-
Явление радиоактивности — превращения одних химических элементов в другие — стало известно с 1896 г., когда впервые было обнаружено излучение урана. Позднее супругами Кюри было установлено, что превращение урана сопровождается появлением двух новых элементов, получивших название полоний (в честь родины Марии Кюри-Склодовской) и радий (от лат. «испускающий лучи»). Марией Кюри-Склодовской впервые и был введен термин «радиоактивность». В отличие от рентгеновского излучения, связанного с орбитальными «перескоками» вращающихся вокруг ядра атома электронов, радиоактивное излучение связано с процессами, происходящими внутри ядер.
-
Известно, что ядра состоят из положительно заряженных частиц — протонов и нейтрально заряженных — нейтронов. Число протонов в ядре обуславливает порядковый номер химического элемента и, в конечном счете, его название. Суммарное число протонов и нейтронов — массовое число. Его приписывают сверху символа химического элемента. Ядра одного и того же элемента, различающиеся числом нейтронов, называются изотопами. В частности, у урана при 92-х протонах может быть 146 или 143 нейтрона. Эти два изотопа называют соответственно уран-238 и уран-235. Их распространенность в природе различна. В природном уране содержится 99,28 % урана-238 и всего лишь 0,72 % урана-235. Изотопы всех химических элементов получили название нуклидов. Исследование «жизни» нуклидов показало, что она во многом схожа с несчастной семейной жизнью. Так, в результате драматических коллизий протонов с нейтронами из ядер таких элементов, как уран, плутоний, торий, «летят щепки» — частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Соответствующее явление получило название альфа-излучения. Итогом этого излучения является образование ядер элементов с массовыми числами на четыре единицы меньше исходных. В частности, радий-226 переходит в радон-222, а последний в полоний-218 и т.д.
-
В более легких элементах (массовое число меньше 200) «страсти», как правило, меньше, здесь летит лишь «пух» — электроны. Причем в результате «семейных коллизий» внутри ядра происходит перерождение одного из нейтронов в протон, что сопровождается также рождением электрона. Последний с большой скоростью покидает ядро, образуя так называемое бета-излучение. Ясно, что увеличение числа протонов в ядре на единицу приводит к его перерождению в ядро другого химического элемента. Типичным примером такого рода может служить превращение стронция-90 в иттрий-90. Но есть ядра, в которых наряду с альфа- или бета-излучением «семейная коллизия» разрешается в «словесной форме», т.е. избыток энергии отдается «в чистом виде» — в форме электромагнитного излучения. Это коротковолновое излучение (с длинами волн в миллионные доли микрона) получило название гамма-излучения. Характерным примером может служить превращение ядер цезия-137 в барий-137. Действительно, такой переход вначале сопровождается испусканием бета-частиц (электронов) и рождением ядра возбужденного бария-137, а затем снятием этого возбуждения при гамма-излучении и переходе бария в стабильное состояние. Нуклиды, не являющиеся стабильными, т.е. распадающиеся с альфа-, бета- или гамма-излучением, называются радионуклидами.
-
Время, в течение которого количество данного радиоактивного вещества (число ядер) уменьшается вдвое, известно как период полураспада. Это тем не менее не означает, что все вещество распадется за оставшуюся половину. Распадается лишь половина от остатка — и т.д. Для различных элементов период полураспада различён и меняется от долей секунды до миллиардов лет. Определить его можно, если наблюдать за числом распадов в секунду, происходящих в известном количестве радиоактивного вещества. Количество распадов ядер за единицу времени называется активностью. За единицу активности принят Беккерель. Другая, часто используемая единица активности — Кюри — дань истории. 1 Кюри — активность, создаваемая одним граммом радия, соответствует 37 миллиардам распадов в секунду или 37 миллиардам Беккерелей.
-
Радиоактивный распад может быть естественным (без вмешательства извне) и искусственным (осуществляемым за счет принудительной бомбардировки ядер частицами). В результате естественного распада переход одного химического элемента в другой происходит чрезвычайно медленно и сопровождается сложной цепочкой альфа- и бета-распадов. Так переход урана-238 в свинец-206 сопровождается восемью альфа- и шестью бета-распадами. Этот процесс длится миллиарды лет. Однако, его можно существенно ускорить, если бомбардировать ядра тяжелых элементов, например, урана, нейтронами. Это приводит к образованию в исходном веществе изотопов элементов середины периодической системы Менделеева, точнее, их радиоактивных изотопов. Из большого числа возможных продуктов деления ядер урана и плутония выделим два: цезий-137 и стронций-90, с периодами полураспада около 30 лет.
-
В ядерной энергетике важным свойством реакций деления ядер тяжелых элементов является выход вторичных нейтронов. Эти нейтроны, попадая в ядра и разбивая их, в свою очередь высвобождают новые нейтроны, делая реакцию цепной. Так, в каждом акте деления урана-235 образуется два нейтрона. Однако, если реакция идет в присутствии большого количества и урана-238, то образованные нейтроны эффективно поглощаются его ядрами, и реакция прекращается. Поглощение ураном-238 нейтронов, в конечном итоге, приводит к образованию плутония-239, ядра которого в свою очередь делятся с образованием трех нейтронов, что обусловило его эффективность в качестве ядерного топлива.
-
Указанное обстоятельство привело в сороковых — пятидесятых годах нашего столетия к проблеме получения плутония в больших количествах, для чего пришлось очищать химическими методами большие количества урановой руды, выделять из нее уран и, затем облучая его нейтронами в специальных реакторах, получать плутоний. Стратегическое значение основного компонента ядерного оружия в существовавших в Советском Союзе условиях допускало любую технологию производства. Поэтому отдельные стадии химической технологии сопровождались накоплением и выбросами огромных количеств радиоактивных отходов, включающих и долгоживущие изотопы цезия-137 и стронция-90. Воздействию их на человеческий организм не придавалось должного значения.
-
Тем не менее, с опасными свойствами радиоактивности столкнулись сразу после ее открытия. Так, Беккерель, работая с радием, получил ожог кожи. М. Кюри умерла от злокачественного заболевания крови. Известно также, что первый этап изучения радиоактивности стал губительным еще для 300 человек, переоблучившихся в научных лабораториях. Таким образом, как бы кощунственно это не звучало, первым «детектором радиоактивности» стал человек и другие живые биологические объекты. В частности, поэтому один из первых способов регистрации излучения основывался на эффекте покраснения кожи, другие — на гибели яиц дрозофил или червей в месте действия радиации. Не случайно первые основы дозиметрии были сформулированы врачом и одновременно физиком Кристеном (Швейцария, 1913 г.). Остановимся на ее основных понятиях.
-
Поглощенной дозой называется отношение величины поглощенной энергии к массе облучаемого вещества. Единицей измерения поглощенной дозы является Грей, равный 1 Джоулю, деленному на 1 килограмм. Одним из первых эффективных способов определения величины поглощенной энергии явился подсчет числа ионов, создаваемых излучением, в газе с известной энергией ионизации атомов и молекул. Для дозы рентгеновских и гамма лучей, при которой в нормальных условиях в 1 см3 образовалось 109 пар ионов, установили специальную величину — 1 Рентген (1 Рентген = 0,01 Грей). 1 Укажем, что Рентгены связаны только с гамма-излучением. При одинаковой энергии радиационного излучения различные его виды поглощаются неодинаково в биологических тканях, т.е. обладают различной проникающей способностью. Самое большое ионизирующее воздействие оказывает альфа-излучение, вследствие чего быстро теряет свою энергию в веществе и поэтому может быть задержана даже обычным листом бумаги. Его воздействие особенно опасно при попадании альфа-частиц внутрь организма. По сравнению с альфа-излучением, бета-излучение обладает большей проникающей способностью и проходит в ткани организма на глубину 1 — 2 см.
-
Проникающая способность гамма-излучения, распростраянющегося со скоростью света, очень велика. Его может задержать лишь толстая бетонная или свинцовая плита. Учет неодинакового воздействия на организм перечисленных видов излучения потребовал введения новых величин: эквивалентной дозы и биологического эквивалента Рентгена — Бэра. Эквивалентная доза есть поглощенная доза, умноженная на коэффициент качества, учитывающего способность конкретного типа излучения повреждать ткани организма. Значения этого коэффициента для гамма- и бета-излучения принимаются равными 1, для медленных нейтронов — 3, быстрых — 10, альфа-излучения — 10 и выше. 1 Бэр — суммарная доза, обусловленная всеми видами излучения, которая приводит к такому же биологическому воздействию, как и 1 Рентген гамма-излучения. Для практических расчетов можно считать 1 Бэр = 1 Рентгену. Эквивалентную дозу измеряют также в Зивертах (1 Зв = 100 Бэр).
-
В медицинских целях важно знать, какова восприимчивость к радиации отдельных органов при одной величине облучения организма. Дозу, приходящуюся на отдельный орган, определяют умножением эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент восприимчивости и называют эффективной эквивалентной дозой. Непосредственное воздействие радиации на организм сводится к следующему. 60 — 70 % биологической массы организма составляет вода. В результате ионизации молекул воды в ней образуются свободные радикалы. Наиболее неприятными из них являются радикалы гидроперекиси НО2 и перекиси водорода Н2О2, которые обладают высокой химической активностью и вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и т.д., что приводит к изменению биохимических процессов в организме. Последнее приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных органов и организма в целом. Следует отметить, что никакой другой вид энергии не приводит к столь губительным последствиям. В частности, смертельная доза для взрослого человека составляет 700 — 800 Бэр при облучении всего тела, что соответствует количеству энергии, излучаемой электрической лампочкой в 100 Ватт за 7 — 8 секунд.
-
Сколько же можно получить Рентгенов (Бэров) для того, чтобы последствия были не столь печальны? Такими вопросами занимаются специально Международная и Национальная Комиссия по радиационной защите (МКРЗ) и (НКРЗ). Итогом работы НКРЗ являются выпускаемые ею «Нормы радиационной безопасности» (НРБ). В последних НРБ 76/87 нормативом безвредного воздействия радиации, сверх естественного фона (приблизительно составляющего 0,5 Бэр в год), считается 0,5 Бэр в год. Это означает, что при постоянном воздействии избыточной и естественной радиации, не превышающей нормы (1 Бэр в год), мощность экспозиционной дозы гамма-облучения весь год может держаться на уровне 120 микроРентген в час. Отсюда же следует, что человек без последствий в течение всей жизни (70 лет) сверх естественной дозы может получать 35 Бэр. Такую величину можно получать при облучении всего тела.
-
При облучении отдельных органов приходится их разделять по категориям критичности. К первой группе критических органов относятся половые железы и красный костный мозг. Ко второй — мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенку, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза и др. (за исключением кожи, костной ткани, кистей, предплечий, лодыжек и стоп). Допустимой эквивалентной дозой для органов первой группы считают 1,5 Бэр в год, второй ~ 3 Бэра в год. Вред здоровью от радиации проявляется в виде лучевой болезни, ожогов, катаракты, бесплодия, воспалений различных органов, лейкозов, рака, поражения плода при беременности и наследственных заболеваний. Тем не менее, выявить прямую зависимость от радиации здесь достаточно сложно, что связано с существованием скрытого периода их развития. Ясно, что если скрытый период достаточно длителен, на развитие болезни могут влиять и другие факторы. В настоящее время установлено, что точный прогноз можно дать лишь при дозах выше 35 Бэр.
-
На последствия радиационного облучения влияет и время, в течение которого набирается определенная доза. Особо вредным является получение дозы за короткий промежуток времени. Оказывается, что однократное облучение семенников при дозе в 10 Бэр приводит к временной стерильности мужчин. Красный костный мозг теряет способность нормально функционировать при дозах выше 50 Бэр. Облучение глаз сопровождается гибелью клеток хрусталика, в результате чего он утрачивает свою прозрачность и наступает слепота. Критическим значением для хрусталика является 25 — 50 Бэр.
-
Крайне чувствительными к радиации являются дети. Небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, что приводит к аномалиям развития скелета. Восприимчивым является и мозг плода, особенно если мать подвергается облучению между восьмой и пятнадцатой неделями беременности. Последнее связано с образованием в этот период коры головного мозга и соответственно сопряжено с риском рождения умственно отсталого ребенка. По расчетам, основанным на материалах Научного Комитета по действию атомной реакции (НКДАР ООН), ожидается от 50 до 350 случаев появления серьезных наследственных аномалий на миллион новорожденных при получении одним из родителей дозы 1 Бэр в год. При хроническом ее получении эта цифра увеличивается в 10 раз.
-
Одними из самых опасных заболеваний, связанных с облучением, являются раковые. Из них на первом месте стоят лейкозы. В среднем они вызывают гибель людей через 10 лет с момента облучения. Установлено, что при дозе облучения в 100 Бэр на все тело от лейкоза умирает один человек из пятисот облученных. Другими распространенными разновидностями рака оказались рак молочной и щитовидной желез. При той же дозе вероятность их возникновения достигает 0,01. Не лучше дело обстоит и с раком легких: здесь на каждые 200 человек облученных с дозой в 100 Бэр также приходится одно заболевание. Скрытые периоды этих заболеваний могут превышать 20 лет.
-
Приведенные НКДАР оценки в большинстве случаев опираются на данные, полученные при анализе заболеваний пострадавших в Нагасаки и Хиросиме. Ясно, что уровень существовавших методик по определению дозовых нагрузок вряд ли позволял проводить точные оценки. После Чернобыльских событий МКРЗ пришла к выводу, что риск появлений злокачественных образований в действительности в 2 — 4 раза выше. Именно поэтому МКРЗ в 1990-м году предложила пересмотреть предельные дозы облучения населения. Кратко остановимся на основных источниках радиоактивного загрязнения территорий, расположенных по ВУРСу и Тече. Как было отмечено выше, по количественному составу здесь прежде всего выделяются долгоживущие изотопы цезий-137 и стронций-90. Вместе с тем, в отходы частично попадают и основные производные продукты, однако их количество достаточно мало.
-
Допустимые пределы дозиметрических характеристик на перечисленные элементы устанавливаются из расчета непревышения годового норматива, определяемого для населения нормами радиационной безопасности (0,5 Бэр/год). Прежде всего, они устанавливаются для вредных изотопов в наиболее важных для жизнеподдержания средах: воздухе и воде. Так для стронция-90 допустимая концентрация (ДК) по активности в воздухе не должна превышать 4·10-14 Кюри на литр, а в воде 4·10-10 Ки/л. Для цезия-137 эти значения равны 5·10-13 и 1,5·10-8 Ки/л соответственно. Концентрации для урана-238 несколько меньше — 2·10-15 Ки/л в воздухе и 6·10-10 Ки/л в воде. Плутоний имеет еще меньшую допустимую концентрацию — 3·10-17 Ки/л.
-
Пониженное содержание урана и плутония в воздухе обусловлено тем,что они испускают альфа-частицы, приносящие при попадании в организм наибольший вред. При загрязнении территории радионуклидами немаловажной характеристикой является и предел годового поступления (ПГП) радионуклида с пищей и вдыхаемым воздухом. Ограничимся здесь указанием ПГП при поступления с пищей стронция-90, т.к. оно положено в основу оценки допустимого для проживания площадного загрязнения территории. Указанная величина равна 0,32 микроКюри. Для конкретного случая Кыштымского загрязнения — установлено, что при площадном загрязнении в 1 Кюри на квадратный километр стронцием-90 1,4·10-10 Кюри/сутки попадает в рацион человека. Соответственно, при загрязнении территории в 4 Кюри на квадратный километр суточное поступление стронция с пищей возрастет в 4 раза, что за год роставит 0,2 микроКюри. Как видно из приведенного примера, принятый в качестве безопасного в 1956 году уровень содержания стронция-90 в почве, или величина площадного загрязнения (4 Кюри/км2), находится в соответствии с существующими нормами. Стронций выбран потому, что накапливается в костях и в отличие от цезия-137 значительно медленнее выводится из организма. В Кыштымских событиях 1957 года значение 4 Ки/км2 принималось за критерий для отселения проживающего населения. Территория радиоактивного следа с загрязнением выше этого значения составила 700 квадратных километров. Она вошла в санитарно-охраняемую зону (СОЗ).
-
Для территорий, находящихся в пойме реки Теча, приведем еще одну важную радиационную характеристику: удельную активность. Она измеряется в единицах — Кюри, на килограмм (Ки/кг). Анализ проб грунта показал, что удельная активность почвы за счет естественных радионуклидов (калий-40, радий-226, торий-232) составляет в районе Течи 0,005 — 0,02 мкКи/кг. В то же время активность, обусловленная стронцием-90 и цезием-137, даже сегодня доходит в пойменных территориях до 1 микроКюри на килограмм, т.е. искусственные загрязнители в десятки, сотни раз активнее естественных. Отсюда следует, что во столько же раз увеличится по отношению к естественному и поступление радионуклидов в пищевую цепочку. Таким образом, пойменные территории до сих пор представляют серьезную опасность для населения.
-
-
-
-
|
