Ионизирующего излучения на среду

Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате

Рассмотрены природные и техногенные источники ионизирующего излучения в окружающей среде. Обсуждено влияние малых доз ионизирующего излучения на здоровье человека.

С. С. БЕРДОНОСОВ, Ю. А. САПОЖНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Чуть более 100 лет назад было открыто существование в природе радиоактивных атомов. В сопровождающем распад ядер этих атомов излучении были обнаружены a-частицы (a-лучи) — ядра гелия-4 Их испускают, например, ядра атомов урана 238U и 235U, а также тория 232Th. Другие радиоактивные ядра, например ядра природных атомов калия 40К и искусственно получаемых атомов стронция 90Sr, испускают при распаде b-частицы — электроны. Электроны е возникают в ядрах при превращении одного из нейтронов n в протон р: n = p + e + ; будет объяснено позже.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ

Возникающие при радиоактивном распаде этих материнских ядер дочерние ядра, например 210Ро, 226Ra, и 222Rn, обладают значительно меньшими значениями Т1/2 (вплоть до десятитысячных долей секунды). Дочерние радионуклиды вместе с материнскими образуют радиоактивные ряды, конечные продукты которых — стабильные атомы свинца. Хотя значения Т1/2 дочерних радионуклидов и невелики, они постоянно образуются при распаде предшественников и с постоянной скоростью распадаются, так что в земной коре все они содержатся в неизменных, правда в значительно меньших, чем материнские, количествах.

Наряду с радионуклидами тяжелых элементов в природе существуют и радионуклиды некоторых элементов середины Периодической системы Д.И. Менделеева. Наибольшее значение среди них имеет 40К (Т1/2 = 1,29 ″ 109 лет), входящий в смесь природных изотопов калия. На долю 40К в ней приходится 0,012%. Калий — один из самых распространенных элементов земной коры. Растения усваивают необходимый для их питания калий (и, следовательно, 40К) из почвы. Далее по пищевым цепям 40К попадает в организмы животных и человека.

Удельные активности по 40К воды,

Естественные радиоактивные изотопы обнаружены не только у калия, но и у таких элементов, как рубидий (87Rb), индий (115In), лантан (138La), у некоторых лантаноидов, у гафния (174Hf), тантала (180Ta) и платины (190Pt). Значения Т1/2 этих радионуклидов, как правило, велики и составляют 1012-1014 лет. Поэтому радиоактивность веществ, содержащих эти элементы, очень низкая, и их ионизирующее излучение практически не влияет на живые организмы. Так что можно совершенно не беспокоиться, например, о вреде для здоровья платинового ювелирного изделия, всегда содержащего радионуклид 190Pt.

В состав первичного космического излучения входят протоны высоких энергий и ядра некоторых легких элементов. При взаимодействии этого космического излучения с ядрами атомов, присутствующими в атмосфере Земли, протекает множество ядерных реакций. В результате образуются ядра новых легких элементов, а также мюоны, нейтроны, рентгеновское и g-излучение. Это так называемое вторичное космическое излучение, достигающее поверхности Земли. С участием нейтронов вторичного космического излучения в атмосфере возникают, например, радиоактивные ядра 14С (Т1/2 = = 5730 лет), а также тритий 3Н и 32Р. Воздействие на живые организмы вторичного космического излучения более слабое, чем первичного, так что атмосфера выступает как щит, прикрывающий жизнь на Земле от вредных посланцев космоса. При прохождении космического излучения через атмосферу происходит ионизация молекул газов, так что оно может быть отнесено к ионизирующему излучению. Излучение терригенных и космогенных радионуклидов, а также само космическое излучение постоянно воздействует на все живое нашей планеты.

Конечно, ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание техногенных радионуклидов в окружающую среду. Но даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон (радионуклид 85Kr), а также небольшие количества 131I, трития и некоторых других радионуклидов.

Можно отметить, что к загрязнению атмосферы радионуклидами приводит и работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продуктов их распада, и при сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу. К загрязнению почвы радионуклидами может приводить даже использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье (например, в апатите), которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы.

Если попавший в окружающую среду 239Pu прочно фиксируется почвами и практически не переходит в пищевые цепи, то такие радионуклиды, как 137Cs, 131I и особенно 90Sr, по различным пищевым цепям могут оказаться в организме человека. Так как некоторые радионуклиды способны концентрироваться в определенных органах человека (например, 90Sr в костях, а 131I в щитовидной железе), то их накопление в этих органах может привести к тяжелым заболеваниям (например, раку щитовидной железы).

Установлено, что различные виды ионизирующего излучения воздействуют на организмы по-разному. Характер воздействия в значительной степени зависит от того, находится ли радионуклид внутри организма (то есть организм подвергается внутреннему облучению) или он расположен вне организма (внешнее облучение).

Но если такой радионуклид попал внутрь организма (с воздухом, водой или пищей), то вся энергия a-частиц будет израсходована на небольшом отрезке, причем встретившиеся на их пути молекулы будут разрушены (превратятся в ионы или нейтральные химически очень активные частицы, свободные радикалы). Свободные радикалы вступают в новые химические реакции с молекулами, составляющими организм. Эти реакции носят цепной характер. В результате в организме накапливаются заметные количества чужеродных, часто сильно ядовитых веществ. Конечно, прохождение через организм одной или даже десяти a-частиц вреда не принесет — слишком мало число образовавшихся при этом свободных радикалов и ионов. Но если число попавших в организм ядер a-радионуклида велико, может наступить его серьезное поражение — лучевая болезнь.

Вредное воздействие на организм b-частицы могут оказать как при внутреннем, так и при внешнем облучении (когда радионуклид находится вне организма). Длина пробега b-частиц в тканях организма значительно больше, чем a-частиц. При этом разрушенные молекулы располагаются не так близко друг к другу, как в случае воздействия a-частиц, и поэтому при одинаковом числе прошедших через организм частиц обоих видов и их равной исходной энергии вред от воздействия b-частиц меньше.

Из сказанного понятно, что вредное воздействие ионизирующего излучения вызвано тем, что его энергия передается организму. А если излучение проходит через организм, не оставляя в нем своей энергии, то никакого вредного воздействия оно не оказывает. Так ведут себя нейтрино n и их аналоги — антинейтрино , возникающие при превращениях нейтронов в протоны. По современным представлениям каждого из нас постоянно пронзают мощные потоки нейтрино и антинейтрино, но абсолютно никакого воздействия на живые организмы они не оказывают.

Для того чтобы охарактеризовать воздействие ионизирующего излучения на организм, используют понятие дозы. Доза ионизирующего излучения — это энергия, которую излучение передает тому телу, через которое оно проходит. Единица поглощенной дозы Дпогл 1 грей (1 Гр), 1 Гр отвечает поглощению 1 Дж в 1 кг вещества.

Ученые объяснили, почему в случае воздействия на организм даже небольших доз возможны тяжелые последствия: все дело в образующихся под действием излучения ионах, и особенно свободных радикалах. Вредное воздействие поглощенного ионизирующего излучения зависит от того, каким типом излучения обусловлена доза. Вредный эффект поглощенной дозы в 0,1 Гр от a-радионуклида значительно сильнее, чем от такой же дозы, связанной с поглощением b-, g- или рентгеновского излучения. Для характеристики различий воздействия на организм ионизирующего излучения разных типов используют понятие эффективной дозы Дэфф . Дэфф = WR " Дпогл (коэффициент WR отражает эффективность биологического воздействия излучения). Значение WR для b- и g-излучения равно 1, а для a-излучения — 20. Единица эффективной дозы — 1 зиверт (1 Зв).

Для работников предприятий ЯТЦ значение предельно-допустимой дозы составляет не более 50 мЗв за год. Вопрос о том, что такое предельно-допустимая доза и на основании чего она установлена, довольно сложен и будет кратко рассмотрен далее.

Если измерить число ионов, возникших при прохождении излучения через воздух, то можно сделать вывод о значении экспозиционной дозы Дэксп . Внесистемная единица экспозиционной дозы 1 рентген (1 Р). При экспозиционной дозе в 1 Р в 1 см3 сухого воздуха, находящегося при 0?C и 0,1 МПа, за счет прохождения g- или рентгеновского излучения возникает 2,08 ″ 109 пар ионов. Экспозиционной дозе в 1 Р для человеческого тела соответствует эффективная доза примерно в 0,01 Зв, так что по измерениям экспозиционной дозы можно ориентировочно судить и об эффективной дозе.

Но ведь все мы постоянно подвергаемся воздействию малых доз радиации, причем колебания естественного радиационного фона в несколько раз ни на продолжительности жизни, ни на частоте заболеваний не сказываются. Как же обстоит дело с вредом от малых доз? Надежных данных о том, какое воздействие оказывают малые дозы радиации (на уровне от нескольких миллизивертов до 20-50 мЗв в год) на частоту появления заболеваний, нет.

Наконец, как ни странно, существует и такая точка зрения: малые дозы, даже в 5-10 раз большие естественного фона, полезны для организма и способствуют увеличению продолжительности жизни. У сторонников каждой точки зрения есть аргументы в пользу своих представлений. Так как однозначного вывода сделать нельзя, в настоящее время принято считать, что, чем меньше получаемая человеком доза ионизирующего излучения, тем лучше. Поэтому стараются всячески снижать дозу, получаемую организмом (например, ограничивая число медицинских рентгеновских обследований).

ПО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ. РАДИАЦИОННЫЕ АВАРИИ

Рассмотрим кратко, в чем состоят, например, причины загрязнения радионуклидами окружающей среды даже при нормальной (безаварийной) работе предприятий ЯТЦ. Сначала из недр Земли извлекают урановую руду. Затем ее дробят. Используемые в настоящее время урановые руды часто содержат менее 0,5% урана. Добиться полного извлечения урана из таких бедных руд нельзя. В результате на поверхности Земли возникают огромные отвалы переработанных руд, так называемые хвосты. Для работы ядерного реактора мощностью в 1 ГВт в течение года требуется переработать столько руды, что объем образовавшихся хвостов превышает 3 i 105 м3. По имеющимся данным, общий объем урановых хвостов в США уже превышает 0,14 км3!

Даже при нормальной (штатной) работе ядерных реакторов в атмосферу постоянно поступает радионуклид 85Kr (Т1/2 = 10,72 года). Криптон — инертный газ, его трудно удалить, связав в какое-либо химическое соединение, и образующийся 85Kr смешивается с атмосферным воздухом. Кроме 85Kr при штатной работе реактора в окружающую среду попадают тритий 3Н, радиоиод 131I и некоторые другие радионуклиды.

К особенно тяжелым последствиям с точки зрения распространения техногенных радионуклидов по поверхности Земли приводят аварии, которые происходили на ядерных реакторах (например, авария в Уиндскейле, Великобритания, 1957 год, авария на Трехмильном острове в США, 1979 год, и особенно авария на Чернобыльской АЭС в СССР в 1986 году), или аварии в местах хранения радиоактивных отходов (Кыштым, СССР, 1957 год).

Разумеется, все перешедшие в окружающую среду сравнительно короткоживущие радионуклиды (131I, 95Zr, 140Ba) уже полностью распались. Основные количества долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs с талыми водами, потоками дождевой воды частично перешли в реки и оказались в донных отложениях. 137Cs подвержен миграции по поверхности Земли значительно слабее, чем 90Sr, он оказывается прочно связанным с почвой, илом, глиной. Значительно лучше мигрирует в почвах 90Sr (из-за образования растворимого в воде гидрокарбоната Sr(HCO3)2). Поэтому в настоящее время наибольшую опасность представляет попадание с пищевыми продуктами в организм человека именно 90Sr, хотя в отдельных местах сохраняются и опасные уровни загрязненности по 137Cs.

РАДИАЦИЯ И ЖИЗНЬ

Но вместе с тем нельзя не учитывать и того, что мутации, обусловленные природными радионуклидами, которые наблюдались в ходе развития жизни на Земле, способствовали эволюции видов. Имеется и такая точка зрения, что само возникновение жизни на Земле было бы невозможно без воздействия ионизирующих излучений.

Нужно подчеркнуть, что вред для здоровья от всех техногенных радионуклидов для жителей России неизмеримо меньше того вреда, который приносит такая вредная привычка, как табакокурение. Можно надеяться, что в дальнейшем будут разработаны менее опасные, чем сегодня, процессы получения ядерной энергии и более надежные способы обращения с высокорадиоактивными отходами, так что даже потенциальный вред от использования радионуклидов будет практически исключен.

1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). М.: Центр сан.-эпидемиол. нормирования, гигиен. сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. 116 с.

3. Сапожников Ю.А., Бердоносов С.С. Радиоэкология // Химическая энциклопедия. М.: БРЭ, 1995. Т. 4. С. 173.

* * *

Юрий Александрович Сапожников, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ. Область научных интересов — распределение радионуклидов по поверхности Земли, измерение малых активностей радионуклидов. Автор и соавтор более 120 научных работ, научной монографии, пособия для студентов-радиохимиков.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий