Ионизирующие (радиационные) воздействия

Следующей группой негативных факторов техносферы являются опасные ионизирующие (радиационные) воздействия, обусловленные процессами ядерного деления тяжелых радиоактивных элементов трансуранового ряда и многочисленных радиоактивных изотопов, а также приравненные к ним виды ЭМИ высокой проницаемости, вызывающие сходные ионизирующие эффекты в биологических тканях живых организмов. Сам термин " радиоактивность" предполагает самопроизвольные ядерные превращения с выделением ядер гелия, нейтронов или «жесткого» излучения.

В число химических элементов и их изотопов, обладающих свойством радиоактивности, кроме урана, радия и полония, входят в порядке возрастания атомного номера в периодической системе Д. И. Менделеева кобальт, технеций, цезий, прометий, радон, актиний, торий, нептуний, плутоний и др. (всего около 50 естественных и свыше 1000 искусственных изотопов).

В соответствии с существующей классификацией ионизирующие (радиационные) воздействия делятся на следующие основные виды: альфа-излучение; бета-излучение; нейтронное излучение; гамма-излучение; рентгеновское излучение. Первые три вида воздействий относятся к категории корпускулярных излучений, а два последних — к категории электромагнитных излучений.

Альфа-излучение представляет собой излучение ядер атомов гелия, образованных в ходе ядерных превращений тяжелых радиоактивных изотопов. Несмотря на сравнительно высокую начальную скорость излучения альфа-частиц, достигающую свыше 20 000 км/с, расстояние их свободного пробега в воздухе не превышает нескольких сантиметров, а в водной среде и биологических тканях оно ограничено десятками микрон. Однако ионизирующая способность альфа-частиц огромна, и в воздухе каждый сантиметр их пробега приводит к образованию нескольких тысяч электрически заряженных ионов.

Бета-изучение образуют легкие элементарные частицы — электроны, позитроны, возникающие при радиоактивном бета-распаде ядер атомов, обусловленном так называемым слабым взаимодействием. Скорость бета-частиц близка к скорости света, а их ионизирующий эффект выражен весьма незначительно. Длина свободного пробега этих частиц достигает в воздухе 18 м, а в тканях организма — 2,5 см. Достаточной защитой от бета-излучения может служить лист алюминия толщиной 4 мм.

Нейтронное изучение образовано тяжелыми частицами — нейтронами, входящими в состав ядер атомов и высвобождающимися в ходе ядерных реакций деления. В зависимости от начальной энергии частиц различают: медленные нейтроны малых энергий (в том числе и тепловые нейтроны, составляющие основу работы ядерных реакторов); нейтроны промежуточных энергий; быстрые нейтроны высоких энергий.

Начальная скорость движения даже медленных нейтронов достаточно высока — до 2,2 км/с, а их проникающая способность значительно больше, чем у альфаи бета-частиц, и составляет около 120 м в воздухе и до 10 см в биологических тканях. Именно это обстоятельство делает нейтронное излучение весьма опасным для живых организмов, приводя к многофакторным повреждениям клеточных структур, нарушению генетических свойств, развитию злокачественных опухолей и нарастающему изменению состава крови (лейкемии). Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала атомных электростанций (АЭС) рабочие зоны ядерных реакторов, где используется энергия нейтронов, окружены мощной бетонно-свинцовой защитной оболочкой, призванной задерживать опасные радиационные излучения. Любые случаи разгерметизации систем теплообмена ядерных реакторов, утечки рабочего вещества и другие происшествия или аварии на АЭС становятся предметом изучения специального Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) — International Atomic Energy Agency (IAEA), которое позволяет делать выводы о степени нанесенного ущерба.

Гамма-излучение является результатом ядерных превращений или взаимодействия элементарных частиц и представляет собой «жесткое» сверхкоротковолновое излучение с длиной волны менее 1 нм, обладающее свойствами гамма-квантов со световой скоростью распространения и чрезвычайно высокой проникающей способностью. Рентгеновское излучение, названное так в честь открывшего его в 1895 г. немецкого физика В. К. Рентгена (1845−1923), хотя и обладает по своим последствиям ионизирующим воздействием, возникает не вследствие радиоактивных превращений, а в результате «выбивания» ускоренным потоком электронов под действием сверхвысокого напряжения (100 кВ и выше) из положительно заряженного анода квантов электромагнитного поля с длиной волны от 10−7 до 10−12 м. Перекрывая в спектре электромагнитного поля область гамма-излучения, рентгеновское излучение также обладает высокой проникающей способностью и преодолевает стальной лист толщиной 80 мм или легкие сплавы толщиной 250 мм, что позволяет использовать его в рентгенодефектоскопии (для обнаружения дефектов сварных соединений) и рентгенодиагностике (для обнаружения переломов костей и повреждений внутренних органов человека и животных).

Основной механизм влияния разнообразных ионизирующих излучений на любые биологические ткани обусловлен высокой энергией ее носителей и прямым попаданием высокоэнергетических элементарных частиц в сложные молекулы ДНК клеточных структур с их повреждением или разрывом. Восстановительная способность организма по отношению к таким повреждениям весьма ограничена. Это ведет, с одной стороны, к серьезным нарушениям процессов функционирования и клеточного синтеза самого биологического организма, а с другой стороны, в случае повреждения ДНК половых клеток — к наследственным мутациям последующих поколений.

Еще один вид эффектов, вызываемых в биологических тканях радиационными воздействиями, обусловлен самим ионизирующим характером высокоэнергетических корпускулярных и электромагнитных излучений по отношению к веществам клеточных и межклеточных структур. Прежде всего это относится к соединениям на основе воды, которая подвергается под действием ионизирующих воздействий так называемому радиолизу, заключающемуся в образовании радикалов водорода и гидроксильной группы.

В свою очередь, образовавшиеся свободные радикалы, обладая высокой химической активностью, не только приводят к формированию молекул негативных для организма соединений (типа перекиси водорода Н702), но и вступают в многочисленные химические реакции с белковыми структурами и ферментами, нарушая весь ход внутренних биохимических процессов. Как следствие, замедляется или полностью прекращается клеточная активность, изменяются функции и клеточная структура систем организма.

Иначе говоря, порожденные ионизирующими воздействиями свободные радикалы вызывают своего рода лавинообразное вовлечение в химические реакции огромного числа биологических молекул, даже не подвергшихся первоначальному негативному действию радиации.

Важная особенность ионизирующих воздействий связана с фактором времени, который проявляется, во-первых, в количестве радиации, полученной организмом единовременно или за какой-то определенный временной период, а во-вторых, в растянутости негативных последствий для организма таких радиационных воздействий не только на долгие годы, но часто и на всю жизнь человека. В случае передачи организмом измененных биологических признаков по наследству в круговорот отдаленных по времени последствий радиационного влияния оказываются втянутыми и потомки человека, подвергшегося когда-то ионизирующему облучению.

Несмотря на различную степень опасности поражения ионизирующими воздействиями различных систем организма, наибольшей чувствительностью по отношению к радиации у человека обладают лимфоидная ткань, костный мозг, гонады (половые железы), органы зрения, слизистые оболочки, кожа, легкие, щитовидная железа, органы пищеварения.

Все макропоследствия радиационных поражений для здоровья человека разделяются клинической медициной на две основные группы:

• • детерминированные пороговые эффекты в виде лучевой болезни, лучевых ожогов, лучевой катаракты, лучевого бесплодия и т. д.;
• • стохастические беспороговые эффекты в виде злокачественных опухолей, наследственных болезней, лейкоза и т. д.

В первом случае (при острых лучевых поражениях) можно поставить во взаимосвязь количество полученной организмом энергии ионизирующих воздействий и вполне определенный характер возникающего в результате этого заболевания. Во втором случае приходится учитывать лишь возможную вероятность возникновения того или иного последствия для здоровья человека, которое никак не связано с существованием какого-либо порогового значения негативного ионизирующего воздействия. К сожалению, это означает, что даже незначительные уровни радиации, например естественного характера, могут быть реальной причиной, хотя теоретически и маловероятной, возникновения у человека злокачественных опухолей или наследственных отклонений. И наоборот, даже большие уровни ионизирующих воздействий, но обязательно допороговых значений, могут, хотя также с малой вероятностью, не повлечь за собой никаких негативных последствий и болезней, что, впрочем, наблюдается в довольно редких случаях.

С количественной точки зрения ионизирующие воздействия на организм человека принято оценивать величиной поглощенной дозы излучения (Dп), соответствующей отношению энергии (Eи), которой обладает ионизирующее излучение, проходящее через некоторый объем, и которая передана веществу массой т, находящемуся в этом объеме:

Единицей измерения поглощенной дозы излучения, принятой в Международной системе единиц (СИ), служит грей (Гр), равный отношению Дж/кг. О значимости этой величины свидетельствует хотя бы тот факт, что острые лучевые поражения могут развиваться даже при однократном облучении всего организма человека ионизирующим гамма-воздействием с поглощенной дозой излучения свыше 0,25 Гр.

При дозах 1,5−2,0 Гр лучевая болезнь протекает еще без наступления смертельного исхода, но уже при поглощенной дозе излучения 2,5−4,0 Гр смертельный исход наблюдается в 20% случаев через несколько недель после ионизирующего воздействия на организм человека. Характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения формулы крови, нарушения функций иммунной и нервной систем, подкожные кровоизлияния и поражения кожи, ухудшение зрения. Поглощенная доза излучения более 6 Гр оказывается наверняка смертельной для пораженного радиацией человека без использования специального комплексного лечения.

Особенно опасным является внутреннее радиоактивное облучение, связанное с попаданием внутрь человека радиоактивных веществ вместе с вдыхаемым воздухом или через пищеварительный тракт вместе с водой и пищей. Накопление радиоактивных изотопов йода, радия, стронция, цезия, плутония в тканях организма приводит к их атрофии и росту опухолей.

Для характеристики качества ионизирующего излучения с точки зрения его опасности для человека введена специальная величина, называемая эквивалентной дозой (HR), которая рассчитывается следующим образом:

где WR — безразмерный взвешивающий коэффициент, зависящий от вида ионизирующего воздействия (равен: 1 — для бетаи гамма-излучения; 10 — для протонов и нейтронов с энергией менее 10 МэВ; 20 — для альфа-излучения и осколков тяжелых ядер).

Измеряется эквивалентная доза в специальных единицах, получивших название зиверт (Зв), которые образованы теми же основными компонентами, что и рассмотренный выше грей (Гр) — Дж /кг.

Наконец, еще одной довольно часто используемой характеристикой ионизирующих воздействий на человека с учетом отдаленных последствий облучения является эффективная доза Dэ, представляющая собой сумму произведений эквивалентной дозы (HR) радиации, полученной за определенное время, на соответствующее значение коэффициента радиочувствительности WTi к ней отдельных (i-ых) органов и тканей:

Значения этого безразмерного коэффициента радиочувствительности для отдельных видов органов и тканей следующие: гонады — 0,2; костный мозг, легкие, желудок — 0,12; печень, щитовидная железа — 0,05.

Единицей измерения указанной эффективной дозы, так же как и для эквивалентной дозы, является зиверт (Зв). Согласно установленным нормам, эффективная доза для персонала, работающего с ионизирующими излучениями, не должна превышать за период трудовой деятельности 1000 мЗв, а для обычного населения за всю жизнь — 70 мЗв.

В качестве основного нормативного документа по отношению к ионизирующим (радиационным) воздействиям выступают специальные Нормы радиационной безопасности (НРБ-99) принятые в 1999 г. и относящиеся к категории Санитарных правил.

В указанном документе выделяются следующие основные группы лиц, в той или иной степени подверженных влиянию радиации:

• • персонал, непосредственно работающий с техногенными источниками ионизирующих излучений (группа А) или находящийся по условиям работы в сфере их негативного воздействия (группа Б);
• • население, включая лиц из числа персонала, вне сферы и условий его производственной деятельности.

Для указанных групп потенциально облучаемых людей установлены следующие классы нормативов обеспечения радиационной безопасности:

• • пределы доз (ПД) ионизирующих воздействий;
• • допустимые уровни, соответствующие основным пределам доз;
• • контрольные уровни ионизирующих излучений.

Установлены нормативные пределы на один год: индивидуального риска техногенного радиационного облучения лиц из числа персонала — 10−3; риска облучения для населения — 5−10−5; пренебрежимого риска облучения — 10−6.