ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие

621

г. И. и Ф. Жолио-Кюри показали, что, воздействуя нейтронами на ядра стабильных элементов, можно получить изотопы с искусственной радиоактивностью.

Степень радиоактивности элемента характеризуется временем, за которое любое количество этого элемента уменьшается в два раза (превращаясь при этом в другой элемент); продолжительность этого процесса называют периодом полураспада. Элементы с малым (коротким) периодом полураспада называются короткоживущими, и они испускают много излучения в единицу времени. Например, йод-131 имеет период полураспада, равный 8 сут, а радий-226 – 1600 лет, тогда 1 г йода-131 будет испускать в 1 с излучений в 73000 раз больше, чем радий-226.

Единицей измерения радиоактивности является одно ядерное превращение в секунду. В системе единиц СИ она получила название беккерель

(Бк). За внесистемную единицу радиоактивности принята кюри (Ки), 1 Ки = 3,7 1010 Бк.

Под удельной радиоактивностью понимают радиоактивность, отнесенную к единице массы или объема, например, Ки/г, Ки/л и т. д.

7.2. Ионизирующие излучения

Открытие естественной радиоактивности показало, что в устройстве атомов всех элементов есть общее свойство – способность рассеивать энергию за счет ионизации атомов. В этом случае под ионизацией понимают событие, в результате которого из материнского атома выбивается электрон, давая в результате два иона, один из которых – отрицательно заряженный электрон, а другой – остаточный положительно заряженный атом. Ионы существуют в свободном состоянии лишь доли секунды, до того как вступить в реакцию с другими ионами противоположного заряда. Излучение, энергия которого достаточна для ионизации среды, называют ионизирующим.

Ионизирующие излучения состоят из заряженных, незаряженных частиц, а также электромагнитного излучения. Энергию частиц ионизирующих излучений (Е) измеряют во внесистемных единицах – электрон-вольтах (эВ).

Наиболее важными для человека видами излучений, с которыми он сталкивается в быту, производственной деятельности, при ядерных и радиационных авариях, являются:

рентгеновское и гамма-излучения; они различны только по происхождению: рентгеновское – возникает при работе определенных электрических устройств (например рентгеновской трубки), а гамма-излучение – при ядерных реакциях;

-излучение – это поток частиц, являющихся ядрами атома гелия. Состоит из двух протонов и двух нейтронов;

-излучение – это поток электронов, имеющих отрицательный заряд; нейтронное излучение – нейтральные элементарные частицы. Посколь-

ку нейтроны не имеют электрического заряда, при прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов. Их можно получать при

622

искусственно вызванном радиоактивном распаде (например, при ядерном взрыве или при работе ядерных реакторов).

Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности (табл. 7.1). Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Излучения различных видов обладают различной ионизирующей способностью.

Таблица 7.1 Уровни вмешательства (УВ) радионуклидов в питьевой воде

623

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега (это путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия):

-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в биологической ткани – несколько десятков микрон. Они не могут проникнуть ни через одежду человека, ни через кожный эпителий, поэтому если источник излучения этих частиц расположен вне организма (внешнее облучение), он не представляет опасности для здоровья. При попадании же этого источника внутрь организма с

пищей и/или водой (внутреннее облучение) -частицы становятся наиболее опасными для человека;

-излучение имеет меньшую ионизирующую способность и большую проникающую способность. Средняя величина удельной ионизации в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег достигает нескольких метров при больших энергиях. Задерживается одеждой,

кожным эпителием, вызывая пигментацию, ожоги и язвы на теле. Как и -

частицы, -излучение наиболее опасно при внутреннем облучении; рентгеновское и гамма-излучения обладают большой проникающей

способностью и легко проходят через тело человека, что представляет опасность для здоровья;

нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью, зависящей от плотности облучаемого вещества и энергии нейтронов. Оно опасно как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

7.3. Действие ионизирующих излучений на человека и окружающую среду

Проходя через биологический объект, ионизирующие излучения вступают с ним в реакцию, рассеивая значительную часть своей энергии. Хаотическая ионизация и возбуждение при рассеивании энергии происходят во всех типах молекул облучаемого объекта. В результате воздействия ионизирующих излучений происходит разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений, что, в свою очередь, приводит к гибели клеток. Еще более существенную роль в формировании биологических последствий играют продукты радиолиза воды, которые составляют 60– 70 % массы биологической ткани. Под действием ионизирующих излучений на воду образуются свободные радикалы Н и ОН, а в присутствии кислорода также свободный радикал гидропероксида (НО2) и пероксида водорода (Н2О2), являющиеся сильными окислителями. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому организму. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также жизнедеятельности организма в целом.

Интенсивность химических реакций, индуцированных свободными радикалами, повышается, и в них вовлекаются многие сотни и тысячи молекул,

624

не затронутых облучением. В этом состоит специфика действия ионизирующих излучений на биологические объекты, т. е. производимый излучением эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывают ионизирующие излучения.

На облучение организм реагирует появлением таких симптомов, как тошнота, понос, быстрая утомляемость, апатия, общая слабость, потливость, головные боли, жжение слизистых, слюнных желез, кожи, изменения в составе крови и др. Появление симптомов и их выраженность зависят от вида излучения, дозы и мощности облучения: например, первые ранние симптомы появляются через 6–8 ч при гамма- и гамма-нейтронном излучении большой мощности или позже 10–12 ч и до конца суток – при гамма- и бета-излучении малой мощности.

Нарушения биологических процессов могут быть либо обратимыми, когда нормальная работа клеток облученной ткани полностью восстанавливается, либо необратимыми, ведущими к поражению отдельных органов или всего организма и возникновению лучевой болезни.

Различают две формы лучевой болезни – острую и хроническую. Острая форма возникает в результате облучения большими дозами в

короткий промежуток времени. Внутреннее облучение, как правило, не приводит к острому лучевому поражению, но повышает риск развития отдаленных эффектов (рак, наследственная патология).

Хронические поражения развиваются в результате систематического облучения дозами, превышающими допустимые дозы.

Изменения в состоянии здоровья называются соматическими эффектами, если они проявляются непосредственно у облученного лица, и стохастическими (наследственными), если они проявляются у его потомства.

Наблюдения и эксперименты выявили общую закономерность воздействия ионизирующих излучений: степень воздействия увеличивается пропорционально увеличению энергии, поглощенной объектом.

Количественной мерой этого воздействия служит поглощенная доза Дn

– средняя энергия, переданная излучением единице массы вещества. Единицей поглощенной дозы является грей (Гр), которая названа в честь английского физика Л. Грея, 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике применяют также внесис-

темную единицу – 1 рад = 1 10-2 Дж/кг = 0,01 Гр.

Поглощенная доза излучения зависит от вида излучения (например, нейтронное излучение в 10 раз вреднее гамма-излучения) и поглощающей среды.

Для заряженных частиц ( , , протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом являются непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной характеристикой ионизирующего излучения по его воздействию на среду. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими данные виды излучения (поток, плот-

625

ность потока и др.) и поглощенной дозой, можно установить адекватные прямые зависимости.

Для рентгеновского и -излучений таких зависимостей не наблюдается, так как эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду.

До последнего времени в качестве характеристики рентгеновского и гамма-излучений по эффекту ионизации используют так называемую экспозиционную дозу. За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гаммаизлучений принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при воздействии которой на 1 кг сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях образуются ионы, несущие 1 Кл электричества каждого знака.

На практике до сих пор широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы рентген (Р): 1 Р – экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучений, при которой в 0,001293 г (1 см3 воздуха при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую еди-

ницу количества электричества каждого знака или 1 Р = = 2,58 10-4 Кл/кг. Исследования биологических эффектов, вызываемых различными ио-

низирующими излучениями, показали, что повреждение тканей связано не только с количеством поглощенной энергии, но и с ее пространственным распределением, характеризуемым линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации, или, иначе, линейная передача энергии частиц в среде на единицу длины пути (ЛПЭ), тем больше степень биологического повреждения. Для учета этого эффекта введено понятие эквивалентной дозы Дэкв, определяемой по формуле

Вкачестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв),

вчесть шведского радиолога Р. Зиверта.

Применяют также специальную единицу эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада); 1 бэр = 0,01 Зв.

Поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы, отнесенные к единице времени, носят название мощности соответствующих доз.

Следует учитывать, что чувствительность разных органов тела к воздействию ионизирующих излучений неодинакова (рис. 7.1). Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более

626

вероятно, чем в щитовидной железе. Поэтому дозы облучения органов и тканей учитывают с разными взвешивающими коэффициентами (табл. 7.2).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Эта доза также измеряется в зивертах.

Описанные три дозы относятся к отдельному человеку, т. е. являются индивидуальными.

Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Таблица 7.2 Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффектив-

ной эквивалентной дозы

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся в отдаленном будущем, поэтому коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат поколения людей от какого-либо источника излучения за все время его существования, называют ожидаемой (полной) коллектив-

ной эффективной эквивалентной дозой.

Степень усвоения радиоактивности растениями зависит от ряда причин (от самого радионуклида, содержания микроэлементов в почве, свойств растения). Растения задерживают радионуклиды как своей надземной частью так и корневой системой в форме аэрозолей, растворов, газов. Нерастворимые вещества загрязняют растения только по поверхности, а растворимые проникают через лист, цветы, стебли, плоды. Надземная часть растений аккумулирует относительно небольшую по сравнению с корневой системой долю от общего содержания в почве изотопа. Включение радионуклидов в био-

627

логические обменные цепочки и последующее их участие в круговороте веществ определяется потребностью в их стабильных аналогах. Наименьшей подвижностью в природных условиях обладает б0Со: через два года после попадания в почву он задерживается примерно на 86 % в пятисантиметровом слое. Обмен стронцием зависит от содержания в почвах его стабильного аналога, кальция, а 137Cs – калия. В процессе фотосинтеза в растениях накапливается 14С. Наибольшей чувствительностью к радиоактивному загрязнению среды обладают хвойные породы. Поэтому у них своеобразная роль фильтра, задерживающего часть выпадающих радионуклидов.

Овощи, произрастающие над почвой – зелень, перец, капуста, тыква, кабачки, ягоды и т. д., загрязняются при радиоактивных выпадениях наиболее интенсивно. С поверхности фруктов и овощей радиоактивная пыль эффективно удаляется при мойке и очистке (загрязнение уменьшается в 50–100 раз). В зерне, загрязненном на корню, за время, необходимое на сбор урожая, обмолот зерна, просушку, размол на муку, значительная часть радиоактивных ядер распадается. В хлеб даже из муки грубого помола переходит 10–15 % радиоактивных веществ. Поэтому через 7 сут радиоактивность хлеба будет примерно в 100 раз ниже начального загрязнения зерна.

628

Рис. 7.1. Места накопления радионуклидов в организме человека

Интенсивно аккумулирует радионуклиды водные растения (например рис) и особенно мхи и лишайники. Поэтому во многих странах установлен

629

допустимый предел загрязнения растительных продуктов радионуклидами равный 600 Бк/кг (1,6 10–4 Ки/кг).

В организм животных радионуклиды попадают с пищей, через легкие и наружные покровы. В организм растительноядных животных они проникают с травой, лишайниками и пр., в организм хищных – с их жертвами. Пищевые продукты растительного происхождения (зерно, овощи, фрукты) на полях и в садах являются источниками поступления радиоактивных веществ в организм сельскохозяйственных животных и загрязнения получаемых от них продуктов – мяса, молока.

Накопление радионуклидов у животных и переход их в молоко, мясо, яйца зависят от свойств радионуклидов, уровня загрязнения кормов и особенностей самих животных.

7.4. Радиационная безопасность

Вопросы радиационной безопасности регламентируются Федеральным законом «О радиационной безопасности населения», нормами радиационной безопасности (НРБ–99) и другими правилами и положениями.

Радиационная безопасность представляет собой многогранную деятельность, так или иначе связанную с обеспечением методов защиты от воздействия источников ионизирующих излучений на человека и окружающую среду. Главной целью радиационной защиты является охрана здоровья персонала и населения и их потомства от вредного воздействия ионизирующих излучений путем соблюдения основных принципов и норм радиационной безопасности в зависимости от категории облучаемых лиц. В основе радиационной защиты лежат три основных принципа: оправданности, оптимизации и ограничения облучения человека ионизирующими излучениями.

Во-первых, любое воздействие ионизирующих излучений на человека должно быть оправданным с точки зрения потенциальной пользы для этого человека или общества.

Во-вторых, принцип оптимизации означает, что дозы облучения должны поддерживаться на таких низких уровнях, которых можно только разумно достичь с учетом экономических и социальных факторов.

В-третьих, ограничение облучения заключается в создании такой системы защиты от ионизирующих излучений облучаемых лиц, их потомства и человечества в целом, при которой полученные эквивалентные дозы или возможное облучение не должны превышать соответствующих пределов, предусмотренных нормами радиационной безопасности.

Для условий нормальной эксплуатации АЭС установлены следующие категории облучаемых лиц:

персонал (группы А и Б); все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их про-

изводственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц предусмотрены три класса нормативов: основные пределы доз:

1 Зв за 50 лет для персонала и 0,07 Зв за 70 лет для населения;

630

100 мЗв для персонала и 5 мЗв для населения за любые последовательные 5 лет;

50 мЗв в год для персонала и 5 мЗв в год для населения. К основным пределам доз относятся также:

годовые эквивалентные дозы облучения хрусталика глаза, кожи, стоп и кистей рук;

допустимые уровни воздействия, являющиеся производными от основных пределов доз;

контрольные уровни (такие как среднегодовые значения допустимых уровней и др.).

Для действующих АЭС установлена также квота на облучение населения, равная 250 мкЗв в год, а для проектируемых и строящихся АЭС – 100 мкЗв в год.

Данные квоты установлены на суммарное облучение населения от радиоактивных газоаэрозольных выбросов в атмосферу и жидких сбросов в поверхностные воды в целом для АЭС независимо от количества энергоблоков на промышленной площадке.

7.5. Реабилитация радиационно-загрязненных участков территории

Участок территории, представляющий опасность для здоровья населения и для окружающей природной среды, в результате техногенной деятельности или выведенного из эксплуатации радиационно опасного объекта, на-

зывают радиационно загрязненным участком территории.

В соответствии с действующим законодательством радиационно загрязненные участки территории подлежат восстановлению, т. е. реабилитации (от позднелат. rehabilitatio – восстановление) по специальным экологическим программам, порядок и сроки разработки которых определяет Правительство России. Разработка специальных экологических программ осуществляется в соответствии с законодательством России в области использования атомной энергии, законодательством России в области охраны окружающей среды, программами социально-экономического развития России и с учетом:

необходимости реабилитации радиационно загрязненных участков территории и охраны окружающей среды;

направлений социально-экономического развития субъектов России, на территориях которых находятся радиационно загрязненные участки;

радиационной безопасности населения, уровней радиационного загрязнения участков территории, задач их реабилитации;

включения в специальные экологические программы мер по социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации в результате радиационных аварий, в том числе мер по охране здоровья таких граждан и их переселению из населенных пунктов, подвергшихся радиоактивному загрязнению и др.

Специальные экологические программы направлены на обеспечение радиационной безопасности населения, общее снижение риска воздействия радиации и улучшение экологической ситуации на радиационно загрязненных участках территории путем проведения мероприятий по реабилитации