1.7. Радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение — излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение принято не включать в понятие «ионизирующее излучение».

При этом различают фотонное и корпускулярное ионизирующие излучения.

К фотонному ионизирующему излучению относятся:

• гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц;

• тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;

• характеристическое излучение, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

На практике часто используется рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению, состоящему из частиц с массой, отличной от нуля, относятся, например, альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное.

Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение. Гамма-излучение представляет собой жесткое (большой энергии) электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света.

Рентгеновское излучение, являющееся потоком электромагнитных колебаний, т. е. обладая одной и той же природой с гамма-излучением, отличается от последнего условиями образования (не имеет внутриядерного происхождения), а также своими свойствами (длиной волны или энергией).

Эти излучения называются проникающими, поскольку незначительно ослабляются при прохождении через вещество.

Альфа-излучение. В результате альфа-распада радиоактивного изотопа образуется поток альфа-частиц, т. е. ядер атомов гелия с положительным зарядом Z = 2 и массовым числом А = 4. Пробег ά-частиц, испускаемых известными в настоящее время радионуклидами, достигает 8-9 см в воздухе, а в мягкой биологической ткани — нескольких десятков микрон.

Бета-излучение представляет собой бета-частицы (отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные позитроны), движущиеся с большой скоростью, приближающейся к скорости света. Пробег β-частиц в воздухе составляет 22 см, пробег в мягкой биологической ткани 0,02 и 1,9 см.

Нейтронное излучение. При делении тяжелых ядер или при некоторых типах взаимодействия различных видов излучения с веществом возникают нейтроны - электрически нейтральные частицы. Нейтроны, представляющие собой поток незаряженных частиц, при прохождении через вещество взаимодействуют только с ядрами атомов, поэтому обладают существенной проникающей способностью.

Дозовые характеристики поля излучения

Характеристики излучения в первую очередь регламентируются активностью радионуклидов в источнике, т. е. уровнем самопроизвольных ядерных превращений радиоактивного распада.

Экспозиционная доза X — это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в объеме dm.

X=dQ/dm

Единица экспозиционной дозы в системе СИ — кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят в воздухе ионы, несущие электрический заряд каждого знака 1 Кл.

Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген (Р).

Рентген — это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

П оглощенная доза ионизирующего излучения D — отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме.

ГОСТ допускает вместо термина «поглощенная доза излучения» использовать краткую форму «доза излучения».

Единица поглощенной дозы в системе СИ — грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения является рад (рад). Рад равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 г передается энергия ионизирующего излучения, равная 100 эрг. Таким образом, 1 рад = 0,01 Гр.

Среди опасностей, угрожающих человеку, немногие приковывают к себе столь пристальное внимание общественности и вызывают так много споров, как радиация. Особенно много дискуссий и акций протеста возникает по поводу атомной энергетики. Состояние тревоги резко обострилось после аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Очень часто аргументы противников АЭС опираются на чувства, эмоции и политические соображения. Столь же часто мнения сторонников атомной энергетики сводятся к мало обоснованным успокоительным заверениям. Понятие радиации для большинства населения явилось новым и неожиданным. Чернобыль и крупные радиационные аварии и инциденты «вскормили» тотальный страх населения перед радиацией, возникший впервые после ядерных бомбардировок японских городов Хиросима и Нагасаки. Недостаток специальных знаний, низкая общая радиационная грамотность, отсутствие компетентных и независимых средств массовой информации (СМИ) не позволяют большинству людей правильно ориентироваться в радиационных проблемах и адекватно оценивать степень возможного вреда человеческому здоровью от воздействия различных источников радиации. Всякое незнание пугает и порождает суеверный ужас перед неведомой и непонятной опасностью. Основная составляющая этого страха — боязнь последствий для здоровья. При этом население не видит большой разницы в облучении от взрыва атомной бомбы или от проживания в Чернобыльской зоне. Ответы на вопросы, связанные с АЭ, показали, что население плохо проинформировано об экологических преимуществах и недостатках, присущих тепловым и атомным станциям. Для объективной оценки радиационной опасности очень важно знать характеристики источников излучения и реальные значения возможных доз облучения.

Различают естественные и созданные человеком (искусственные) источники излучения. Фоновые значения доз облучения от различных источников варьируют в широких пределах. Можно привести среднемировые значения компонентов доз облучения. По данным МАГАТЭ, средние эффективные эквивалентные дозы от естественных источников составляют:

• космические излучения (внешний источник) — 0,37 мЗв/год;

• естественные радионуклиды почвы зданий (внешний источник)— 0,40 мЗв/год;

• естественные радионуклиды (⁴⁰К) с пищей, водой (внутренний источник) — 0,30 мЗв/год;

• то же с воздухом зданий (^220,222Rn) — 0,30 мЗв/год.

Четвертая из приведенных компонент является по существу техногенным повышенным естественным радиационным фоном, результатом использования в строительстве материалов, содержащих большее или меньшее количество естественных радионуклидов, эманирующих в воздух жилых помещений радиоактивный газ — радон.

Средние эффективные эквивалентные дозы от искусственных источников:

• медицинская диагностика — 1,00 мЗв/год;

• глобальные выпадения (использования ядерного оружия) — 0,01 мЗв/год;

• АЭС (нормальная эксплуатация) — 0,02·10^-2 мЗв/год;

• ТЭС (облучения населения в районе ТЭС мощностью 1000 мВт) —

0,5·10^-2 мЗв/год;

• авиаполеты — 0,6·10^-2 мЗв/год;

• светящиеся краски (часы и пр.) — 0,01 мЗв/год;

• телевидение — 0,2·10^-2 мЗв/год.

Из приведенных данных очевиден определенный вклад деятельности человека в формирование общей, радиационной нагрузки человека (55—75 %).

Приближенно можно ориентироваться: естественный фон составит 1 мЗв/год, техногенный — 2 мЗв/год. Однако необходимо иметь в виду, что соотношение основных компонент радиационного фона даже по усредненным (по странам) данным широко варьирует.

Общая доля техногенного фона и вклады его компонента в каждой стране будут очень различны для различных регионов и контингентов населения. Так же, как и их тенденции изменения в будущем. Например, доза облучения при медицинской диагностике в нашей стране более чем на 1 мЗв/год превышает среднемировые за счет несовершенства рентгеновских агрегатов. В Индии (штаты Мадрас и Керала) в связи с повышенным содержанием радионуклидов в горных породах естественный фон в отдельных районах достигает 8—28 мЗв/год, т. е. на порядок выше среднемирового.

Из числа естественных радиоактивных элементов в природе чаще всего встречаются радиоактивные изотопы семейств урана-радия, тория и актиния, а также калий-40.

Наибольшую опасность для здоровья представляет ²²²Rn. Это газ, без цвета, запаха и вкуса, с удельным весом 7,67. Период полураспада — 3,825 суток. Вообще существует несколько изотопов радона: ²¹⁸Rn (0,019 с),²¹⁹Rn (3,92 с),²²⁰Rn (52 с),²²¹Rn (25 мин),²²²Rn. Однако первые четыре изотопа короткоживущие. То есть большая часть этих изотопов распадается прежде, чем они успеют накопиться в атмосфере. Поэтому они не представляют серьезной опасности. Опасность представляет ²²²Rn.

Радон-222 дифундирует из ураносодержащих руд вместе с продуктами радиоактивного распада, а также выделяется из воды.

Радон слабо растворяется в воде. При температуре 20 °С после установления динамического равновесия между радоном в растворе и в воздухе количество его в единице объема воды составляет 23 % от содержания его в таком же объеме воздуха. Если содержание радона в воздухе становится меньше, чем требуется для динамического равновесия (меньше 77 %), радон начинает выделяться из воды, причем это выделение происходит особенно интенсивно из движущейся или взбалтываемой воды.

Несмотря на то, что радон мало растворим в воде, радиоактивность воды, в которой растворен радон, может быть велика. Объясняется это тем, что радиоактивность радона очень велика (в 154000 раз больше, чем радия).

Радон при своем распаде дает несколько так называемых дочерних продуктов. Это радий А (²¹⁸Ро), радий В (²¹⁴Рb), радий С (²¹⁴Bi) и радий С¹ (²¹⁴Ро). И хотя периоды полураспада этих дочерних продуктов малы (соответственно составляют: 3,05 мин, 26,8 мин, 19,7 мин, 2,73·10^-4 6 мин), они представляют определенную опасность, так как при попадании радона в организм человека распадаются внутри, в легких человека.

Выделению радона из недр земли, грунта, строительных материалов, воды способствуют продольные и поперечные сейсмические (объемные) волны, возникающие в очагах землетрясений, особенно продольные волны, сжимающие и растягивающие вещества горных пород. Ранее считалось, что радон выходит из горных пород более или менее равномерно. Однако проверка опровергла это предположение. Было установлено, что эпизодически возникают интенсивные выбросы («радоновые бури»), при которых уровень радиации может превосходить фоновый в сотни раз и в 5—10 раз превосходить предельно допустимый. Как показали исследования в США, а затем в Швеции, Англии и Франции, эти выбросы инициируются мощными взрывами на Солнце. Возникают возмущения магнитного поля планеты — «магнитные бури». В результате поперечного сжатия и растяжения горных пород под действием таких бурь радон начинает активно выделяться из горных пород. Когда была составлена подробная карта выхода радона в США, медики пришли к выводу: по крайней мере, 20 тыс. смертельных случаев в год прямо или косвенно связаны с облучением при интенсивных выбросах радона. На знаменитых курортах Франции в Ницце и Каннах уровень «нулевой» активности иногда повышался в 20 раз. По мнению некоторых специалистов, при интенсивных выбросах радона примерно 30 % населения испытывают тревожные сердцебиения, приливы крови, у людей начинается мигрень, бессонница.

За последние десятилетия человек создал более тысячи искусственных радионуклидов и научился их применять в различных целях. Кроме атомной энергетики, атомных подводных лодок и других атомоходов, научно-исследовательских ядерных реакторов и установок, радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений широко используются в различных устройствах и приборах для автоматизированного контроля, измерения, сигнализации и диагностики, в геофизических приборах и методах разведки полезных ископаемых и многих, многих других, в которых используются радиоактивные изотопы и генераторы ионизирующих излучений.

При нормальной эксплуатации таких реакторов, устройств, и приборов с соблюдением всех требований безопасности вероятность возникновения лучевой болезни у персонала или населения, проживающего вблизи АЭС, очень низка. Установлено, что риск здоровью населения, проживающего вблизи АЭС и в зоне влияния крупнейших предприятий ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), составляет 10^-5 — 10^-7, что на три порядка ниже рисков, связанных с химическим загрязнением атмосферного воздуха в крупных промышленных городах страны. Суммарный популяционный риск смерти для населения, проживающего в сфере влияния выбросов угольной ТЭС, оценивается в 8—10 тыс. дополнительных смертей в год.

Опасность представляют крупные радиационные аварии с выбросом большого количества радиоактивного вещества (ПО «Маяк», 1957 г., Челябинск, Чернобыльская АЭС, 1986 г., Украина, Три-Майл-Айленд, 1979 г., США), а также при нарушении правил безопасности при хранении (захоронении) ядерных отходов.

В последние десятилетия прошлого века специальными аэрогеофизическими и наземными методами было установлено, что на территории крупных городов (Москва, Новосибирск и др.) имеет место целый ряд аномальных зон, в которых радиоактивность в сотни раз превышает допустимую. Как правило, это свалки мусора, куда в свое время по преступной халатности и безграмотности были выброшены за ненадобностью пришедшие в негодность радиоактивные изотопы из различных приборов и устройств.

Механизм биологического действия излучений может быть представлен следующим образом. Ионизирующее излучение, воздействуя на вещество, производит ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Возбуждение и ионизация органических соединений (белков, нуклеиновых кислот и т. д.), входящих в состав клеток, органов и тканей живого организма, приводят к нарушению их структуры и образованию новых, не свойственных организму веществ и соединений. Этот процесс — результат прямого действия излучений.

Кроме того, ионизирующие излучения оказывают на биополимерные структуры клеток непрямое действие. Известно, что основную массу живого организма (от 50 до 80 %) составляет вода. В результате воздействия ионизирующих излучений на молекулы воды образуются химически активные соединения — свободные радикалы, которые взаимодействуют далее с молекулами белков, нуклеиновых кислот и пр., приводя к их разрушению. Таким образом, прямое и косвенное действие радиации на сложные органические компоненты биологических объектов существенно изменяет их структуру и химические свойства, что приводит в дальнейшем к различного рода нарушениям жизнедеятельности клеток, тканей, органов и живого организма в целом.

Различают два вида повреждений, вызываемых действием ионизирующих излучений: соматическое и генетическое.

В первом случае речь идет о воздействии излучений на данное лицо или поколение; во втором — имеется в виду передача наследственных изменений, возникающих под влиянием излучений, потомству: детям, внукам, правнукам и т. д.

Характер соматических повреждений определяется в первую очередь величиной эквивалентной дозы: чем она выше, тем сильнее лучевое поражение. Кроме того, влияние излучения зависит от того, получены ли дозы облучения всеми или отдельными органами и насколько существенно значение этих органов в общей жизнедеятельности организма. Наиболее опасно общее облучение организма, кроветворных органов (костного мозга), половых желез (гонад). Менее опасно облучение кожи и костей. Степень лучевого повреждения зависит от времени воздействия излучения: при остром (однократном) и хроническом (многократном) облучениях одной и той же эквивалентной дозой повреждения будут различными.

Это связано с тем, что организм обладает способностью через известное время оправляться от последствий облучения за счет работы восстановительных механизмов. Поэтому, если облучение производится малыми дозами в течение длительного времени, степень поражения будет меньше, чем при однократном воздействии такой же суммарной дозой.

К настоящему времени установлено, что при однократном облучении всего организма в дозах до 0,25 Зв не происходит заметных отклонений в деятельности организма.

Облучение в дозах 0,25—0,50 Зв приводит к незначительным скоропроходящим изменениям в крови.

При дозах облучения 0,80—1,20 Зв появляются начальные признаки лучевой болезни (головная боль, слабость, головокружение, тошнота, потеря аппетита, снижение работоспособности и т. д.). Смертельный исход отсутствует.

Острая лучевая болезнь развивается при однократном облучении в дозах 2,50—3,00 Зв. Смертельный исход возможен в 20 % случаях.

Доза 4,50 Зв называется средней летальной дозой (смертельный исход наступает в 50 % случаев).

При дозах 5,50—7,00 Зв смертность приближается к 100 %. Причиной смерти обычно является необратимое поражение костного мозга. Эти данные относятся к случаям, когда лечение не проводится. Своевременное лечение с помощью современных средств позволяет существенно ослабить радиационное поражение.

При местных облучениях, т. е. облучении отдельных частей тела (чаще всего рук) в больших дозах, наблюдаются лучевые ожоги, сопровождающиеся шелушением и пигментацией кожи, появлением язв, выпадением ногтей и т. д. Значения некоторых доз и эффектов воздействия излучения на организм приведены в табл. 2.

Таблица 2

Радиационное воздействие и соответствующие биологические эффекты

Воздействие
Доза, Зв	Мощность дозы или продолжительность	Облучение	Биологический эффект
0,003	В течение недели	Общее облучение тела	Практически отсутствует
0,01	Ежедневно (в течение нескольких лет)	Общее облучение тела	Лейкемия
0,015	Единовременно	Локальное облучение тела	Хромосомные нарушения в опухолевых клетках (культура соответствую-щих тканей)
0,25	В течение недели	Локальное облучение тела	Практически отсутствует
0,5-1	Накопление малых доз	Локальное облучение тела	Удвоение мутагенных эффектов у одного поколения
2	Единовременно	Общее облучение тела	Тошнота
3-5	—	Общее облучение тела	СД50 для людей — доза, приводящая к 50 %-ной смертности среди лиц, подвергшихся облучению
4	—	Локальное облучение тела	Выпадение волос (обратимое)
4-5	0,1-0,5 Зв/сут	Общее облучение тела	Возможно излечение в стационарных условиях
6-9	3 Зв/сут или накопление малых доз	Локальное облучение тела	Радиационная катаракта
10-25	2-3 Зв/сут	Локальное облучение тела	Возникновение рака сильно радиочувствительных органов
25-60	2-3 Зв/сут	Локальное облучение тела	Возникновение рака умеренно радиочувствительных органов
40-50	2-3 Зв/сут	Локальное облучение тела	Дозовый предел для нервных тканей
50-60	2-3 Зв/сут	Локальное облучение тела	Дозовый предел для желудочно-кишечного тракта

Под влиянием длительного воздействия на организм небольших доз облучения возникает хроническая лучевая болезнь. Развитие хронического поражения протекает медленнее по сравнению с острым поражением и имеет характерные симптомы и клинические проявления.

В большинстве случаев в организме, который перенес острую или хроническую болезнь, через много лет могут развиваться самые разнообразные болезненные процессы (в Хиросиме и Нагасаки были случаи проявления лучевой болезни через 13—15 лет). Эти отдаленные последствия облучения выражаются в возникновении злокачественных опухолей (рак, лейкемия и т. п.), снижении способности к деторождению, преждевременной старости, сокращении продолжительности жизни и т. п.

Генетические наследственные повреждения, возникающие у потомков подвергшихся облучению людей, являются одним из наиболее опасных последствий воздействия ионизирующих излучений. Последующие поколения поражаются в результате повреждения половых клеток родителей еще до оплодотворения. Дозы облучения, которые приводят к генетическим повреждениям у потомства, оказываются гораздо меньше, чем те, которые вызывают появление соматических повреждений у родителей.

Генетические поражения могут проявляться в снижении деторождаемости у потомков, уменьшении средней продолжительности их жизни, а также в ухудшении физического и умственного состояния. Эти поражения будущих поколений в целом зависят от многих факторов: доз облучения отдельных людей и групп населения поколения родителей; прерывности или непрерывности облучения, возраста, в котором произошло облучение; физического состояния людей, образа их жизни и т. п. Генетические изменения не имеют порога и увеличиваются прямо пропорционально дозе облучения.