5.3. Радиационный фон и воздействие радиоактивных выбросов на окружающую среду и человека
Ионизирующая радиация является неотъемлемым природным компонентом среды обитания человека. Возникновение жизни человека на земле и вся ее многовековая эволюция происходили в условиях постоянного воздействия различных видов и уровней ионизирующей радиации.
Общий радиационный фон, воздействующий на человека, складывается из естественного (природного) и искусственного.
В условиях естественного фона обеспечиваются, как правило, оптимальные условия для жизнедеятельности растений, животных и человека.
К естественным источникам ионизирующих излучений относятся: космическое излучение и естественные радиоактивные вещества, распределенные на поверхности и в недрах земли, в атмосфере, воде, растениях и организме всех живых существ, населяющих нашу планету.
Интенсивность космического излучения возрастает от экватора к северным широтам (магнитные поля отклоняют заряженные частицы) и с увеличением высоты над уровнем моря. Например, на высоте 6100 м интенсивность ионизации воздуха в 10-20 раз выше, чем на уровне моря.
Мощность внешнего облучения пассажиров и экипажей самолетов при высоте полета 1200 м составляет примерно 3,2 мкГр/ч (при нормальной МДИ < 0,6 мкГр/ч, 60 мкрад/ч).
Среднегодовая эквивалентная доза, создаваемая всеми компонентами космического излучения на уровне моря, равна примерно 0,3 мЗв.
Совокупность природных источников ионизирующей радиации земного происхождения в значительной степени связана с естественной радиоактивностью почв и горных пород. Наиболее радиоактивны кристаллические породы (граниты), наличие которых может существенно увеличить средний радиационный фон.
Вследствие круговорота химических веществ в биосфере практически все растения, живые ткани и пищевые продукты содержат естественные радиоактивные вещества.
Средняя годовая эффективная доза, обусловленная наличием РВ земного происхождения, составляет 1,7 мЗв, а средняя суммарная доза с учетом космической радиации равна 2 мЗв в год.
Более 95% населения земного шара проживает с нормальным естественным радиационным фоном и менее 5% - в районах с аномальным природным фоном.
Примером аномально высокого природного фона могут служить районы штата Керала (Индия), где проживает 70 тысяч человек со среднегодовой дозой облучения 3,8 мЗв. В Бразилии в городе Гуарапара среднегодовая доза составляет 5,5 мЗв, а в отдельных районах это значение повышается до 28 мЗв в год. Повышенный естественный фон наблюдается в отдельных районах Франции, США, Китая, Ирана и других стран.
Из изложенного можно сделать вывод, что человек постоянно находится под воздействием ионизирующих излучений, естественный радиационный фон является безвредным, а может быть и стимулирующим фактором в эволюционном процессе.
Искусственный радиационный фон, обусловленный деятельностью человека, добавляется к естественному. При разработке той или иной технологии человек может локально изменить распределение естественных источников радиации, в результате это приводит к повышенному облучению. Например, полеты на самолетах, сжигание каменного угля, мазута и природного газа приводят к повышенному облучению. Кроме того, человек создает искусственные источники ионизирующих излучений.
Особо следует выделить использование ИИ в медицинских целях. Проведенные в США исследования показали, что дозы облучения населения в результате медицинских процедур примерно в 100 раз больше получаемых при эксплуатации АЭС. В России средняя годовая эквивалентная доза облучения всего тела человека от рентгенодиагностических процедур достигает 1,5 мЗв.
Значительный вклад в общий радиационный фон вносят выбросы промышленных предприятий, особенно тепловых электростанций.
Ряд строительных материалов имеет значительную удельную радиоактивность. К таким материалам относятся гранит, пемза, глиноземы для производства бетона, гипс, кирпич из красной глины, доменный шлак и др.
Использование фосфорных удобрений в сельском хозяйстве также является возможным дополнительным источником облучения.
При испытании ядерного оружия огромное количество радиоактивных веществ уносится в атмосферу. За несколько часов продукты деления урана и плутония оседают на грунт, а мелкие частицы рассеиваются под действием потоков воздуха и выпадают на поверхность земли в течение 2-3 недель на значительном удалении от центра взрыва.
Общий радиационный фон, создаваемый естественными и искусственными источниками ионизирующих излучений, колеблется в широких пределах. На территории нашей страны ориентировочно он составляет: в сельской местности - 3,5 мЗв, в промышленных городах - 5 мЗв в год.
Радиоактивные выбросы при радиационных авариях могут создать серьезную опасность для среды обитания человека.
Если характер радиационной обстановки при ядерном взрыве довольно полно исследован на основе испытаний ядерного оружия, а также атомных бомбардировок США в Японии, то особенности РЗМ при авариях на РОО выявлены в полной мере только после аварии на ЧАЭС.
Рассмотрим эти особенности, используя опыт аварии на ЧАЭС.
В отличие от ядерного взрыва, при запроектных авариях происходит длительный выброс РВ. При аварии на ЧАЭС в 1986 году основные выбросы продолжались с 26.04 по 10.05. Это осложнило радиационную обстановку вследствие многократного изменения метеоусловий и различных по активности выбросов.
При запроектных авариях компоненты выброса РВ не пропорциональны наработанному составу продуктов ядерного деления (ПЯД).
В реакторе остаются тяжелые элементы, а в атмосферу выбрасываются в основном высоколетучие элементы с мелкозернистым составом размерами менее 0,3-0,5 микрона (при ядерном взрыве 50 мкр и более).
Вследствие выброса мелкозернистых аэрозолей происходят их перенос на большие расстояния и загрязнение огромных территорий. После аварии на ЧАЭС повышенный радиационный фон был зарегистрирован не только в Западной Европе и Скандинавии, но и в Канаде.
По той же причине увеличивается опасность внутреннего аэрозольного облучения людей через дыхательные пути (при ядерном взрыве наибольшую опасность представляет внешнее облучение).
Выброс легколетучих и малоактивных продуктов ядерного деления обуславливает относительно малые уровни загрязнения местности (по сравнению с ядерным взрывом). Непосредственно в районе аварии выброшенные радиоактивные конструкции реактора могут значительно повысить МДИ (в районе четвертого энергоблока ЧАЭС МДИ составляла 20 Гр/ч). В то же время за пределами санитарно-защитной зоны АЭС МДИ существенно падает. Например, в городе Припять (3 км от места аварии) максимальная МДИ составляла 1,4 мГр/ч, в Чернобыле (18 км от места аварии) - 0,24 мГр/ч, а в Киеве (140 км от места аварии) - всего 0,022 мГр/ч.
Если при ядерном взрыве в первые сутки происходит резкий спад радиации вследствие выпадения на местности высокоактивных элементов, то при аварийных выбросах малоактивных ПЯД с большим периодом полураспада спад радиации во времени происходит медленно (период полураспада основных элементов радиоактивного выброса приведен в параграфе 5.1).
В связи с длительными выбросами РВ, сложным составом выбрасываемых аэрозолей и изменчивостью метеоусловий происходит неравномерное, пятнистое загрязнение местности, отсутствует ярковыраженный радиоактивный след. Это затрудняет прогноз возможной радиационной обстановки.
Радиоактивное загрязнение местности при запроектных авариях во многом зависит от времени работы реактора до аварии. Чем больше времени работает реактор, тем больше нарабатывается ПЯД и тем больше этих продуктов выбрасывается в атмосферу. При прогнозах радиационной обстановки на случай аварии принимают самую неблагоприятную ситуацию, когда время аварии совпадает с максимально возможным циклом работы реактора после его загрузки - 3 года.
Радиоактивное загрязнение местности, предметов и воздействие аварийных выбросов на человека во многом зависят от времени, прошедшем с момента аварии. Это время до нормализации обстановки на загрязненной местности принято делить на три стадии: раннюю, промежуточную и восстановительную.
Ранняя (чрезвычайная) стадия (PC) начинается с момента аварии и завершается после окончания основных выбросов и стабилизации обстановки на местности. В этот период создается наиболее сложная обстановка. На человека воздействует внешнее облучение: из проходящего облака, излучающего гамма и бета-частицы; от выпавших из облака на грунт радиоактивных осадков, при радиоактивном распаде которых выделяются альфа и бета-частицы и гамма-кванты; от контакта выпавших РВ с открытыми участками тела.
В период PC человек облучается радиоактивными аэрозолями, попадающими в организм через дыхательные пути. Такое внутреннее облучение является наиболее опасным при радиационных авариях.
Промежуточная (средняя) стадия (ПС) начинается после окончания основных выбросов и заканчивается по окончании проведения основных мер защиты (через один год после аварии). В этой стадии основное поражение людей происходит путем внешнего облучения за счет распада выпавших из радиоактивного облака осадков и внутреннего облучения от поступления в организм загрязненных продуктов питания и воды.
Восстановительная (поздняя) стадия (ВС) начинается через 1 год после аварии и заканчивается после нормализации обстановки. Считается, что территория не относится к зоне радиоактивного загрязнения, если годовая эффективная доза у жителей населенного пункта, обусловленная искусственными РВ, поступившими в окружающую среду в результате радиационной аварии, не превышает 1 мЗв.
В период восстановительной стадии поражение людей происходит за счет внутреннего и внешнего облучения, как и на промежуточной стадии. Радиоактивные выбросы при авариях воздействуют на человека как непосредственно, так и опосредованно через загрязненную среду обитания человека (рис. 5.1)
Рис. 5.1. Миграция в биосфере РВ, воздействующая на человека
Механизм воздействия ИИ на человека очень сложен и в полной мере еще не изучен.
Первичным этапом, инициирующим многообразные отрицательные процессы в живом организме, является ионизация и возбуждение атомов органов и тканей с последующим разрывом в них химических связей. Это приводит к изменению биохимических процессов в организме, нарушению обмена веществ, выделению токсичных веществ и поражению всего тела человека. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ИИ.
На рис. 5.2 приведены возможные последствия воздействия ИИ на Человека.
Эффекты, возникающие в результате непосредственного облучения органов и клеток человека, называют соматическими (греч. soma - тело). Они могут проявляться сразу или через несколько часов и дней после облучения, либо через длительный промежуток времени (несколько лет или даже десятилетий) - отдаленные последствия.
Рис. 5.2. Виды последствий воздействия ИИ па человека
Кроме того, в организме под действием излучения могут произойти структурные изменения элементов, ответственных за наследственность. В большинстве случаев эти изменения, прошедшие незамеченными для облученного человека, могут оказаться опасными для следующего поколения и вызвать генетические эффекты.
Соматические эффекты воздействия на человека могут быть детерминированными и стохастическими.
Детерминированными называются клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ИИ и имеющие определенный дозовый порог, ниже которого эффект отсутствует, а выше - тяжесть эффекта зависит от дозы. То есть для детерминированных эффектов характерно наличие связи между полученной дозой и реакцией организма.
. При дозах однократного облучения (в течение четырех суток) меньше порога в 1,0 Гр не наблюдается развитие острой лучевой болезни (ОЛБ). При дозах 0,5-1,0 Гр возникает лишь чувство усталости без серьезной потери трудоспособности.
При превышении порога в 1,0 Гр (при дозе 1,5-2,5 Гр) наблюдается кратковременная легкая форма ОЛБ, при которой смертельные исходы отсутствуют. Тяжесть ОЛБ возрастает с увеличением полученной дозы.
Лучевая болезнь средней степени тяжести возникает при дозе 2,5-4,0 Гр. При этом появляются подкожные кровоизлияния, наблюдается тошнота и рвота, в 20% случаев возможен смертельный исход. Смерть наступает через 2-6 недель после облучения.
Тяжелая форма лучевой болезни развивается при дозе 4,0-6,0 Гр. В течение месяца после облучения смертельный исход возможен в 50% случаев.
Крайне тяжелая форма лучевой болезни развивается при дозах, превышающих 6,0 Гр. Через 2-4 часа после облучения появляется рвота, множественные подкожные кровотечения, кровавый понос. Смерть наступает в 100% случаев. Причиной смерти чаще всего являются инфекционные заболевания и кровоизлияния.
Приведенные данные о последствиях лучевого воздействия относятся к случаям, когда отсутствует лечение. Известны случаи, когда при эффективном лечении исключался смертельный исход при дозах до 10 Гр.
В случае систематически повторяющегося облучения, когда дозы излучения ниже тех, которые вызывают ОЛБ, но значительно больше предельно допустимых, может развиться хроническая лучевая болезнь (ХЛБ). Для нее характерны изменение состава крови, функциональные нарушения центральной нервной системы, токсические поражения печени, общее недомогание.
ХЛБ также относится к детерминированным эффектам. Можно констатировать, что при ежесуточном облучении 0,001-0,005 Гр с накоплением в сумме более 0,7-1,0 Гр может развиться ХЛБ.
Локальные поражения возникают при преимущественном облучении отдельных органов (лучевая катаракта хрусталика глаза, заболевания кожи, ожоги, язвы, поражение слизистых).
Отдаленные последствия облучения (через 10-20 лет) у конкретного человека довольно трудно связать с предшествующим облучением, так как возникшие заболевания могут быть следствием воздействия других факторов. Поэтому оценить масштаб отдаленных последствий сложно: можно рассматривать только вероятность соматических эффектов и только у больших контингентов населения. Эффекты реакции организма, которые можно оценить только статистическими методами, называются стохастическими.
К стохастическим последствиям относятся: опухоли органов и клеток, желудочные и легочные заболевания, болезни крови, поражение крови, старение, ведущее к преждевременной смерти, радиационное слабоумие.
К категории отдаленных стохастических последствий облучения относятся также заболевания, связанные с изменениями генетического аппарата, что проявляется у потомства в виде различного типа врожденных пороков.
Рассмотренные возможные последствия аварийных выбросов РВ конкретизируются при прогнозе и оценке обстановки на ОЖДТ, методика которых приведена в главе 10.