферических частиц с единичной плотностью в воздухе при обычных условиях; седиментация имеет определяющее влия- ние на разрушение аэрозолей с крупными частицами (٢> >10-* см). Для частиц с rdO-* см существенную роль играет диф- фузия, а для частиц с г< 10-5 см диффузия является преобла- дающей формой движения. Среднее смещение частиц за время t в результате диффузии определяется соотношением 2كز == د Dt, где D — коэффициент диффузии. Таблица 10. Скорость седиментации сферических частиц единичной плотности в воздухе при обычных условиях Размер частиц, см	10«	10-8	10-،	10-3	10-2	10*2
Скорость седиментации, см/с	6,6-10-«	8,6-10—5	3,5-10-3	0,3	25	410

303

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

tw_x—Ddti/dx,

где п — концентрация в данной точке; v_x — составляющая ско­рости диффузии по направлению х. Коэффициент диффузии 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. Про­цесс коагуляции заключается в том, что при столкновении частиц малого диаметра они слипаются между собой, образуя более крупную частицу, которая будет увеличиваться затем в резуль­тате прилипания к ней новых мелких частиц. Так будет про­исходить 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 столкно­вением частиц только в результате беспорядочного теплового: движения. Внешние силы (поле тяжести, электрическое поле и т. п.) могут изменить частоту столкновения частиц и таким образом повлиять йа коагуляцию.

Если каждое столкновение частиц приводит к их слипанию, то тепловую коагуляцию можно описать уравнением

dn/dt=—kon?, ١ (97.6)

решение которого

п=п₀/ (1+^оПоО, (97.7)

где п — концентрация частиц через время t после образование аэрозоля; п₀ — концентрация частиц в момент образования аэро­золя; ko — постоянная коагуляции.

Формула (97.7) определяет число частиц, не испытавших нй 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 опре­деляется выражением

ko—SnrD/ (1 -|-0,75/в/г),

где 1_В — кажущаяся длина свободного пути частицы аэрозоля؛ Коэффициент диффузии D в свою очередь зависит от -разме­ров частиц, и поэтому зависимость ko от г довольно сложная. Эта зависимость приведена на рис. 82. Характерными явля­ются 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 полуразру- шения монодисперсного аэрозоля

Из формулы (97.6) следует, что скорость коагуляции быстро’ возрастает с увеличением концентрации частиц.- Кроме того, согласно рис. 82 для частиц с Г>1О~6 см коаг'уляция возрастает с уменьшением., размера частиц. Это приводит к тому, что аэро- золи неодинаково устойчивы при различной концентрации. Не- зависимо^ от начальной концентрации аэрозоля в момент его؟ образования- через- несколько 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

0٠أا0غ/ا=2/ا٢

Отсюда

1п По=1п (1/97.8) ' 2٠ااا7عل —(₀غ)

.В соответствии'с соотношением (97.8) построен рис. 83, 'ПО- называющий влияние размера аэрозольных частиц на связь меж- ду их концентрацией и периодом полуразрушения монодисперс- ного аэрозоля.

Коагуляция приводит к тому, что мак-симальная счетная кон- центрация, 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 ча- стиц 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. Основной механизм разрушения —коагуляция и оседание в ре- -зультате диффузии. Сопротивление движению пропорциональ- но г²; постоянная коагуляции зави-сит от размеров частиц.'Ча- стицы таких размеров образуют очень устойчивые аэрозоли.

305

*Таблица 11. приблизительные размеры аэрозольных частиц, образующихся при различных производственных процессах Источник аэрозолей	Состав аэрозолей	Размеры аэрозольных частиц, 0 см
Добыча урана Производство тория Нанесение светящихся со­ставов с радием Промышленные и экспери­ментальные реакторы	ио2٠ и3О8, иОз Радон и активный осадок РаО (238Иа) РаО и активный осадок N320 (N3), КО (42К), I N31, йаВг, т* (23ЧЪ), ио2 (233и) Оксиды 239ри	0.5-10 0,001—0.04 0.01—0,5 0,001—0,5 0.1—10 0,01.0.5

2. Грубодисперсные аэрозоли; размер частиц r>10،⁴ см. С по­мощью обычного микроскопа можно определить форму и раз­меры частиц. Седиментация преобладает над броуновским дви­жением. Сопротивление движению пропорционально радиусу ча­стиц г. Постоянная коагуляции не зависит от размера частиц. Частицы таких размеров легко оседают под действием силы тяжести и переносятся в воздухе преимущественно ветром.

3. Среднедисперсные аэрозоли; размеры частиц в пределах от 10٠⁵ до 10~٠⁴ см. Обладают переходными свойствами.

В табл. 11 указаны примерные размеры аэрозольных частиц, образующихся от различных источников радиоактивных аэрозо­лей, 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 измере­нием активной концентрации устойчивых высокодисперсных аэро­золей.

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 положитель­ной 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 раз­ности потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой воз­никает 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 п؛٦—концентрация аэрозольных частиц с зарядом ٤ элемен­тарных единиц; п — общая концентрация аэрозольных частиц; й — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; е — элементарный заряд. В формуле (97.9) принят одинаковый коэф­фициент диффузии для положительных и отрицательных ионов.

Указанное выше значение равновесной концентрации ионов в атмосфере соответствует фоновому облучению. При образовании радиоактивных аэрозолей будет происходить дополнительная иони­зация 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

٢٠ = ٠»

где а — коэффициент рекомбинации.

При большой концентрации аэрозоля существенное значение имеет исчезновение ионов вследствие захвата их аэрозольными частицами. При большой концентрации взвешенных частиц и ма­лой скорости образования ионов этот процесс может быть преоб­ладающим. В этом случае

п^=д/ЗпгОп.

Время, необходимое для зарядки аэрозоля до равновесного со­стояния, обратно пропорционально концентрации ионов. Оно мо­жет изменяться в широких пределах. Наличие неактивной пыли в воздухе увеличивает время зарядки, так как уменьшается равно­весная концентрация ионов из-за диффузии к пылинкам. При по­вышении активной концентрации аэрозоля действуют два проти­воположных фактора: возрастает число центров захвата ионов, что приводит к уменьшению их концентрации, и возрастает ско­рость образования ионов (вследствие радиоактивности), что уве­личивает их концентрацию. Количественные оценки приводят к следующим результатам. При скорости образования ионов ،7=

307