Читать книгу Общая и военная гигиена - Коллектив авторов - Страница 22

Природные источники ИИ. К природным источникам ИИ относятся космическая радиация, а также природные радионуклиды земного и космического происхождения, присутствующие во всех элементах биосферы. Совокупность природных источников ИИ определяет естественный радиационный фон (ЕРФ) – дозу облучения, создаваемую космической радиацией и излучением природных радионуклидов, естественно распределенных в земле, воде, воздухе, других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме человека.

По современным данным, общая годовая эффективная доза на душу населения в мире оценивается равной 2208 мкЗв (220,8 мбэр), что соответствует годовой коллективной эффективной дозе (КЭД) 10⁷ чел-Зв (10⁹ чел-бэр).

Естественные источники ИИ обусловливают как внешнее облучение (космическое излучение; излучение радионуклидов, присутствующих в земной коре и строительных материалах), так и внутреннее, связанное с поступлением радионуклидов естественного происхождения в организм через органы дыхания и пищеварения.

Характерной особенностью излучения естественных источников является то, что оно воздействует на население Земли с относительно постоянной мощностью дозы в течение очень длительного периода времени.

Одним из значимых компонентов ЕРФ является космическое излучение, которое разделяют на первичное и вторичное.

Первичное космическое излучение – это поток высокоэнергетических частиц, поступающих в земную атмосферу из межзвездного пространства. Оно примерно на 90 % состоит из протонов, около 10 % в нем составляют α-частицы, менее 1 % – нейтроны, электроны, γ-кванты и ядра легких элементов (лития, бериллия, азота, кислорода и др.). Большая часть первичного космического излучения возникает при звездных взрывах в пределах нашей Галактики (галактическое космическое излучение) и отличается огромной энергией, достигающей 10¹⁴ МэВ. В течение последних миллиардов лет плотность потока первичного галактического космического излучения считается постоянной.

Кроме галактического, существует солнечное космическое излучение, частицы которого имеют относительно невысокую энергию порядка 1—40 МэВ и поэтому не вносят существенного вклада в дозу излучения на поверхности Земля. Однако его мощность резко увеличивается при вспышках на Солнце, что имеет существенное значение при космических полетах и высотных полетах самолетов. Интенсивность первичного космического излучения (галактического и солнечного) начинает уменьшаться с высоты 45–50 км и на уровне моря составляет лишь 0,05 % от первоначального.

Вторичное космическое излучение характеризуется сложным составом: в нем представлены практически все известные в настоящее время элементарные частицы. Оно возникает в атмосфере Земли в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами нуклидов, входящих в состав воздуха. Возникающие при этом высокоэнергетические частицы вызывают каскад последующих ядерных превращений и резкое увеличение мощности дозы, максимальная величина которой наблюдается на высоте 20–25 км над уровнем моря. По мере уменьшения высоты в результате экранирующего действия атмосферы интенсивность вторичного космического излучения падает.

Интенсивность вторичного космического излучения увеличивается в направлении от экватора к полюсам, что обусловлено отклонением магнитным полем Земли в этом направлении положительно заряженных частиц первичного космического излучения. Кроме того, на интенсивность космического излучения оказывают влияние температура воздуха и атмосферное давление

Естественная радиоактивность биосферы обусловлена космогенными и терригенными (земного происхождения) радионуклидами.

Космогенные радионуклиды (тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22, фосфор-32, сера-35 и ряд других) постоянно возникают в стратосфере и верхней тропосфере за счет взаимодействия первичного космического излучения (протонов и нейтронов) с ядрами стабильных атомов (азота, кислорода, аргона и др.), присутствующих в воздухе. Они обусловливают формирование дозовой нагрузки на человека за счет внутреннего облучения порядка 15 мкЗв или менее 1 % от ЕРФ. В связи с относительным постоянством космического потока над земной поверхностью годовые дозы облучения за счет них являются весьма однородными в различных регионах Земли.

Терригенные радионуклиды существуют на Земле с момента ее образования и представлены радиоактивными семействами урана, радия и тория, а также калием-40, рубидием-87 и некоторыми другими долгоживущими радионуклидами, расположенными в средней части Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Периоды их полураспада очень велики (миллиарды лет), и поэтому естественный фон, обусловленный терригенными радионуклидами, как правило, весьма постоянен для той или иной территории.

Родоначальники радиоактивных семейств: уран-238, уран-235 и торий-232 – через ряд дочерних радиоактивных продуктов распада от урана до таллия (более 30 нуклидов) превращаются в стабильные изотопы свинца. Наиболее важное гигиеническое значение из радионуклидов, представляющих ряды урана – радия и тория, имеют уран-238, радий-226, радон-222, свинец-210 и полоний-210.

Радиоактивность почв зависит, прежде всего, от активности материнских горных пород. При этом наибольшей радиоактивностью обладают сероземы, наименьшей – торфяники.

Общая естественная объемная радиоактивность поверхностных и подземных вод определяется процессами вымывания радионуклидов из горных пород и почв, с которыми они контактируют, а также осаждения радионуклидов из атмосферы с атмосферными водами в виде дождя, снега, града. Из подземных наибольшей радиоактивностью обладают воды, связанные с кислыми магматическими породами, наименьшей – с осадочными. Органическая часть ила открытых водоемов, как правило, отличается большей радиоактивностью по сравнению с их водой и подстилающим грунтом. Радиоактивность морских вод имеет прямую связь с ее соленостью.

Интенсивное вымывание радионуклидов из толщи горных пород приводит к образованию в некоторых районах радиоактивных вод, которые широко используются при лечении ряда заболеваний. По преимущественному содержанию конкретных радионуклидов они подразделяются на радоновые (курорты Белокуриха, Железноводск, Пятигорск), радиевые (курорты Исти-Су, Кисловодск, Цхалтубо), радоно-радиевые (курорт Мацеста, Ильменские и Славянские источники).

Естественная радиоактивность воздуха обусловлена эманированием из почв газообразных продуктов радиоактивных семейств урана-радия и тория – радона-222, радона-220 (торона), радона-219 (актинона) и дочерними продуктами распада. Интенсивность их выделения зависит от типа, пористости, влажности и температуры почв, а также от времени суток, сезона и метеорологических условий. Концентрации вышеназванных радионуклидов в приземном слое разных районов земного шара различны: водная поверхность, снежный и ледовый покровы препятствуют выходу радиоактивных газов из почв и горных пород.

Естественная радиоактивность тканей растений и животных и, соответственно, пищевых продуктов зависит от содержания радионуклидов в почвах, на которых растения культивируются, способности некоторых организмов накапливать определенные радионуклиды, механизмов миграции последних по пищевым цепочкам и т. д.

Природные радионуклиды и продукты их распада, находясь в объектах окружающей среды, являются источником внешнего облучения человека, а при попадании внутрь организма через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт всасываются, в той или иной мере задерживаются в органах и тканях, вследствие чего происходит его внутреннее облучение.

Основной вклад в дозу внутреннего облучения вносят калий-40 и радиоактивный газ радон. Калий-40 является биогенным элементом, содержится во всех животных и растительных продуктах и поступает в организм человека главным образом с пищей. Средняя массовая концентрация калия в организме человека составляет 2 г на 1 кг массы тела. Попадая внутрь организма, калий-40 вызывает внутреннее облучение, достигающее 180 мкЗв (18 мбэр), или 8 % всей годовой КЭД.

Радон – инертный газ, невидимый, не имеющий вкуса и запаха, в 7,5 раз тяжелее воздуха. В природе радон встречается в двух основных формах: в виде радона-222, образующегося при α-распаде радия-226 и в виде радона-220 (торона). Радий в незначительных количествах содержится во всех типах почв, грунтах, минералах и, следовательно, строительных материалах.

Полагают, что вклад в суммарную дозу облучения радона-222 примерно в 20 раз больше, чем радона-220. Однако также установлено, что основной вклад в дозу облучения вносит не сам радон (на него приходится не более 2 % суммарной дозы), а его дочерние короткоживущие продукты распада: полоний-218, свинец-214 и висмут-214 с периодом полураспада 3,1; 26,8 и 19,7 мин соответственно. Обычно все эти радионуклиды рассматриваются в едином комплексе, который условно называют просто радоном.

Относительно большой период полураспада радона (3,82 сут) и высокая способность к диффузии позволяют ему распространяться по порам и трещинам в почве, через щели в фундаменте зданий поступать из подвалов в помещения и при отсутствии вентиляции накапливаться там в значительных концентрациях. Доказано, что просачивающийся через неплотности в перекрытиях радон представляет собой главный источник радиоактивного облучения населения в закрытых помещениях. Данные по удельной радиоактивности строительных материалов свидетельствуют, что больше всего его содержится в кальций-силикатном шлаке, фосфогипсе, глиноземе, граните, пемзе, красном кирпиче, меньше всего – в дереве, природном гипсе, песке и гравии.

Концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов, как правило, ниже, чем на первом этаже. При этом содержание радона в деревянных домах нередко оказывается выше, чем в кирпичных, хотя дерево выделяет ничтожное количество радона по сравнению с другими материалами. Это объясняется тем, что деревянные дома, как правило, имеют меньшую этажность, чем кирпичные, и, следовательно, помещения находятся ближе к земле – основному источнику радона.

Средняя годовая индивидуальная эффективная доза, получаемая населением за счет радона, достигает 1,0–1,24 мЗв (100–124 мбэр), что составляет примерно половину дозы от всех естественных источников радиации. Годовая КЭД облучения легких за счет продуктов распада радона равна 106 чел. – Зв. По оценкам специалистов, облучение за счет радона и дочерних продуктов его распада обусловливает 10–20 % общего количества заболеваний раком легкого у населения Земли.

Проблема защиты от радона является одной из важнейших в современном мире, поскольку именно на этом направлении может быть достигнуто значительное снижение КЭД жителей планеты, прежде всего городского населения. В настоящее время концентрация радона в жилых помещениях регламентируется и во вновь строящихся и проектирующихся зданиях она не должна превышать 100 Бк/м³. При концентрации радона в эксплуатирующихся зданиях свыше 400 Бк/м³ может быть поставлен вопрос о переселении жильцов и перепрофилировании здания.

Уменьшение облучения населения от радона и его дочерних продуктов распада может быть достигнуто путем удаления накопившихся продуктов путем надлежащего вентилирования и снижения поступления радона из грунта, стен, перекрытий путем их герметизации – вентиляционные установки в подвалах, облицовка стен пластиковыми материалами, покрытие стен краской и т. п. Эффективные меры по радонозащищенности зданий и его помещений должны предприниматься еще на стадии их проектирования со строгим радиационным контролем строительных материалов.

Техногенно повышенный естественный радиационный фон. Уровни облучения людей от природных источников ИИ могут изменяться (чаще всего в сторону повышения) в результате технической и иной деятельности человека, связанной, например, с полетами на больших высотах, с извлечением из земных недр и использованием энергоносителей (угля, нефти, газа), сырья для изготовления минеральных удобрений, строительных материалов и т. д. Такое изменение ЕРФ называют техногенным, т. е. порожденным технической деятельностью человека, однако в данном случае речь идет об увеличении или уменьшении радиационного воздействия на людей только от природных источников ИИ.

Искусственные (техногенные) источники ИИ в отличие от природных являются продуктом специальной научной и инженерно-технической деятельности людей, направленной на создание различных технологий, в которых ИИ находит полезное применение.

Во многих техногенных источниках присутствуют искусственные радионуклиды, которые образуются в процессе эксплуатации источника или включаются в него при изготовлении в качестве необходимого функционального элемента. В техногенном источнике могут присутствовать и природные радионуклиды, но в гораздо большей, чем в окружающей среде, концентрации, специально созданной при его изготовлении, что не дает оснований относить такой источник к природным. Наконец, существуют такие виды техногенных источников ИИ, в которых отсутствуют как природные, так и искусственные радионуклиды, а ИИ создается в них при работе специальных генераторов в качестве полезного или побочного эффекта.

К техногенным источникам ИИ относятся, прежде всего, предприятия ядерного топливного цикла, ядерное оружие, радиоизотопные приборы и потребительские товары, источники ИИ медицинского назначения.

Предприятия ядерного топливного цикла (ЯТЦ) играют ведущую роль в загрязнении биосферы радионуклидами. Несмотря на Чернобыльскую и ряд других аварий, в мире сохраняются устойчивые темпы развития ядерной энергетики, поскольку в ближайшей исторической перспективе реальных альтернативных источников энергии нет. Удельный вес атомных электростанций (АЭС) в мировой выработке электроэнергии составляет более 17 %, достигая в некоторых странах, в частности Франции, ~ 75 %. К этому следует добавить почти 600 ядерных энергетических установок (ЯЭУ), установленных на различных типах надводных и подводных кораблей ВМФ, судах гражданского флота, а также большое количество исследовательских, экспериментальных и других реакторов.

При всем разнообразии конструкций ядерных реакторов весь ЯТЦ включает три стадии – начальную, основную и заключительную, имеющие специфические особенности при оценке загрязнения биосферы радионуклидами и формировании радиационного фона.

Начальная стадия ЯТЦ – это добыча, переработка, обогащение, создание и транспортировка ядерного топлива. Сырьем для создания ядерного топлива является добываемая на рудниках урановая руда, из которой в заводских условиях вырабатывают урановый концентрат, служащий для изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), используемых в ядерных реакторах. Возможные при этом выбросы радиоактивных отходов, содержащих природные радионуклиды уранового ряда, обусловливают сравнительно небольшое облучение населения.

На основной стадии ЯТЦ – эксплуатации ядерных реакторов, получении ядерной энергии, превращении ее в энергию других видов и использовании – образуется большое количество искусственных радионуклидов, преимущественно короткоживущих, с чрезвычайно высокой суммарной активностью. К ним относятся продукты деления (осколки) ядер урана-235, урана-233, плутония-239, а также продукты активации, которые образуются в результате облучения нейтронами конструкционных материалов реактора и его рабочих сред.

Технологические системы объектов с ядерными реакторами сконструированы и эксплуатируются таким образом, чтобы обеспечить практически полную изоляцию биосферы от радиоактивных веществ (РВ), а возможные их утечки в окружающую среду свести до допустимых уровней. Поэтому при нормальных условиях эксплуатации реакторов радиоактивное загрязнение окружающей среды происходит фактически только за счет регламентированных выбросов газоаэрозольных отходов, в составе которых находятся радиоизотопы благородных (инертных) газов (криптона-85, -87, -88; ксенона-133, -135; аргона-41; йода-129, -131, -133, -135), а также тритий и углерод-14. Они выбрасываются в атмосферу через специальные газоотводные трубы высотой 100–150 м, благодаря чему эффективно разбавляются в воздухе. В результате этого дозовая нагрузка на население составляет менее 1 % от облучения за счет ЕРФ. Причем радиационная опасность АЭС для населения меньше, чем тепловых, поскольку на последних при сжигании органического топлива происходит концентрирование РВ, которые с пеплом и золой поступают в окружающую среду. Однако с развитием атомной энергетики, при продолжающихся сбросах радиоактивных отходов в окружающую среду, неизбежности возникновения аварий следует ожидать увеличения глобальных доз облучения населения.

Вместе с тем, при работе и особенно ремонте и перезарядке ЯЭУ образуется большое количество радиоактивных отходов. Вопросы безопасного обращения с ними (хранение, транспортировка, переработка и т. д.) представляют собой актуальную мировую проблему. В последние годы обострились проблемы, связанные с выводом из эксплуатации ЯЭУ, отработавших свой ресурс, попавших под сокращение в результате Договоров об ограничении стратегических вооружений (атомные подводные лодки) или после радиационных аварий. Трудность решения этой задачи заключается в том, что отработавшие свой срок ЯЭУ (25–30 лет) даже после удаления активной зоны реактора представляют собой мощные источники ИИ, а их утилизация предполагает сложное техническое обеспечение, требует больших финансовых затрат и не исключает радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Основным источником радиоактивного загрязнения биосферы на заключительной стадии ЯТЦ являются отходы, образующиеся на радиохимических заводах по регенерации ядерного топлива для АЭС. В мировом масштабе примерно 10 % использовавшегося на АЭС ядерного топлива направляется на переработку для извлечения урана и плутония с целью повторного использования. В составе газоаэрозольных выбросов радиохимических заводов содержатся долгоживущие радионуклиды: криптон-85, углерод-14, йод-129 и тритий, которые обладают высокой степенью миграции, приводящей к их рассеянию в глобальном масштабе за время, меньшее периода полураспада. Другие присутствующие в выбросах долгоживущие радионуклиды, такие как стронций-90, цезий-137, изотопы трансурановых элементов обусловливают преимущественно местное и региональное загрязнение биосферы.

Ядерное оружие продолжает оставаться значимым техногенным источником ИИ, поскольку число стран, его обладателей, имеет тенденцию к увеличению, усложняя прогноз радиационной обстановки, а его подземные испытания проводятся до настоящего времени.

Загрязнение окружающей среды в результате испытаний атомного оружия обусловлено локальными (местными), тропосферными (из нижнего слоя атмосферы) и стратосферными (глобальными) выпадениями продуктов ядерного взрыва (ПЯВ). Радионуклиды, содержащиеся в крупных аэрозольных частицах, оседают в пределах нескольких сотен километров от места взрыва, образуя местные или локальные выпадения. Более мелкие аэрозольные частицы, попавшие в нижние слои тропосферы и находящиеся там в среднем 1 месяц, выпадают в виде осадков на расстоянии до нескольких тысяч километров от места взрыва. Аэрозольные частицы, инжектированные в стратосферу (слой атмосферы, находящийся на высоте 10–50 км) и пребывающие там в среднем до 2 лет (углерод-14 – более 7,5 лет), образуют радиоактивные выпадения глобального характера.

Продукты ядерных взрывов представлены примерно 200 радиоактивными изотопами. В локальных выпадениях ПЯВ важное гигиеническое значение приобретают короткоживущие радионуклиды, выход которых при реакции деления относительно велик, например стронций-89, йод-131, барий-140.

Большая часть загрязнения земного шара долгоживущими продуктами деления является результатом стратосферных выпадений после мощных термоядерных взрывов. Среди них наиболее значимы в гигиеническом отношении стронций-90, цезий-137 и ряд других изотопов. Попадание РВ на почву, в водоемы, непосредственно на поверхность растений и в дыхательные пути животных порождает сложные процессы миграции радионуклидов по пищевым цепочкам, сопровождающиеся, как правило, концентрированием радиоактивности в отдельных звеньях этих цепочек.

Радиоизотопные приборы и потребительские товары. Помимо радиоактивного загрязнения биосферы, обусловленного испытаниями ядерного оружия и атомной энергетикой, некоторую роль в этом процессе играют производство и эксплуатация многочисленных радиоизотопных приборов (РИПов). Последние широко используются в самых различных отраслях народного хозяйства для изучения технологических процессов, контроля и автоматизации производства, контроля качества продукции и т. п. Наиболее часто РИПы встречаются в виде дефектоскопов, уровнемеров, толщиномеров, интроскопов, влагомеров, блокирующих и счетных устройств, реле, индикаторов дыма в противопожарных системах и т. д. Их ежегодное производство достигает только в нашей стране многих десятков тысяч штук.

Другими источниками облучения населения являются многие потребительные товары. Во всем мире используется большое количество товаров широкого спроса, содержащих источники ИИ (часы, компасы, прицелы, электронная аппаратура и т. д.). Наиболее часто РВ используются для производства светосоставов постоянного действия (подсветка циферблатов и шкал приборов). Радионуклиды применяют в антистатических бытовых щетках для удаления пыли, дросселях флюоресцентных светильников, при изготовлении особо тонких оптических линз и ряде других устройств. В масштабах планеты они дают годовую КЭД, в 4 раза превышающую ту, что обусловлена утечками на АЭС.

Источниками побочного неиспользуемого («мягкого») рентгеновского излучения в бытовых условиях являются цветные телевизоры, дисплеи, мониторы и другая электронная аппаратура, где используются электровакуумные приборы с напряжением более 20 кВ.

Источники ИИ медицинского назначения. Радиационное воздействие на людей от многих техногенных источников ИИ часто имеет характер побочного, нежелательного явления. Однако в ряде случаев возникает необходимость осуществить преднамеренное облучение человека в интересах его здоровья, в частности, провести диагностические или лечебные процедуры с использованием ИИ. С этой целью применяются специально созданные устройства или рецептуры радиофармацевтических препаратов, которые выделяют в группу техногенных источников ИИ медицинского назначения, или медицинских источников ИИ.

Следует отметить, что термин «медицинское облучение» имеет весьма узкое значение. Оно относится только к облучению пациентов, назначенному им медицинскими специалистами с диагностической либо лечебной целью. Относительно персонала, который подвергается радиационному воздействию от медицинских источников ИИ при выполнении своих профессиональных обязанностей, этот термин не применяется.

Наибольший вклад в облучение пациентов приходится на рентгенодиагностику, которой подвергается большинство людей. Индивидуальные дозы при этом определяются физико-техническими параметрами аппаратуры, видом и частотой рентгенодиагностических исследований, квалификацией персонала и другими факторами.

Максимальные дозы облучения формируются при рентгеноскопии желудочно-кишечного тракта, спинного мозга, почек и мочевыводящих путей, при катетеризации сердца и других органов. При подобных исследованиях эквивалентные дозы на отдельные органы (в том числе гонады) могут достигать нескольких десятков миллизивертов.

Частой диагностической процедурой является радиоизотопное сканирование органа с целью выявления опухоли и определения ее характера (злокачественная или доброкачественная) по уровню обмена и накоплению радионуклидов в ней.

Рентгено-радиотерапевтические процедуры сопровождаются локальным облучением пациентов в очень больших дозах, особенно при лечении рака. При этом неизбежно некоторое облучение здоровых органов и тканей.

Использование источников ИИ в медицинских целях вносит более весомый вклад в облучение населения, чем техногенное повышение ЕРФ, однако возможный ущерб от него для населения Земли остается существенно меньшим, чем польза в виде ранней диагностики, своевременного и эффективного лечения ряда тяжелых заболеваний, а следовательно, увеличения продолжительности жизни людей. Что касается радиационного канцерогенеза от облучения в медицинских целях, то, согласно расчетам, его частота составляет 19 случаев на 1 млн человек в год при уровне смертности от спонтанного рака 1800–2000 случаев.

В то же время существующий риск для здоровья требует дальнейшего совершенствования применяемых в медицине радиационных технологий, аппаратуры, методов ее применения, оптимальной регламентации числа и вида процедур с целью снижения неблагоприятных стохастических эффектов. К проведению медицинских процедур с использованием источников ИИ, особенно профилактических, необходимо подходить взвешенно, профессионально, особенно в отношении населения, проживающего на радиоактивно загрязненной местности.