Ионизирующие излучения. 
Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность). Часть 1

Радиация имеет естественное и техногенное происхождение. Чтобы оценить уровень опасности, которую может представлять радиация, рассмотрим свойства ионизирующих излучений и механизмы взаимодействия их с веществом.

Самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра другого типа, сопровождающееся испусканием частиц или гамма-квантов, называется радиоактивностью. Известны четыре типа радиоактивности: альфа-распад; бетараспад; спонтанное деление ядер; протонная радиоактивность.

Испускаемые в процессе ядерных превращений альфаи бета-частицы, нейтроны и другие элементарные частицы, а также гамма-излучение, представляют собой ионизирующие излучения, которые в процессе взаимодействия со средой производят ионизацию и возбуждение ее атомов и молекул. При этом примерно половина переданной ионизирующим излучением веществу энергии расходуется на ионизацию и половина на возбуждение. На каждый акт ионизации и возбуждения в воздухе в среднем расходуется 34—35 эВ энергии. Один элсктронвольт (эВ) — единица энергии, используемая в атомной физике, равная кинетической энергии электрона, приобретаемой им при прохождении разности потенциалов, равной 1 В:

Заряженные частицы по мере прохождения через вещество теряют свою энергию малыми порциями, растрачивая ее на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Оба эти процесса всегда сопутствуют друг другу. Чем больше масса и заряд частицы, тем более интенсивно происходит передача энергии среде, т. е. тем больше число пар ионов образуется на единице пути, и, следовательно, меньше ее пробег в веществе (рис. 5.14). Длина пробега в воздухе альфа-частиц, испускаемых радионуклидами, энергия которых лежит в пределе 4—9 МэВ, составляет 3—9 см.

Что же касается бета-частиц (электронов и позитронов), заряд которых в два раза, а масса более чем в 7000 раз меньше, чем у альфа-частицы, то их пробег в воздухе примерно в 1000 раз больше. В мягкой биологической ткани пробеги альфа-частиц составляют несколько десятков микрометров, а бета-частиц 0,02 и 1,9 см соответственно для углерода-14 и калия-42.

Несколько по иному происходит взаимодействие с веществом гамма-излучения (поток фотонов) и нейтронов, которые не обладают зарядами и поэтому непосредственно ионизации не производят. В процессе прохождения через вещество фотон взаимодействует в основном с электронами атомов и молекул среды. При этом в каждом акте взаимодействия фотон придает электрону часть или всю свою энергию. В результате образуются так называемые вторичные электроны, которые в последующих процессах взаимодействия производят ионизацию и возбуждение. Таким образом, в случае гамма-излучения ионизация происходит не в первичных актах взаимодействия, как у альфаи бета-частиц, а как результат передачи энергии вторичным частицам (электронам), которые растрачивают ее затем на ионизацию и возбуждение.

Для оценки радиационной обстановки, формируемой рентгеновским или гамма-излучением, используется внесистемная единица рентген. Рентген (Р) — это единица экспозиционной дозы рентгеновского или гамма-излучения, которая определяет ионизирующую способность в воздухе. При дозе 1 Р в 1 см³ воздуха образуется 2,082 • 10 пар ионов или в 1 г воздуха — 1,61 • 10 ² пар ионов; 1 Р = 2,58 • 10~⁴ Кл/кг.

На практике радиационная обстановка обычно измеряется в единицах мощности экспозиционной дозы — миллирентгенах в час (мР/ч) или микрореитгенах в секунду (мкР/с).

В качестве характеристик меры воздействия ионизирующего излучения на вещество используется величина погло;

Рис. 5.14. Три вида ионизирующих излучений и их проникающая способность.

щепной дозы D. Она характеризует поглощенную энергию ионизирующего излучения в единице массы вещества.

где dE — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm — масса вещества в этом объеме.

Согласно Международной системе единиц (СИ) единицей поглощенной дозы является грей (Гр); 1 Гр соответствует поглощению 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Иногда используется внесистемная единица поглощенной дозы — рад; 1 Гр = 100 рад или 1 рад = 0, 01 Гр.

Поглощенная доза является основной величиной, характеризующей нс само излучение, а его воздействие на вещество. Однако поглощенная доза не может служить мерой, характеризующей уровень биологического действия ионизирующего излучения на живой организм. Этот уровень зависит не только от величины поглощенной энергии, по и целого ряда других параметров, обусловленных характером и условиями облучения (равномерность распределения поглощенной дозы в организме и т. д.).

Для оценки радиационной опасности, когда реализуются малые дозы излучения, введена эквивалентная доза Н_{т R} как мера выраженности эффекта облучения, равная произведению поглощенной в органе или ткани дозы D_{T R} на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения W_R:

где D_{T R} — средняя поглощенная доза в органе или ткани.

Согласно Международной системе единиц (СИ) единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв); 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани на взвешивающий коэффициент равно 1 Дж/кг. Внесистемная единица эквивалентной дозы — бэр (биологический эквивалент рада); 1 бэр = 0,01 Зв или 1 Зв = 100 бэр.

Взвешивающие коэффициенты учитывают относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. В настоящее время приняты следующие усредненные взвешивающие коэффициенты W_R:

фотоны любых энергий…1.

электроны и мюоны любых энергий…1.

нейтроны с энергией:

от 10 кэВ до 100 кэВ…10.

от 100 кэВ до 2 МэВ…20.

от 2 МэВ до 20 МэВ…10.

более 20 МэВ…5.

менее 10 кэВ… 5.

протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи…5.

альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра…20.

Примечание. Вес значения W_R относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения — к излучению, испускаемому при ядерном превращении.

Это значит, что биологическая эффективность быстрых нейтронов в 10 раз и альфа-излучения в 20 раз больше, чем бета-частиц и гамма-излучения. Следовательно, радиационный эффект (возможный ущерб здоровью), соответствующий эквивалентной дозе, равной 1 Зв, будет реализован при поглощенной дозе, равной 1 Гр для бета-частиц и гаммаизлучения (W_R= 1); 0,1 Гр — для быстрых нейтронов (W_R — = 10); 0,05 Гр — для альфа-частиц (W_R = 20).

Эквивалентная доза — основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Эквивалентная доза может быть использована и при кратковременном воздействии, когда ее значение не превышает 0,5 Зв (50 бэр).

При воздействии разных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза Н_т определяется как сумма эквивалентных доз для R видов излучения.

В ряде случаев облучению подвергается не все тело, а один или несколько органов. Такая ситуация чаще всего ремизуется при внутреннем облучении, т. е. при поступлении радионуклидов в организм с вдыхаемым воздухом или пищевыми продуктами. Радионуклид, как и неактивный нуклид данного химического элемента, накапливается в том или ином органе. В частности, радионуклиды иода поступают преимущественно в щитовидную железу, радия и стронция — в костную ткань, полония — в печень, селезенку, почки и т. д.

Поскольку органы и ткани человека обладают различной радиочувствительностью, то для оценки риска возникновения отдаленных последствий при облучении всего организма или отдельных органов используется понятие эффективной эквивалентной дозы Е. Единица этой дозы — зиверт (Зв). Она так же, как и эквивалентная доза, применима только для хронического облучения в малых дозах и является мерой оценки ущерба здоровью при отдаленных последствиях.

По определению.

где H_{r R} — эквивалентная доза в органе или ткани Т W_T— взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т' который характеризует относительный риск на единицу дозы, но выходу отдаленных последствий при облучении данного органа по отношению к облучению всего тела.

Из представленных данных (рис. 5.15) следует, что при облучении, например, только щитовидной железы (W_T= = 0,05) эффект, но отдаленным последствиям будет составлять всего 5% того эффекта, который может быть реализован при облучении всего тела.

При экспозиционной дозе в 1 Р в месте измерения эквивалентную дозу с достаточной степенью точности можно принять равной 0,013 Зв. Например, если измеренная мощность дозы на местности равна 10 мР/ч, а человек в течение 1 ч находится в месте измерения, то уровень облучения составит примерно 0,1 мЗв.

Кроме рассмотренных выше доз ионизирующего облучения, рассматривается эффективная эквивалентная годовая доза, равная сумме эффективной эквивалентной дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов.

Рис. 5.15. Взвешивающие коэффициенты для разных органов и тканей человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите для вычисления эффективной эквивалентной дозы.

за этот же год. Эффективная эквивалентная годовая доза также измеряется в зивертах.

Рассмотренные выше понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. В случае облучения больших групп людей дают оценку суммарного ожидаемого эффекта. При облучении малыми дозами, незначительно превышающими естественный радиационный фон, можно ожидать лишь отдаленных последствий генетической или соматической природы. Соматические эффекты проявляются непосредственно у облученных лиц, генетические — в последующих поколениях. Мерой коллективного риска возникновения эффектов облучения служит эффективная эквивалентная коллективная доза, которая определяется как сумма индивидуальных эффективных доз. Единицей эффективной эквивалентной коллективной дозы является человеко-зиверт (чел.-Зв).

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, т. е. их воздействию подвергнутся современные и последующие поколения. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Различные дозы, используемые для оценки последствий воздействия излучения на людей, приведены на рис. 5.16.

В табл. 5.12 приведены основные дозиметрические величины, используемые в радиационной безопасности, и единицы их измерения.

Таблица 5.12

Основные дозиметрические величины и единицы измерения.

Окончание табл. 5.12

Естественные источники излучения можно подразделить на следующие составляющие: внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение); источники земного происхождения (естественные радионуклиды).

Из космического пространства земную атмосферу непрерывно атакует поток ядерных частиц очень высоких энергий (примерно 90% протонов и около 10% альфа-частиц). Это так называемое первичное космическое излучение. Воздействуя на ядра нуклидов, входящих в состав земной атмосферы, первичное космическое излучение инициирует целый каскад ядерных превращений, в результате которого образуются различного типа элементарные частицы и гаммаизлучение. Это так называемое вторичное космическое.

Рис. 5.16. Дозы радиационного излучения излучение. У поверхности Земли (до высоты порядка 25 км) доза внешнего облучения обусловлена в основном гаммаизлучением.

С удалением от поверхности Земли интенсивность космического излучения возрастает (рис. 5.17). А поэтому дозовая нагрузка на людей, проживающих в горной местности, в несколько раз больше, она равна примерно 0,7 и 5,0 мЗв в год соответственно на высотах 2 и 4—5 км. На высоте полетов современных самолетов уровень космического излучения в несколько десятков раз больше, чем на уровне моря.

К основным естественным радионуклидам, излучение которых формирует природный радиационный фон, относятся: ²³⁸U,²³⁵U и²³²Т1ц, а также один из продуктов распадами — радон (²²⁶Ra).

Рис. 5.17. Уровни космическою излучения на различных.

высотах Внешнее облучение обусловлено радионуклидами, содержащимися в почве и горных породах, внутреннее — радионуклидами, содержащимися в воздухе, воде и продуктах питания.

Эквивалентная годовая норма внешнего облучения от естественных радионуклидов составляет в среднем 0,35; а внутреннего — 0,33 мЗв/год. Таким образом, эквивалентная доза, обусловленная излучением радионуклидов и космическим излучением, составляет около 1 мЗв/год для регионов, где проживает примерно 95% населения Земли.

К техногенным источникам ионизирующих излучений относят совокупность факторов, обусловленных реализацией широкомасштабных программ использования атомной энергии в мирных и военных целях. Данная составляющая радиационного фона образуется и зависит от величины рассеянных в почве, воде, воздухе и других объектах внешней среды техногенных источников радиоактивных загрязнений, образовавшихся при ядерных взрывах, работе предприятий ядерно-топливного и ядернооружейного циклов, возникновении радиационно опасных аварий на предприятиях и транспорте, при использовании радиационных технологий и методов в науке, промышленности и медицине, а также при обращении с радиоактивными отходами.

Наибольшую опасность при работе предприятий ядернотопливного цикла представляют радионуклиды, имеющие большой период полураспада и способные быстро распространяться в окружающей среде. К таким в первую очередь относятся ^{, 29}I n²²⁶Ra, который выделяется из хвостов руд.

Из отходов АЭС наибольшую опасность представляют высокоактивные отходы, к которым относятся в первую очередь отработанные топливные элементы или отвержденные продукты переработки ядерного горючего. Для них характерна высокая удельная активность и высокое тепловыделение.

Для указанных радионуклидов получены глобальные оценки для населения Земли, в соответствии с которыми суммарная доза оценивается на уровне 3400 чел.-Зв/ГВт в год. При этом вклад каждого радионуклида составляет:

радон из хвостохранилищ заводов — 2800 чел.-Зв/ГВт; углерод-14 — 110 чел.-Зв/ГВт; высокоактивные отходы — 30 чел.-Зв/ГВт;

— иод-129 — 28 чел.-Зв/ГВт.

Приведенные международные оценки свидетельствуют, что дозы облучения каждого индивидуума в течение жизни не превысят 1% годовой дозы за счет естественного радиационного фона. Это справедливо в условиях предполагаемого производства электроэнергии на АЭС порядка 10 000 ГВт в год при безаварийной эксплуатации.

К другим основным источникам, оказывающим влияние на изменение техногенной составляющей радиационного фона, условно можно отнести следующие источники: облучение при применении медицинских процедур, радиоизотопных методов неразрушающего технологического контроля и другие причины попадания в окружающую среду искусственных и естественных радионуклидов. В табл. 5.13 приведены средние значения годовой дозы облучения от некоторых техногенных источников излучения.

Таблица 5.13

Средние значения годовой дозы облучения от некоторых техногенных источников излучения.

* Доза облучения увеличивается с уменьшением расстояния L до экрана. При 1 = 10 см доза облучения возрастает до 250—500 мкЗв/год.

При медицинских процедурах основную дозу облучения население получает при рентгеновских исследованиях. Получаемая при их проведении эффективная эквивалентная доза (~1,5 мЗв) выше, чем при проведении иных диагностических методов медицинского обследования с использованием радиоизотопных методов (соответственно 90—95 и 10—15%).

Ниже приведен относительный усредненный для всего населения вклад различных источников излучения в эквивалентную дозу (%), получаемую организмом в целом:

медицинское облучение…51,5.

природный радиационный фон…43,4.

ядерные испытания…2,5.

стройматериалы…2,0.

полеты в авиалайнерах…0,3.

телевизоры…0,28.

атомная энергетика…0,08.

Уровень радиоактивности в жилом помещении зависит от строительных материалов: в кирпичном, железобетонном, шлакоблочном доме он всегда несколько выше, чем в деревянном. Газовая плита приносит в дом не только токсичные газы, но и радиоактивные газы (радон). Поэтому уровень радиоактивности на кухне может существенно превосходить фоновый при работающей газовой плите.

В закрытом, непроветриваемом помещении человек может подвергаться воздействию радона, который непрерывно высвобождается из земной коры. Поступая через фундамент, пол, из воды или иным путем, радон накапливается в изолированном помещении (рис. 5.18 и 5.19). Средние концентрации радона обычно составляют (кБк/м³): в ванной комнате — 8,5, на кухне — 3, в спальне — 0,2 (рис. 5.20).

Концентрация радона на верхних этажах зданий обычно ниже, чем на первом этаже. Избавиться от избытка радона можно проветриванием помещения.

В этом отношении поучителен опыт Швеции: с начала 1950;х гг. в стране проводится кампания по экономии энергии, в том числе путем уменьшения проветривания помещений. В результате средняя концентрация радона в помещении возросла с 43 до 133 Бк/м при снижении воздухообмена с 0,8 до 0,3 м/ч. По оценкам, на каждый 1 ГВт/год электроэнергии, сэкономленной за счет уменьшения проветривания помещений, шведы получили дополнительную коллективную дозу облучения в 5600 чел.-Зв.

В настоящее время эффективная доза, обусловленная естественными и техногенными источниками радиации, составляет в России ~4,0 мЗв в год. При этом 27% приходится на естественный радиационный фон, 39% — на радон в помещениях и 34% — на рентгенодиагностические медицинские процедуры.

Рис. 5.18. Источники поступления радона в здания.

Рис. 5.19. Поступление радона при пользовании душем.

Рис. 520. Содержание радона в разных помещениях Действие ионизирующих излучений на человека носит сложный характер. При однократном равномерном облучении всего тела при дозе 0,5 Зв детерминированные эффекты практически не наблюдаются, т. е. их нельзя обнаружить современными методами. Значения дозовых порогов для некоторых детерминированных эффектов облучения приведены в табл. 5.14.

Таблица 5.14

Дозовые пороги возникновения некоторых детерминированных эффектов облучения.

Различные формы лучевой болезни развиваются при поглощенных дозах выше 1 Гр. В табл. 5.15 приведены значения поглощенных доз, при которых возникают острые лучевые поражения человека. Крайне тяжелая форма острой лучевой болезни, приводящая к смертельному исходу в 100% случаев, наблюдается при дозе, превышающей 6 Гр. Причиной смерти чаще всего являются поражение клеток костного мозга и внутренние кровоизлияния.

Таблица 5.15

Дозы, вызывающие острые лучевые поражения человека.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС с острой формой лучевой болезни различной степени тяжести было госпитализировано 237 человек, уровни облучения у которых варьировали в диапазоне 1 — 16 Гр. Из них не удалось спасти 29 человек, в основном вследствие тотальных ожогов кожи (до 90% поверхности тела). Остальные пострадавшие были выписаны из клиники в удовлетворительном состоянии. Причем только 16 человек в настоящее время не работают.

Рассмотренная выше картина лучевой болезни различной степени тяжести в зависимости от дозы относится к случаю однократного облучения всего тела. Если же облучение до этой дозы произвести не однократно, а растянуть по времени, то эффект облучения будет снижен. Это связано с тем, что живые организмы, в том числе и человек, способны восстанавливать нормальную жизнедеятельность после тех или иных ее нарушений.

В случае систематически повторяющегося облучения в дозах, не вызывающих острой лучевой болезни, но значительно больших предельно допустимых, может развиваться хроническая лучевая болезнь. Наиболее характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения в составе крови (уменьшение числа лейкоцитов, малокровие) и ряд симптомов со стороны нервной системы.

Согласно установленным радиобиологическим данным, реакция организма на облучение может проявиться и в отдаленные сроки (через 10—20 лет). Такими реакциями могут явиться лейкозы, злокачественные опухоли органов и тканей, катаракты, поражения кожи, старение, ведущее к преждевременной смерти, не связанное с какой-либо определенной причиной.

На рис. 5.21 показана относительная среднестатистическая вероятность заболевания раком после получения однократной дозы в один рад (0,01 Гр) при равномерном облучении всего тела. На графике, построенном на основании результатов обследования людей, переживших атомную бомбардировку, показано ориентировочное время появления злокачественных опухолей с момента облучения. Из графика следует, что прежде всего после двухлетнего скрытого периода развиваются лейкозы, достигая максимальной частоты через шесть-семь лет, затем частота плавно уменьшается и через 25 лет становится практически равной нулю. Опухоли начинают развиваться через 10 лет после облучения.

Рис. 5.21. Вероятность заболевания раком после получения однократной дозы в 0,01 Гр Кроме рассмотренных выше опасностей, действующих длительно, в течение всего времени пребывания человека в опасной зоне, на него могут оказывать воздействие и спонтанно возникающие травмоопасное™, такие, как электрический ток, движущиеся механические устройства, режущие и колющие предметы, падение с высоты и т. п.