- Ray - Все про радіацію та безпеку

Зараз основною задачею людства в області радіаційного контролю – не допустити помітного збільшення радіоактивності, що створена природою, тобто недопущення збільшення природного радіаційного фону. Для рішення такої задачі людству необхідно мати представлення про фізико-хімічну основу такого явища як радіоактивність; знати як взаємодіє іонізуюче випромінювання з речовиною та, обов’язково, як впливає радіація на живий організм; а також мати деякі знання по дозам та заходам захисту населення від дії іонізуючого випромінювання.  Для нас ця тема особливо актуальна тим, що на Україні працює чотири атомних електростанції, є родовища уранової руди, а також вже відбулася аварія в 1986 році на Чорнобильській атомній електростанції.

Атомна енергетика в Україні почала свій відлік з 1977р., коли було введено до експлуатації перший блок Чорнобильської АЕС. За період з 1977 по 1989 рр. було введено 16 енергоблоків загальною потужністю 14800 МВт на 5 атомних станціях: Запорізькій, Рівненській, Хмельницькій, Чорнобильській, Південноукраїнській.

Зараз на Україні діє 4 атомних електростанції: Рівненська, Хмельницька,  Південноукраїнська та Запорізька. П’ята – Чорнобильська АЕС – була законсервована в 2003 році. В Україні більше 50% електроенергії виробляється на атомних електростанціях. А якщо введуть в експлуатацію на Рівненській та Хмельницькій АЕС ще по одному блоку, то виробництво електроенергії від АЕС буде приблизно 60% від загальної кількості.

 Україна має п’ять регіональних підприємств Державного об’єднання “Радон” по поводженню з радіоактивними відходами, які приймають на збереження радіоактивні відходи від усіх галузей народного господарства (крім ядерної енергетики). Вони знаходяться поблизу Києва, Харкова, Львова, Донецька та Дніпропетровська.

В нормальному робочому стані атомні електростанції наносять екології країни не більшу шкоду, ніж теплові або гідроелектростанції. Тим більше, що запаси вуглеводневої сировини у нас на Україні дуже не значний.  Тому зазначену сировину необхідно купувати, а уранова руда у нас своя, але її необхідно збагачувати за кордоном. Вугілля також, подібно більшості інших природних матеріалів, містить незначні кількості первинних радіонуклідів. Останні після спалювання вугілля попадають у навколишнє середовище, де можуть служити джерелом опромінення людей. Тобто теплові електростанції також є джерелами радіоактивного випромінювання. Можна говорити також про ціну 1 кВт·год. Порівняно  дорога 1 кВт·год вироблена на теплових електростанціях, дешевше  – на атомних електростанціях, і сама дешева – на гідроелектростанціях. Але іноді на АЕС трапляються аварії, що наносять великої шкоди навколишньому середовищу. Так аварія на Чорнобильській АЕС (26 квітня 1986 р.) є найбільшою екологічною катастрофою. В результаті понад 41 тис. км² території було забруднено радіонуклідами. Її наслідки виходять далеко за межі проблем довкілля і переростають у ряд медичних, біологічних та психологічних проблем.

 У нас на Україні знаходяться поклади уранової руди. Підприємства по видобутку та переробці уранової руди знаходяться у Дніпропетровській, Миколаївській та Кіровоградській областях і належать до виробничого об’єднання “Східний гірничо-збагачувальний комбінат”. Недоліком у розробці покладів уранової руди є її дорожнеча – поклади  знаходяться глибоко під землею.

Види випромінювання

Іонізуючим називається  випромінювання, яке здатне прямо або не прямо іонізувати середовище.  До нього відносять рентгенівське і гама- випромінювання,  а  також  випромінювання, яке складається з потоків заряджених або нейтральних частинок, які мають достатню енергію для іонізації.

Радіоактивні речовини звичайно випускають альфа-, бета-частинки  та гама-випромінювання, нейтрони ( іноді можуть бути протони і важкі ядра ).

 Згадаємо з курсу середньої школи, що альфа-частинки – це позитивно заряджені атоми  гелію. Вони   володіють великою іонізаційною та малою проникаючою здібностями.  Альфа-частинки можуть пройти шар повітря товщиною  не більше 11 см або шар води до 150 мкм. Бета-частинки – це електрони. Кількість іонізованих та збуджених атомів, які утворюються під дією альфа-частинки на одиниці довжини шляху в середовищі, в сотні разів більше, ніж у бета-частинки. А гама-випромінювання – це електромагнітне випромінювання високої енергії, що володіє великою проникаючою здатністю. Його іонізуюча  здатність значно менше,  ніж у альфа- чи бета-частинок.

 Бета-частинки можуть проникати через верхній шар шкіри (0.07 мм). А бета-частинки з великою енергією можуть пройти через шар алюмінію до 5 мм.

Альфа-частинки мають дуже високу іонізаційну здатність, це пояснюється тому, що маса альфа-частинки в 8000 разів більша ніж маса електрона, а за нейтрон в 2 раза. Біологічна ефективність кожного виду іонізуючого випромінювання знаходиться в залежності від питомої іонізації. Так, наприклад, альфа-частинки з енергією 3 Мев утворять 40 000 пар іонів на одному міліметрі шляху, бета-частинки з такою же енергією – до чотирьох пар іонів. Зовнішнє опромінення альфа- і бета-випромінюваннями менш небезпечно, тому що альфа- і бета-частинки мають невелику величину пробігу в тканині і не досягають кровотворних і інших органів.

 Нейтрони, як і фотони, непрямо іонізуючі частинки, іонізація середовища в полі нейтронного випромінювання проводиться  зарядженими  частинками, які з’являються при зіткненні нейтронів з речовиною.

Таблиця 1

Властивості радіоактивного природного випромінювання

 Види і одиниці вимірювання доз опромінення

Біологічну дію  іонізуючого випромінювання умовно можна  розділить  на:  первинні фізико-хімічні процеси, що виникають в молекулах живих клітин та порушення функцій організму як наслідок первинних процесів – біологічний.

Початковий етап розвивається на атомарному рівні  – іонізація і збудження атомів. Час протікання цього процесу складає 10^-16-10^-14с. Це  фізико-хімічний етап радіаційного впливу на живий організм

Первинним фізичним актом взаємодії іонізуючого випромінювання з біологічним об'єктом є іонізація. Саме через іонізацію відбувається передача енергії об'єкту. Не можливо прямо виміряти іонізацію об’єкта. Тому найкращим способом вимірювання енергії є доза опромінення.

Доза випромінювання– це кількість енергії іонізуючого випромінювання, поглиненої одиницею маси середовища, що опромінюється. Розрізняють експозиційну, поглинену й еквівалентну дози випромінювання. Для визначення поглиненої енергії будь-якого виду випромінювання в середовищі прийняте поняття поглиненої дози випромінювання.

Поглинена доза випромінювання визначається як енергія, поглинена одиницею маси речовини, що опромінюється. За одиницю поглиненої дози випромінювання приймається джоуль на кілограм (Дж/кг).

У системі СІ поглинена доза виміряється в греях (Гр). 1Гр – це така поглинена доза, при якій 1 кг речовини, що опромінюється, поглинає 1 Дж енергії, тобто 1 Гр = 1 Дж/кг. Поглинена доза залежить від матеріалу, що опромінюється. Так історично склалось, що еталонним матеріалом є повітря.

Для оцінки біологічного впливу іонізуючого випромінювання використовується еквівалентна доза  D_екв. Вона залежить від коефіцієнта  відносної  біологічної   ефективності  даного  виду  випромінювання η.

Для рентгенівського, гама-, бета- випромінювань η =1; для альфа-випромінюванняη =20; для нейтронів η =3÷10.

Одиницею вимірювання еквівалентної дози в системі СІ використовується зіверт (Зв), названий на честь одного з перших дослідників по радіаційній безпеці.   1Зв = 100 бер =1 Гр× η ·

Для характеристики джерела випромінювання по ефекту іонізації застосовується так названа експозиційна доза рентгенівського і гамма-випромінювань. Експозиційна доза виражає енергію випромінювання, перетворену в кінетичну енергію заряджених часток в одиниці маси атмосферного повітря.

За одиницю експозиційної дози рентгенівського і гамма-випромінювань приймається кулон на кілограм – 1 Кл/кг. Кулон на кілограм – експозиційна доза рентгенівського і гамма-випромінювань, при якій сполучена з цим випромінюванням корпускулярна емісія на кілограм сухого повітря при нормальних умовах (при t₀ = 0°C і тиску 760 мм рт. ст.) робить у повітрі іони, що несуть заряд в один кулон електрики кожного знаку.

Несистемною одиницею експозиційної дози рентгенівського і гамма-випромінювань є рентген. Рентген – це доза гамма-випромінювання, під дією якої в 1см³ сухого повітря при нормальних умовах (t =0°C і тиску 760 мм рт. ст.) створюються іони, що в одиниці об’єму несуть одну електростатичну одиницю  електрики одного знака. Дозі в 1Р відповідає утворенню 2,08·10⁹ пар іонів у 1см³ повітря. Випромінювання може вимірятися в рентгенах - Р, мілірентгенах - мР чи мікрорентгенах - мкР (1 Р = 10³ мР = 10⁶ мкР). Рентген – це випромінювання від 1 гр радія на відстані  1м.

Отже, для одержання експозиційної дози в один рентген потрібно, щоб енергія, витрачена на іонізацію в одному кубічному сантиметрі повітря (чи грамі), відповідно дорівнювала

1 Р = 2,58·10^{- 4}  Кл/кг або 1 P = 3,86·10^-3 Дж/кг

Джерела іонізуючих випромінювань характеризуються  активністю, що визначається кількістю ядерних розпадів за проміжок часу.

 У системі СІ одиницею вимірювання активності є бекерель (Бк), названий на честь Анрі Бекереля, який виявив у 1896 р., що джерелом невидимого випромінювання є уран. 1 Бк – це один розпад за секунду. Несистемною одиницею є кюрі (Ки), також названий на честь подружжя Марії Складовської-Кюрі і П’єра Кюрі, які виявили невидиме випромінювання у торію, а потім у полонію та радію.

1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк.

Поглинена доза випромінювання й експозиційна доза рентгенівського і гамма-випромінювань, поділені на одиниці часу, називаються відповідно потужністю поглиненої дози випромінювання і потужністю експозиційної дози рентгенівського і  гамма-випромінювань (Р_погл і Р_експ).

За одиницю потужності поглиненої дози випромінювання і потужності експозиційної дози прийнятий відповідно ват на кілограм (Вт/кг) і ампер на кілограм (А/кг).

Несистемними одиницями потужності поглиненої дози випромінювання і потужності експозиційної дози рентгенівського і гамма-випромінювань відповідно є  рентген в секунду ( р/сек):

Співвідношення між одиницями СІ і несистемними одиницями активності і характеристик поля випромінювання:

Таблиця 2

Природний фон

Основну частину опромінення населення земної кулі одержує від природних джерел радіації. Всі дозиметри вимірюють потужність дози. Якщо людина хоче виміряти дозу опромінення, то необхідно час перебування біля радіоактивного джерела помножити на показання дозиметра в цьому місці(Р/год). Нормальним радіаційним фоном є 15-20 мкР/год. Ці цифри залежать від того, в якій місцевості  проживає людина. Наприклад, якщо людина проживає в зоні вапняків, то вона може отримати 0,3 мЗв за рік, у   зоні осадових порід – 0,5 мЗв за рік, а у зоні гранітів – 1,2 мЗв за рік. Людина піддається опроміненню двома способами. Радіоактивні речовини можуть знаходитися поза організмом і опромінювати його зовні. Основна  частина населення отримує опромінення за рахунок природних джерел радіації. У цьому випадку говорять про зовнішнє опромінення. Але радіоактивні речовини можуть виявитися й у їжі, і у воді, і в повітрі і потрапити всередину організму разом з їжею, чи через органи дихання. Такий спосіб опромінення називається внутрішнім. Попадання твердих часток у дихальні органи залежить від розміру часток. Частки розміром менше 0,1 мкм при вході разом з повітрям попадають у легені, а при видиху видаляються. У легенях залишається тільки невелика частина. Великі частки розміром більше 5 мкм майже усі затримуються носовою порожниною.

Земна радіація обумовлена тим, що основні радіоактивні ізотопи, що зустрічаються в гірських породах Землі – це калій-40, рубідій-87 і члени інших радіоактивних сімейств, включені до складу Землі із самого її народження. Вони беруть початок відповідно від урану-238 і торію-232 , що є довгоживучими ізотопами. Рівні земної радіації також неоднакові для різних місць і залежать від концентрації радіонуклідів у тій чи іншій ділянці земної кори.

У середньому дві третини ефективної еквівалентної дози опромінення, що людина одержує від природних джерел радіації, випромінювання яке надходить від радіоактивних речовин, які потрапили в організм із їжею, водою і повітрям. Невелика частина цієї дози приходиться на радіоактивні ізотопи типу вуглецю-14 і тритію, що утворюються під впливом космічної радіації. Все інше надходить від джерел земного походження. У середньому людина одержує близько 180 мкЗв у рік за рахунок калію-40, що засвоюється організмом разом з нерадіоактивними ізотопами калію, необхідними для життєдіяльності організму.

Найбільш вагомим із усіх природних джерел радіації є важкий газ (у 7,5 разів важче повітря) - радон. У природі радон зустрічається в двох формах: у виді радону-222 , члена радіоактивного ряду, утвореного продуктами розпаду урану-238 , і у виді радону - 220 , члена радіоактивного ряду торія-232. Основну частину дози опромінення від радону людина одержує, знаходячись у закритому, не провітрюваному приміщенні. Концентрація радону в закритих приміщеннях у середньому у вісім разів вище, ніж у зовнішнім атмосфернім повітрі.

Радон концентрується в повітрі усередині приміщень лише тоді, коли вони в достатній мірі ізольовані від зовнішнього середовища. Надходячи усередину приміщення тим чи іншим шляхом (просочуючись через фундамент і підлогу, чи ґрунт, вивільняючись з матеріалів, використовуваних у конструкції будинку), радон накопичується в ньому. У результаті в приміщенні можуть виникати досить високі рівні радіації. Тому необхідно провітрювати приміщення, не залежно від того знаходиться це приміщення в підвальному приміщенні чи ні.

Вплив радіації на живий організм

Відомо, що 70-80% загального складу тканини людини складає вода. У результаті іонізації молекули води утворюють вільні радикали Н⁺ і ОН^– за такою схемою:

H₂O⁺  → H⁺ + OH^–

Також  утвориться вільний радикал гідроперекису (H₂O^–) і перекис водню (H₂O₂), що є сильними окислювачами.

Вільні радикали й окислювачі, що утворюються в процесі радіолізу води, володіють високою хімічною активністю і вступають у хімічні реакції з молекулами білків, ферментів і інших структурних елементів біологічної тканини, що приводить до зміни біологічних процесів в організмі. У результаті порушуються обмінні процеси, придушується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму – токсини. Це приводить до порушень життєдіяльності окремих функцій чи систем організму в цілому. У залежності від величини поглиненої дози й індивідуальних особливостей організму, викликані зміни можуть бути оборотними чи необоротними.

Найважливіші біологічні реакції організму людини на вплив іонізуючого випромінювання умовно розділені на дві групи. До першої відноситься променева хвороба, до другої – віддалені наслідки, що у свою чергу розділяються на соматичні (вплив на тіло і кісти) і генетичні ефекти.

Променева хвороба. У випадку однократного опромінення людини значною дозою радіації на короткий термін ефект від опромінення спостерігається вже в першу добу, а ступінь хвороби залежить від величини поглиненої дози. При дозах опромінення більш 1 Зв  можливий розвиток  променевої хвороби, тяжкість проходження якої залежить від дози опромінення. Дози однократного опромінення 6-10 Зв при відсутності медичної допомоги вважаються в 100 %  випадків смертельними.

Віддалені наслідки. До віддалених наслідків соматичного характеру відносяться різноманітні біологічні ефекти, серед яких найбільш істотними є лейкемія, злоякісні утворення, катаракта кристалика ока і скорочення тривалості життя.

Лейкемія – відносно рідке захворювання.  Імовірність виникнення лейкемії складає 1-2 випадків на рік на 1 млн. населення при опроміненні всієї популяції дозою 0,01 Зв.

Злоякісні утворення. Перші випадки розвитку злоякісних утворень від впливу іонізуючої радіації описані ще на початку XX сторіччя. Це були випадки раку шкіри кистей рук у працівників рентгенівських кабінетів. Надалі була виявлена можливість виникнення остеосарком при вмісті  альфа-радіоактивні ізотопи в організмі в кількостях порядка 0,5 мкКи. Але точно вказати мінімальні дози не можливо.

Вивчення генетичних наслідків опромінення зв'язано з  великими труднощами. По-перше, мало відомо про те, які ушкодження виникають у генетичному апараті людини при опроміненні; по-друге, повне виявлення всіх спадкоємних дефектів відбувається лише протягом багатьох поколінь; і, по-третє, ці дефекти неможливо відрізнити від тих, котрі виникли з інших причин.

Близько 10% усіх живих немовлят мають ті або інші генетичні дефекти, починаючи від необтяжливих фізичних недоліків типу дальтонізму і кінчаючи такими важкими станами, як синдром Дауна, хорея Гентингтона і різні пороки розвитку. Багато хто з ембріонів і плодів з важкими спадкоємними порушеннями не доживають до народження. Але навіть якщо діти зі спадкоємними дефектами народжуються живими, імовірність для них дожити до свого першого дня народження в п'ять разів менше, ніж для нормальних дітей.

Генетичні порушення можна віднести до двох основних типів: хромосомні аберації, що включають зміни числа або структури хромосом, і мутації в самих генах. Генні мутації підрозділяються далі на домінантні (які виявляються відразу в першому поколінні) і рецесивні (які можуть проявитися лише в тому випадку, якщо в обох батьків мутантним є той самий ген; такі мутації можуть не проявитися протягом багатьох поколінь або не виявитися взагалі). Обидва типи аномалій можуть привести до спадкоємних захворювань у наступних поколіннях, а можуть і не проявитися взагалі. інші дослідження цього не підтверджують.

Трохи насторожує повідомлення про те, що в людей, що одержали малі надлишкові дози опромінення, дійсно спостерігається підвищений зміст кліток крові з хромосомними порушеннями. Але біологічне значення таких ушкоджень і їхній вплив на здоров'я людини не з'ясовані.

Деякі радіоактивні речовини накопичуються в окремих внутрішніх органах. Наприклад, джерела альфа-випромінювання (радій, уран, плутоній), бета-випромінювання (стронцій і ітрій) і гамма-випромінювання (цирконій) відкладаються в кісткових тканинах. Усі ці речовини важко виводяться з організму.

Дія іонізуючого випромінювання на організм не відчутна людиною. Тому це небезпечно. Дозиметричні прилади є як би додатковим “органом почуттів”, призначеним для сприйняття іонізуючого випромінювання.

У результаті впливу іонізуючого випромінювання порушується нормальний плин біохімічних процесів і обмін в організмі.

Орієнтовні дози і можливі наслідки опромінення:

• 4500 м3в – важкий ступінь променевої хвороби (помирає 50% опромінених).
• 1000 м3в – нижній рівень розвитку легкого ступеня променевої хвороби.
• 750 мЗв – незначна короткочасна зміна складу крові.
• 200-300 мЗв – опромінення під час рентгенографії шлунка (місцеве).
• 2-3 мЗв – опромінення при рентгенографії зубів.
• 2-3 мЗв  – флюорографія легень.
• 1-2 мЗв – фонове опромінення за рік.
• 0,1 мЗв – перегляд одного футбольного матчу(0,05 мЗв – телевізор і монітор за 1 годину)
• 0,01-1 мЗв – польоти на літаку в залежності від висоти та тривалості перельоту.

При впливі іонізуючого опромінення летальна доза для ссавців складає 10 Зв, а енергія, що поглинається при цьому тканинами й органами тварин, могла б підвищити їхню температуру усього на тисячні частки градуса.

Поглинена доза випромінювання, що викликає уразку окремих частин тіла, а потім смерть, перевищує смертельну поглинену дозу опромінення всього тіла. При абсолютній смертельній дозі, що дорівнює для людини 10 Зв на все тіло,  в 1 см³ тканини утворюється одна  іонізована молекула на 10 мільйонів молекул.

Ступінь чутливості різних тканин до опромінення неоднакова. Якщо розглядати тканини органів у порядку зменшення їхньої чутливості до дії опромінювання, то одержимо наступну послідовність: лімфатична тканина, лімфатичні вузли, селезінка, кістковий мозок, зародкові клітини. Велика чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби.

Важливим фактором при впливі іонізуючого випромінювання на організм є час опромінення. Зі збільшенням потужності дози вражаюча дія випромінювання зростає. Чим більш дробове випромінювання за часом, тим менше його вражаюча дія.

Зовнішнє опромінення альфа- і бета-випромінюваннями менш небезпечно, тому що альфа- і бета-частинки мають невелику величину пробігу в тканині і не досягають кровотворних і інших органів.

Ступінь поразки організму залежить від розміру поверхні, що опромінюється. Зі зменшенням поверхні, що опромінюється, зменшується і біологічний ефект. Індивідуальні особливості організму людини виявляються лише при невеликих поглинених дозах.

Чим молодша людина, тим вища її чутливість до опромінення, особливо висока вона в дітей. Доросла людина у віці 25 років і більше найбільш стійка до опромінення.

При попаданні радіоактивних речовин всередину організму, вражаючу дію роблять в основному альфа-джерела, а потім бета- і гама-джерела, тобто в зворотній зовнішньому опроміненню послідовності. Слід альфа-частинки, що має високу густину іонізації, руйнує слизову оболонку, що є слабким захистом внутрішніх органів у порівнянні з зовнішнім покривом.

Ступінь небезпеки залежить також від швидкості виведення речовини з організму. Якщо радіонукліди, що потрапили усередину організму однотипні з елементами, що споживаються людиною, то вони затримуються на тривалий час в організмі, заміщуючи не радіоактивні елементи (натрій, хлор, калій і інші).